1、桥梁结构的材料几何非线性分析 n桥梁结构的非线性问题n桥梁结构材料非线性分析n桥梁结构几何非线性分析 n活载非线性分析n小结n本章参考文献n本章附录：几种常见单元的切线刚度矩阵桥梁结构的非线性问题 从从20世纪中世纪中起，科学为困扰人们的非线性问题奠定了起，科学为困扰人们的非线性问题奠定了力学基础力学基础 上上世纪世纪60年代年代末，末，有限元法与计算机相结合有限元法与计算机相结合，使工程中的非线，使工程中的非线性问题逐步得以解决；性问题逐步得以解决；目前，求解桥梁结构非线性问题，已经不是特别困难，而重要目前，求解桥梁结构非线性问题，已经不是特别困难，而重要的是的是提高精度、节省计算机时和寻找
2、合理有效的本构模型及其复杂提高精度、节省计算机时和寻找合理有效的本构模型及其复杂问题的简化方法问题的简化方法。经典线性理论基于经典线性理论基于:小变形小变形 弹性本构关系弹性本构关系 理想约束理想约束 三个基本假定，使得三个基本假定，使得:本构方程本构方程 几何运动方程几何运动方程 平衡方程平衡方程 成为成为线性线性。若研究的对象若研究的对象不能满足以上假定中的任何一个时不能满足以上假定中的任何一个时，就转化为各，就转化为各种种非线性问题非线性问题。（1）材料非线性问题）材料非线性问题 若被研究结构的若被研究结构的材料本构方程材料本构方程成非线性方程，而引起成非线性方程，而引起基本控制基本控制
3、方程方程的非线性，则称其为的非线性，则称其为材料非线性问题材料非线性问题。如第。如第13章所介绍的混凝章所介绍的混凝土本构关系中，大多本构模型为非线性模型，必将引起平衡方程的土本构关系中，大多本构模型为非线性模型，必将引起平衡方程的非线性。非线性。在桥梁工程问题中在桥梁工程问题中:混凝土的徐变、收缩、结构弹塑性等都属于材料非线性问题混凝土的徐变、收缩、结构弹塑性等都属于材料非线性问题 桥梁结构中常用的低碳钢在承载力的后期亦进入弹塑性阶段，桥梁结构中常用的低碳钢在承载力的后期亦进入弹塑性阶段，呈现出材料非线性本质。呈现出材料非线性本质。材料非线性问题可以分为非线性弹性问题和弹塑性问题两大类，材料
4、非线性问题可以分为非线性弹性问题和弹塑性问题两大类，前者在卸载后无残余应变存在，后者会存在残余变形。但两者的本前者在卸载后无残余应变存在，后者会存在残余变形。但两者的本质是相同的，求解方法亦完全一样。质是相同的，求解方法亦完全一样。（2）几何非线性问题）几何非线性问题 若若放弃小变形假设放弃小变形假设，从几何上严格分析单元体的尺寸、形状变，从几何上严格分析单元体的尺寸、形状变化，得到非线性的几何运动方程及控制方程，则称其为化，得到非线性的几何运动方程及控制方程，则称其为几何非线性几何非线性问题问题。由于控制平衡方程是建立在结构变形后的位置上，结构的刚。由于控制平衡方程是建立在结构变形后的位置上
5、，结构的刚度除了与材料及初始构形有关外，还与受载后的应力、位移状态有度除了与材料及初始构形有关外，还与受载后的应力、位移状态有关。如关。如:柔性桥梁结构的恒载状态确定问题柔性桥梁结构的恒载状态确定问题恒、活载计算问题恒、活载计算问题结构稳定结构稳定等均属几何非线性问题。等均属几何非线性问题。众所周知的众所周知的吊桥挠度理论吊桥挠度理论以及第以及第19章的章的拱桥挠度理论拱桥挠度理论则是典型则是典型的桥梁几何非线性问题。的桥梁几何非线性问题。几何非线性理论一般可分为几何非线性理论一般可分为大位移小应变即有限位移理论和大大位移小应变即有限位移理论和大位移大应变即有限应变理论位移大应变即有限应变理论
