钢筋混凝土梁单元截面刚度求解方法.pdf
《钢筋混凝土梁单元截面刚度求解方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钢筋混凝土梁单元截面刚度求解方法.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 6卷第 1期 2 0 0 9年 2月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF RAl L WAY SCI E NCE AND E NGI NEERI NG V O 1 6 F e b N0 1 2 o o9 钢筋混凝土梁单元截面 刚度求解方法 曾永革 。 李传 习 ( 1 邵 阳学院 城 市建设 系, 湖南 邵 阳4 2 2 0 0 0 ; 2 长沙J Ez - 大学 土木与建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 6 ) 摘要: 在考虑材料非线性的有限元分析中, 根据荷载进行相应的钢筋混凝土梁单元截面刚度的求解。通过对 C r a n s t o n方 法求解截面刚度的原理和步骤
2、的分析, 指出由于混凝土和钢筋的应力 一应变关系曲线均为分段曲线, 应用C r a n s t o n方法进 行单元截面参考轴应变和曲率迭代计算时可能会 出现不收敛的情况, 依据函数的单调性和连续函数的介值定理, 提 出在该 情况下可采用加速搜索区间法和二分法相结合进行钢筋混凝土梁单元刚度求解。基于该方法编写考虑材料非线性的平面 杆系有限元程序, 并用算例进行验证, 表明其具有 良好的收敛效果。 关键词: 材料非线性; 有限元法; 截面刚度; 加速搜索区间法; 二分法 中图分类号 : T U 3 7 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 9 )
3、0 1 0 0 6 2 0 6 Ca l c u l a t i n g me t h o d s f o r s e c t i o n r i g i d it y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m e l e me n t ZENG Yo n gg e 。 一 LI Ch u a nx i ( 1 D e p a r t m e n t o f U r b a n C o n s t r u c t i o n , S h a o y a n g U n iv e r s i t y , S h a o y a n g 4 2
4、 2 0 0 0, C h i n a ; 2 S c h o o l o f C i v i l A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ,C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :T h e s o l u t i o n o f c o r r e s po n di n g e l e me n t
5、 r i g i d i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wa s d i s c u s s e d a c c o r d i n g t o l o a d i n F EM p r o g r a m f o r wh i c h t h e ma t e r i a l n o n l i n e a r i t y wa s t a k e n i n t o a c c o u n t By t h e p rin c i p l e a n d p r o c e s s o f Cr a ns t o
6、n me t h o d,i t i s p o i n t e d o u t t h a t Cr a n s t o n me t h o d s o me t i me s wi l l n o t c o n v e r g e wh e n t he s t r a i n a nd c u r v e o f t h e r e f e r e n c e a x i s i n t h e s e c t i o n i s u s e d t o c a l c u l a t e a s t h e c u r v e s o f s t r e s s s t r a i
7、 n o f c o n c r e t e a n d r e i n f o r c i n g b a r a r e s e c t i o na 1 Ba s e d o n t h e f u n c t i o n mo no t o n i c i t y a n d t h e i n t e r me d i a t e v a l u e t h e o r e m ,t he a c c e l e r a t i n g i n t e rva l s e a r c h me t h o d c o mb i n e d wi t h d i c h o t o m
