钢管混凝土拱面内受力高效非线性有限元分析.pdf

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1、第31卷第3期2014年3月公路交通科技JoumalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVoL31No．3Mar．2014doi：10．3969／j．issrr1002—0268．2014．03．013钢管混凝土拱面内受力高效非线性有限元分析邓继华1’2，邵旭东3，谭平1(1．广州大学工程抗震研究中心，广东广州510405；2．长沙理工大学土木与建筑工程学院，湖南长沙410076；3．湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082)摘要：针对已有钢管混凝土拱非线性有限元模型精度

2、和效率不高的问题，基于动坐标迭代法及全量平衡建立了高效钢管混凝土拱平面非线性有限元模型。首先，在局部坐标系下根据应变与单元去掉刚体平动和转动后的纯变形呈线性关系的特点导出截面切线刚度矩阵，利用虚功原理得到单元切线刚度矩阵；再通过动坐标迭代法来考虑几何非线性及基于全量平衡来计算不平衡力，最终建立了钢管混凝土拱考虑几何与材料双重非线性的平面有限元模型。基于该非线性单元模型研制了相应的程序，对只考虑几何非线性的算例及考虑几何与材料双非线性的算例进行了分析，与其他文献对比分析表明：该文算法能够显著减少计算量并提高计算精度。研究结果可为实际钢

3、管混凝土拱桥几何及材料非线性分析提供新方法。关键词：桥梁工程；钢管混凝土拱；高效非线性分析；有限元法；面内承载力；动坐标迭代法中图分类号：U448．38；U448．22文献标识码：A文章编号：1002—0268(2014)03—0078—06AnalysisofCFSTArchSubjectedtoIn-planeLoadbyEffectiveNonlinearFEMDENGJi．hual”，SHAOXu—don93，TANPin91(1．EarthquakeEngineefingResearch&TestCenter，Guangz

4、houUniversity，GuangzhouGuangdong510405，China；2．SchoolofCivilEngineefingandArchitecture，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，ChangshaHunan410076，China；3．CofiegeofCivilEngineering，HunanUniversity，ChangshaHunan410082，China)Abstract：Fordeficiencyofcalculationaccuracyan

5、defficiencyoccurredinexistingnonlinearfiniteelementmodelofCFSTarch，basedonmovingcoordinateiterationandtotalbalance，aplanenonlinearfiniteelementmodelofCFSTarchwithhighefficiencyisestablished．First．basedonlinearrelationofstrainandpuredeformationafterexcludingrigid-bodytr

6、anslationandrotationinlocalcoordinatesystem，thesectiontangentstiffnessmatrixisderived，andelementtangentstiffnessmatrixisacquiredbyusingtheprincipleofvirtualwork．Then，consideringgeometricnonlinearityandbasedontotalbalance，unbalancedforcesarecalculatedbymovingcoordinatei

7、teration．aplanenonlinearfiniteelementmodelforCFSTarchisestabhshedconsideringgeometricandmaterialnonlinearity，andcorrespondingcomputerprogramisdevelopedaccordingly．Oneexampleonlyconsideringgeometricnonlineari哆andtheotherexampleconsideringgeometricandmaterialnonlinearity

8、arecomputed．Comparingwithotherreferences，itdemonstratesthatthealgorithmCandecreasecomputationalamountandenhancecalcul