6、两种。两种。桥梁工程中的几何非线性问题一般都是桥梁工程中的几何非线性问题一般都是有限位移有限位移问题。问题。一些简单几何非线性问题可以找到解析解，如一些简单几何非线性问题可以找到解析解，如压弯杆稳定压弯杆稳定问题问题，拱圈刚度按一定规律变化的拱桥大挠度拱圈刚度按一定规律变化的拱桥大挠度问题，问题，悬索桥在简单荷载悬索桥在简单荷载作用下的大挠度作用下的大挠度问题等。问题等。但多数问题还需借助有限元及其它数值法求解但多数问题还需借助有限元及其它数值法求解（3）接触问题）接触问题 若若受力后的边界条件在求解前是未知的，即不满足理想约束受力后的边界条件在求解前是未知的，即不满足理想约束假定而引起的边界
7、约束方程假定而引起的边界约束方程的非线性问题称其为的非线性问题称其为接触问题接触问题。如如:悬索桥主缆与鞍座的接触状态问题悬索桥主缆与鞍座的接触状态问题 支架上预应力梁在张拉后的部分落架现象支架上预应力梁在张拉后的部分落架现象 等均属此类，此问题在桥梁工程上表现不多，但不应忽视。等均属此类，此问题在桥梁工程上表现不多，但不应忽视。（4）桥梁结构非线性）桥梁结构非线性 材料非线性问题在材料非线性问题在混凝土桥混凝土桥中表现最为突出，由于混凝土材料中表现最为突出，由于混凝土材料本身的特性，可以说，混凝土桥从施工到运营全过程中，非线性始本身的特性，可以说，混凝土桥从施工到运营全过程中，非线性始终贯穿
8、其中。由于收缩、徐变、开裂等因素的综合作用，使得全因终贯穿其中。由于收缩、徐变、开裂等因素的综合作用，使得全因素精确分析非常困难，而不得不采用单因素或少因素非线性分析后素精确分析非常困难，而不得不采用单因素或少因素非线性分析后，再近似叠加考虑综合因素影响。，再近似叠加考虑综合因素影响。圬土材料桥梁结构的材料非线性特性是材料非线性问题在桥梁圬土材料桥梁结构的材料非线性特性是材料非线性问题在桥梁工程上的又一难点，这方面的研究文献亦不多见，长安大学公路学工程上的又一难点，这方面的研究文献亦不多见，长安大学公路学院胡大琳教授的研究院胡大琳教授的研究3具有代表性。具有代表性。相对材料非线性问题来说，桥梁
9、结构的相对材料非线性问题来说，桥梁结构的几何非线性问题几何非线性问题更多一更多一些，特别是跨径增大，结构变柔，系统复杂后，分析中的梁柱些，特别是跨径增大，结构变柔，系统复杂后，分析中的梁柱效应效应、索垂度效应、结构位移与后期荷载的二次影响、索垂度效应、结构位移与后期荷载的二次影响等变得不可忽略。等变得不可忽略。所建立的挠度理论平衡微分方程求解也越来越困难。所建立的挠度理论平衡微分方程求解也越来越困难。寻求更精确、更方便的理论和方法一直是研究者努力的方向，寻求更精确、更方便的理论和方法一直是研究者努力的方向，也是工程界所渴望的也是工程界所渴望的 桥梁结构材料非线性分析(1)材料非线性问题的平衡方
10、程以钢材和混凝土为主要材料的桥梁结构，所涉及的材料非线性主要是弹塑性问题。以有限元分析桥梁结构时，所建立的平衡方程为 FVBTdB由于并未放弃小变形假定，对桥梁的材料非线性问题，上列两式仍然成立，但物理方程是非线性的，可以写成 0),(f注意到平衡方程式是以应力 表示的，由于小变形的关系仍然是线性的，但是以结点位移 表示的平衡方程则不再是线性的，因为应力和应变 之间是非线性的，而应力和位移之间也是由非线性关系所联系，于是改写为)(FK此即为材料非线性问题的平衡方程(2)迭代求解方法用迭代方法求解材料非线性问题的平衡方程，可分为 变刚度迭代法 常刚度迭代法（a）变刚度迭代法 变刚度法分为割线刚度
11、法（直接刚度法）和切线刚度法。如果材料的本构关系能够表示成)(D 则应力位移关系 刚度矩阵平衡方程迭代公式)(BDVBDBKTd)()(FKnn1迭代步骤如下 首先取 ，则 0000)(KK由式 FK101取 ，算得 11KFK112多次迭代直止 给定小数，则 就是方程的解 1nnn此图是此种迭代过程的应力变化，可以看出，弹性矩阵 表示应力应变曲线上的割线斜率，所以此法称为割线刚度法或称直接迭代法)(D如果材料的应力应变关系能够表示为增量的形式，即 d)(dTD并将平衡方程式改写为 0d)(FVBT 上式的增量形式为 VBTddd 则有)(dddVBDBTTdTKVBDBKTTTd)(切线刚度