8、y wa s pu t f o r wa r d t o r e s o l v e t h e e l e me n t r i g i d i t y o f RC b e a ms A F EM p r o g r a m wa s c o d e d a n d p r o v e s t h a t t h e n e w me t h o d h a s a s a t i s f i e d c o n v e r g e n c e e f f e c t Ke y wo r d s:ma t e ria l n o n l i ne a r i t y;FEM ;s e c
9、t i o n r i g i d i t y;a c c e l e r a t i ng i n t e r v a l s e a r c h me t ho d;d i c h o t o my 在平面杆系有限元分析 中, 对于钢筋混凝土梁 单元 , 其单元刚度是随着荷载的变化而变化的。为 了使分析能够更好地符合实际工作状态 , 有必要根 据构件 的实际受力状态求得相应 的单元刚度 , 特别 是在对结构或构件的仿真计算中, 考虑材料非线性 的影响, 随着逐级加载, 不断调整单元的刚度 , 从而 能够实现对结构或构件从加载到破坏的全过程分 析。通常求解单元刚度的方法为试算法 J , 其基
10、 本原理是根据构件所受的轴力和弯矩 , 事先假定一 个截面应变 , 反算该截 面内力 , 若计算内力与实际 内力相吻合 , 则认 为假定 的截面应变就是实 际应 变 , 再根据该应变求得截面的刚度 ; 若不吻合 , 则逐 步改变截面的应变和 曲率 , 反复调试 , 直至计算 内 力与实际内力相吻合为止。为了提高收敛速度 , 目 前基于上述原理用于计算钢筋混凝土梁单元截面 刚度的方法主要有 2种 ( 均是将 截面划分 为水平 条带 , 通过分层 积分来 求得截 面刚度 ) 。一种是 C r a n s t o n 方法。该方法求截面刚度的基本思路是, 由于截面内力 和 均为截面某条参考轴正应变
11、收稿 日期 : 2 0 0 81 11 7 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 7 7 8 0 2 4 ) 作者简介 : 曾永革 ( 1 9 7 4一) , 男 , 湖南洞 口人 , 硕士 , 讲师 , 从事桥梁结构的研究 第 1 期 曾永革 , 等: 钢筋混凝土梁单元截面刚度求解方法 6 3 和曲率 的二元函数, 故截面内力差值 A N和 可展开为 。 和 。的 T a y l o r 级数 , 取其线性项 , 通过解方程迭代即可求得截面内力 和 对应 的 截面参考轴正应变 和曲率 , 进而用分层积分 的方法求得截面的刚度 。该方法具有较快 的收 敛速度 , 但是 , 由于
12、混凝土和钢筋的应力 一应变关 系曲线均为分段曲线, J7、 r 和 M 与 占 和 之间是分 段函数关系 , 在分段曲线的转折点前后 , 和 M对 和 的偏导数可能差别较大, 导致用 C r a n s t o n 方法来求截面刚度有时不会收敛 , 这在钢筋屈服和 接近极限荷载时表现尤为突出。吕西林等 则提 出另一种已知弯矩求截面曲率, 进而求解钢筋混凝 土平面梁单元刚度的方法。该方法实际上是数值 分析中求解非线性方程的割线法。该方法要求方 程的二阶导数连续 , 即 对于 。 的二 阶导数连续 和 对于 的二阶导数连续 。由于分层组合模型 和应力应变的非线性关系, 当钢筋屈服或接近极限 荷载时
13、 对于 占 和 对于 的曲线会 出现 “ 尖 点” , 此时一 阶导数 尚且不连续 , 二阶导数更不 连 续。针对上述方法的缺陷, 本文作者提出将加速搜 索区间法和二分法相结合来求截面刚度 , 该方法有 较快的收敛速度 , 且不存在能否收敛的问题 。 1 计算原理 1 1 C r a n s t o n方法的迭代原理和步骤 如图 1 所示 , 某钢筋混凝土矩形截面梁受轴力 和弯矩的共同作用, 现把横截面分成若干混凝土和 钢筋纤维层( 条带) , 它们垂直于梁单元轴线而平行 于截面的中和轴, 每个层元( 或称条元) 划分的大小 以其应力可均匀分布为宜。开始时, 在截面某一高 度( 例如截面 1
14、2高度 ) 确定一条水平参考轴 , 先假 定截面参考轴处的平均应变和曲率。根据平截面假 定 , 应变沿高度方向为线性分布, 因此 , 由初始假定 的平均应变和曲率可以确定整个截面上各层元的应 变分布规律, 再根据材料的应力 一 应变曲线, 即可得 到各小层元上的应力 , 进而分层积分求得截面上 的 轴力与弯矩的计算值。若按此方法求得的计算值与 截面实际所受的轴力与弯矩相当接近, 则可以认为 假定的截面参考轴处的平均应变和曲率初始值是正 确的, 即可分层积分计算截面刚度; 但通常情况下求 得的计算值与截面上所受 的轴力 与弯矩不会很接 近, 因此, 要调整假定的截面参考轴处的平均应变和 曲率,
15、直到满足所需要 的精度要求为止 。具体 计算步骤如下: 1 )把截面分成 T t 层 , 各小层 元 的面积 A = ( B H) n, 每一层元面积 的形心与截面参考轴的距 离为 Y , Y 在参考轴 以上为正 , 反之为负 ( 见 图 1 ( a ) ) 。 ( ) ( b) I c ) 图 1 单元截面划分及应 变应 力图 F i g 1 Di v i s i o n o f c r o 8 5一 s e c t i o n a n d g r a p h o f s t r a i n a n d s t r e s s 、 2 )确定迭代初始值。第 1 级荷载作用时取 占 =N (
