等效铰结平面桁架单元有限元法的研究

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结构分析是工程结构设计的关键环节,无论是无限小单元法还是传统有限单元法,都存在缺陷。前者求解的弹性力学问题很有限;后者通用性较好,但场函数难于构造,计算量大,而且材料非线性分析塑性阶段,往往难以得到稳定的结果。为此,本文从平面应力问题入手,基于微元体应力一应变分析和有限元基本思想,构造了一种新的单元模型——等效铰结平面桁架单元,在保证同等工程精度下,寻求到一种更简单实用的近似计算方法来解决复杂的二维问题。同时,将本单元应用于钢筋混凝土非线性有限元分析,提出了钢筋混凝土等效铰结平面桁架单元模型,大量算例证实本文方法的正确可行,可供工程应用结构分析参考。 首先,针对平面应力问题,构造了等效铰结平面桁架单元,将较复杂的二维问题一维化。在结点荷载作用下等效桁架结构模型内只有二力杆单元,单元受力、变形简单清晰,易于计算、观察和判断,并能满足工程精度要求。 其次,编制了平面应力问题等效铰结平面桁架单元有限元法分析计算机程序。用所编制的计算机程序对悬臂梁、简支梁和开孔墙板进行计算分析,并将其计算结果与一般有限元法计算结果进行比较,发现二者基本吻合。 最后,提出了钢筋混凝土非线性分析等效铰结平面桁架单元模型及其裂缝模式。该模型中,钢筋混凝土结构被离散为等效混凝土单元和钢筋单元,混凝土单元采用等效铰结平面桁架单元,钢筋单元采用一维杆单元,直接利用混凝土的单向应力应变关系对结构进行弹塑性分析。因此,简化了分析方法,提高了非线性分析的效率,解决了传统弹塑性单元难以处理裂缝的问题。运用本文方法,借助通用有限元分析软件ANSYS5.7,对钢筋混凝土简支梁和剪力墙进行了材料非线性分析,并将计算结果与实验数据进行比较,发现二者基本吻合。
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