12、矩阵 切线弹性矩阵 可以采用Newton-Raphson切线刚度迭代法，其迭代公式为 nnnTK111nnnFVBnTnd迭代步骤如下 已知 ，求得 ，切线弹性矩阵 ，nn)(nTD)(nTnTKK算出 及 ，则 n1n11nnn重复、步骤，直到接近真实解，使 给定小数 1n计算时，可取 进行首次迭代。下图是此种迭代过程的应力变化。可00 看出，弹性矩阵 表示应力、应变曲线上的切线斜率，所以此法亦称为切线刚度法。)(D（b）常刚度迭代法如果材料的本构关系可以写为将其用具有初应力的线弹性物理方程来代替)(f0 D初应力列阵 线性弹性矩阵，即 时的切线弹性矩阵 0若调整 ，使上列两式等价，则 0)
13、(DfD0el0假想弹性应力 Del有平衡方程VBFVBDBTTdd0)(VBFKTd00VBDBKTd0写成迭代公式 nnFFK10VBFnelnTnd)(迭代步骤类似于切线刚度法，首次近似解通常取 ，切线性弹性问题的解。以上叙述的是常刚度迭代法中的初应力法，类似的还有适于求解蠕变问题的初应变法，可参阅文献1 00F（3）增量求解方法（a）弹塑性本构关系的特点单轴应力下的材料典型弹塑性本构关系如图所示，其特点可归纳为：应力在达到比例极限前，材料为线弹性；应力在比例极限和弹性极限之间，材料为非线性弹性。应力超过屈服点（），材料应变中出现不可恢复的塑性应变，应力和应变间为非线性关系spe)(f应
14、力在 下卸载，则应力增量与应变增增量之间存在线性关系，即 s0ddE可用下列条件判断是加载还是卸载：当 时为加载，且满足；当 时为卸载，且满足 0d)(f0dddE在卸载后某应力 下重新加载，则当 时，0dEd卸载前材料曾经受到过的最大应力值，称后屈服应力 由卸载转入反向加载，应力应变关系继续依线性关系，一直到反向屈服。若 ，称此材料为理想塑性材料若 ，称此为硬化现象或加工硬化。s0s0理想塑性材料（b）增量形式的弹塑性矩阵通式在复杂应力状态下，判断材料是否屈服，可用应力的某种函数表示 即此式的几何意义为0)(ijR以 为坐标轴的空间超曲面。任一应力状态在此空间中代表一个点，当此点落在屈服面之
15、内时，材料呈弹性状态；时，材料开始进入塑性。各向同性材料的屈服条件与坐标轴的选取无关，屈服函数可以主应力函数形式表示为 屈服准则表达形式较多，常用的有：ij0)(ijR0)(ijR0321),(R米赛斯（Von Mises,1913）准则：应力偏量的第二不变量（）达到某一极限时，材料开始屈服，相当于材料力学中的第四强度理论，即2J02KJ特雷斯卡（Tresca,1864）准则：最大剪应力达到某一极限值时，材料开始屈服，相当于材料力学中的第三强度理论，即 0212121max133221K,Drucker-Prager准则：021KJaI 在一般情况下，对于弹塑性状态的物理方程，无法建立起最终应
16、力状态和最终应变状态之量的全量关系，而只能建立反映加载路径的应力应变之间的增量关系，且可反映加载和卸载过程。研究弹塑性增量理论必须从本构矩阵开始。设屈服函数为 0),(KRij应力状态 硬化函数 全应变增量可以分为两部分：弹性增量 塑性增量)(ed)(pdpeddd而应力增量与弹性应变增量之间是线性关系，即 eeDdd)(peDdd弹性矩阵 塑性变形不是唯一确定的，对应于同一应力增量，可以有不同的塑性变形增量。若采用相关联流动法则（普朗特路斯流动法则1）。塑性变形大小虽然不能断定，但其流动方向与屈服面正交，用数学公式表示为Rpd得 RDedd1FDDeed对 全微分得 0),(KRij0ddd