16、E A ), =M ( E I ), 作为假定 的截面参考 平均应变和曲率初始值( E A和 分别表示截面 应力为零时的轴向刚度与抗弯刚度 ) , 在以后 的各 级荷载作用时 , 可按前一级荷载迭代收敛后的 和 来估计初始值 , 为 : 一 一 N P 一r 却。 ( 1 ) l 一 一 , ap 。 。 其中: 和 分别为假定的P 荷载作用下截面参 考轴处的应变与曲率, 占 受拉为正, 受压为负, 下挠为正 , 上拱为负 ; 一 4 P和 分别为 P一卸 荷载作用下迭代收敛 时截面参考轴处的应 变与曲 率 ; 和 分别为 P荷载作用下截面轴力与弯 矩 ; 一 却和 一 4 P 分别为PA p
17、荷载( 即前一级荷 载) 作用下截面轴力与弯矩。 3 )由 和 确定截面上各层元的应变分布 规律( 见图 1 ( b ) ) : = P一 ) , 。 ( 2 ) 其中: 为第i 层元的正应变, 受拉为正, 受压为负。 钢筋的应变分别为 : j_ s 一 ( 一 。 ( 3 ) 【 g = p+ P ( 一口 ) 。 其中: 和 分别为受压与受拉钢筋的应变 ; H, 和 分别为参考轴到混凝土受压边缘和受拉边缘 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 9年 1 月 的距离 , 均取正值 ; 口 和 a分别为受压和受拉钢筋 的重心到最近截面边缘的距离, 均取正值。 4 )由混凝土和钢筋的应
18、力 一 应变关系曲线分 别求出相应于 , : 和 的混凝土分层的应力 与钢筋的应力 : 和 o r , 应力受拉为正 , 受压为负。 5 ) 求截面轴力和弯矩 : 0 =o -iA + + o -g A , i = 1 :一 一 i A i ( H ,一口 ,( 4 ) + g A g ( H 2一a ) 。 其 中: N o 和 分别为假定截面参考轴处 和 下截面轴力与弯矩计算值 , 轴力 以受拉为正 , 受压 为负, 弯矩以下挠为正, 上拱为负; A 和A 分别为 截面受压与受拉钢筋的面积; A 为截面第 i 分层的 面积 。 6 )判断计算是否收敛 : l 0 一 N p I e N p
19、 , ( 5 ) 【 I 一 l e 。 其 中: e 为一小值 。 7 )如果第 6步不收敛 , 转第 8步 , 收敛则确定 截面中和轴的位置 , 并计算 出各条带到中和轴的距 离 , 再按下式计算截面刚度 : E A=E iA + E g A g + E g A g , : l 1 E I ( E A + h aE i) + E ia ( 日 一 口 。 L + E gA ( 一口 ) 。 ( 6 ) 其中: E A和 E , 分别为截面轴向与抗弯刚度 ; E 为 第 i 分层混凝土的弹性模量; E :和 E 分别为受压 与受拉钢筋的弹性模量; h为第 i 分层混凝土条带 的高度 ; B为
20、第 i 分层混凝土条带的宽度。 8 )取 =N o , A M =Mo 一 , 调整 和 。 的值使 A N和 A M 在下一轮迭代 中减至零。 用 和 表示 所需的调整值 , 将 A N和 A M 用 T a y l o r 级数展开 , 并取其线性项 , 可得以下方程组 : f + : 一 , J a ( 7 ) 1 0 A M A + a A M A : 一 A M 。 a p d 其 中: : ( A E )+A E +A , 州 E ; 0 6 n 1 : 主( A E 2 ) + A E 2 + 0 口 。 1 A g E g Y ; ; : 主( A y ) 一 A 一 “ D
21、1 g : l: E g Y g; : 主 ( E A y ) 一 A I: E g * y g u 6 P 1 A g E Y g。 E , E 和 E 分别为第 i 分层混凝土的切线弹性模 量和受拉 、 受压钢筋的切线弹性模量; , , 和Y 分别 为受拉 、 受压钢筋到截面参考轴的距离。 则下一次 迭代截面参考轴处 的应变与曲率为: E p 肋 + ( 8 ) l = 。 + 。 其中: 占 。 和 分别为调整前的s 和 。 确定了新的口 和 后转第3步进行计算 , 反复 循环直到满足收敛条件为止 。 确定了单元两端截面的刚度后, 单元 的刚度可 近似取为两端截面刚度 的平均值 , 这要
22、求结构梁单 元长度划分不宜过大 , 具体划分长度视结构尺寸 、 计算精度及计算效率而定。 1 2 C r a n s t o n方法的缺陷及改进 从上面 C r a n s t o n方法求解钢筋混凝土梁单元 刚度 的过程可以看出, 该方法求截面刚度的基本思 路是 , 由于截面内力和 均为截面参考轴正应变 和曲率 的二元 函数 , 故截面 内力差值 和 、 r 可展开为 和 的T a y l o r 级数 , 取其线性项 , 解 方程迭代 即可求得截面内力 和 对应 的截面参 考轴正应变 和曲率 , 进而用分层积分的方法求 得截面刚度。 因此 , 求解单元刚度 的关键在于求得 截面参考轴正应变
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钢筋混凝土 单元 截面 刚度 求解 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【super****30541】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【super****30541】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。