基于薄壁構(gòu)件理論的空間鋼框架高等分析方法研究.pdf

1、全面的計(jì)算分析是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，合理、可靠的理論模型和精確的計(jì)算分析具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。而當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法需要借助有效長(zhǎng)度系數(shù)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，不能精確考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相互作用，沒(méi)有考慮非彈性內(nèi)力重分布，不能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失穩(wěn)模態(tài)。因此既能考慮結(jié)構(gòu)的各種非線性因素，又能精確模擬單個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)校核的高等分析成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題之一。高等分析實(shí)際上是二階彈塑性結(jié)構(gòu)分析方法，在分析時(shí)結(jié)構(gòu)模型能充分描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度與穩(wěn)

2、定性，從而不需要進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件的承載力驗(yàn)算。
　　 為完善空間鋼框架結(jié)構(gòu)的高等分析理論，本文針對(duì)目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析存在的問(wèn)題及當(dāng)前數(shù)值積分單元精度和計(jì)算效率不高的缺點(diǎn)，基于有限單元法和梁柱理論推導(dǎo)了修正塑性鉸空間梁柱單元，單元可以考慮幾何非線性、材料非線性、初始缺陷、剪切變形、彎曲縮短(弓形效應(yīng))和連接柔性、彎扭屈曲和翹曲的影響，利用面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言編制了程序，建立起較為通用和精確的鋼框架高等分析方法，并通過(guò)多個(gè)算例證明了本

3、文單元的精度和有效性。豐要研究工作如下：
　　 首先根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)有限變形理論，采用更新的拉格朗日列式，將傳統(tǒng)的梁枉法與有限元法相結(jié)合，利用虛位移原理和考慮剪切變形效應(yīng)的穩(wěn)定插值函數(shù)推導(dǎo)了空間鋼框架結(jié)構(gòu)粱柱單元二階彈性分析的剛度矩陣：在考慮翹曲變形的分析中，基于薄壁構(gòu)件Kollbrunner-Hajdin修正約束扭轉(zhuǎn)理論，推導(dǎo)了翹曲扭轉(zhuǎn)插值函數(shù)來(lái)描述翹曲變形，導(dǎo)出了考慮幾何非線性、剪切變形、翹曲變形、雙向彎曲、扭轉(zhuǎn)、初始兒何缺

4、陷和軸向變形等因素影響的梁柱單元幾何非線性增量剛度方程。
　　 分析了三維空間的轉(zhuǎn)動(dòng)特性，研究了梁柱單元常用的幾種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣更新方法：對(duì)力矩的保守性，及其五種不同的分量形式展開(kāi)研究；將自然變形法和外部剛度法計(jì)算不平衡力的過(guò)程由普通梁柱單元擴(kuò)展至考慮翹曲自由度的空間薄壁粱柱單元；而在求解方面，總結(jié)了現(xiàn)有多種解法的優(yōu)缺點(diǎn)，并將各種增量迭代表示方法整理為統(tǒng)一表達(dá)式，選擇牛頓一拉斐遜方法和廣義位移法作為本文非線性方程組的求解方法。

5、r>　　 討論了幾種塑性區(qū)分析模型，以纖維單元塑性區(qū)分析為基礎(chǔ)，基于結(jié)構(gòu)鋼各向同性塑性累積損傷的本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)了考慮材料損傷和混合強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系的彈塑性剮度矩陣。介紹了精細(xì)塑性鉸模型中截面屈服面方程、殘余應(yīng)力的考慮方法、截面漸進(jìn)屈服的考慮方法；對(duì)目前二階非彈性分析時(shí)采用的內(nèi)力屈服面進(jìn)行了研究后，對(duì)Orbison屈服面方程進(jìn)行了改進(jìn)，首次同時(shí)引入單元截面彈塑性鉸參數(shù)a和軸向變形影響系數(shù)p，提出一種既能反映塑性在構(gòu)件截面擴(kuò)展，又能反映塑性沿

6、構(gòu)件長(zhǎng)度方向(軸向)擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)二階非彈性分析的修正塑性鉸單元模型：模型中同時(shí)考慮了殘余應(yīng)力的影響,能較為精確地描述漸進(jìn)塑性效應(yīng)。
　　 鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的行為是非線性的，在極限分析時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)柔性的影響是必要的。在綜述半剛性連接非線性性能的研究方法基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了半剛性連接的模型及其特性；對(duì)柱弱軸頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，還提出了一種新的柱弱軸半剛性節(jié)點(diǎn)形式，研究了該節(jié)點(diǎn)形式的性能，并與柱強(qiáng)軸半剛性連接進(jìn)行了對(duì)比：重點(diǎn)研究

7、了本文修正塑性鉸粱柱單元考慮連接柔性的具體方法，推導(dǎo)了半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)空間二階非彈性分析的切線剛度矩陣。在綜述節(jié)點(diǎn)域模型基礎(chǔ)上，以茼捷的方法導(dǎo)出了整體坐標(biāo)系下節(jié)點(diǎn)單元和三維梁柱單元的切線剛度矩陣，建立了考慮節(jié)點(diǎn)域剪切變形影響的半剛性連接空間鋼框架雙重非線性增量剛度方程。
　　 最后根據(jù)上述修正塑性鉸理論梁-柱單元基本方程，編制了程序并對(duì)若干典型算例、試驗(yàn)結(jié)果和一些有代表性的鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析。結(jié)果表明：本文單元可以有效