17、d12211KKRRRR0dARTKkRAd1用 乘上式 ，并消去 ，可得 eTDRdRDRADReTeTddRDRADReTeTddepDRDRADRRDDDeTeTeeep此即为增量理论的弹塑性矩阵通式。文献1给出了三维空间问题、轴对称问题、平面应力问题和平面应变问题的 显式（c）弹塑性问题的增量理论有限元法在弹塑性增量理论中，讨论仍限于小变形情况。于是，其应变位移几何运动方程和平衡方程相同于线性问题，不需要作任何变动。需要改变的只是在塑性区范围内用塑性材料的本构关系矩阵代替原来的弹性系数矩阵。因此，可直接得到弹塑性分析有限元平衡方程 epDFuKttTtVBDBKvepTTt d Itc
18、tvtsttFFFFF 分别表示与结构面荷载及体荷载对应的等效节点力增量；节点集中外荷载增量；初应力或初应变增量引起的外荷载增量。它们在 至 时间的增量为 tttVfNFtTvvtd dS sNFtTvst对于初应力问题对于初应变问题 VBFITvItd VDBFIeTvItd 由小变形弹塑性分析的有限元方程知，代表了荷载与位移增量的切线刚度，随不同加载历程而变化。求解这一问题的关键是计算单元的切线刚度阵和应力。由于本构关系 是当前应力的函数，即当前位移的隐函数，所以计算时要引入一个材料模型的子程序来处理塑性问题。这个子程序的主要计算内容与步骤如下：TKepD由前边迭代结果的位移计算应变增量)
19、,(uuttttt 暂假定 是弹性的，计算 teetD 由此推出新的应力状态为tettettttD 核对在第二步中的假定是否符合事实。将上式代入加载函数中，计算当前的加载函数值),(KRRtt 若 说明 确定是弹性的，第二、三步中的计算正确，此子程序的执行可以结束。0Rtt 若 ，说明 中包括了（或甚至全部是）塑性变形，则改变执行以下计算 0Rtt 若本次迭代开始时的应力是弹性的，则本次迭代的应力增量中有一部分是弹性的而另一部分是弹塑性的。将弹性部分记为 teetmDm 显然，将上式代入到加载函数中可解出1mm0),(KmRettt 计算塑性部分应变增量及当前应力tptm 1)(ttttm 计
20、算应变增量塑性部分 所引起的应力。由于材料刚度矩阵是非线性的，这一计算应是积分过程。作为数值计算，可改为逐段线性化求和，为此，将 再细分为 个小的增量pt pt MMptpt/)(在每一个小的子增量 中，先根据子增量起始时的应力计算 ，而)()(ipt)(iepD)()()()(iptieptD 于是新的应力状态为)()()()(ititit 1 由 可计算下一个子增量时的 ，并重复以上步骤，有)(it)(1iepDMiiptiepttD1)()()(由此可形成最终状态的 epD以上方法将平衡迭代与本构迭代分开，主步进行平衡迭代，子步进行本构迭代，可称之为子增量法(4)钢筋混凝土梁单元的弹塑性
21、有限元分析的折减刚度法钢筋混凝土梁单元的弹塑性有限元分析的折减刚度法 折减刚度法的实质就是由单元两端力的平均条件来确定单元的折减刚度法的实质就是由单元两端力的平均条件来确定单元的非弹性刚度。当杆件材料进入弹塑性阶段后，尽管截面的拉压刚度非弹性刚度。当杆件材料进入弹塑性阶段后，尽管截面的拉压刚度 及抗弯刚度及抗弯刚度 都是随着荷载而变化的，但当荷载增量不大，单都是随着荷载而变化的，但当荷载增量不大，单元长度划分得足够小时，可认为下列的物理关系式依然成立元长度划分得足够小时，可认为下列的物理关系式依然成立 EAEIiiiiiiiiuiEAEANEIEIkM抗弯刚度折减系数 抗拉压刚度折减系数 折减
22、抗弯刚度，是位移的函数 折减抗拉压刚度，是位移的函数 截面曲率 截面几何中心的应变 结构在特定荷载下，如果能求出相应的 和 ，就可以象弹性分析一样进行弹塑性分析了 iEAiEI对于钢筋混凝土梁单元，假定平截面假定成立；忽略剪应力和剪应变的影响；钢筋和混凝土之间无滑移现象；单元两端之间的截面内力近似地按线性变化，取单元的平均刚度作为单元刚度；假设钢筋为理想弹塑性材料，其应力应变关系可写成)()(uyyyE 折减刚度计算步骤如下：将截面分成 等分，设第 个分块上的面积为设截面几何中心的应变和曲率为 mjjAiiiiEIMEAN/)()(00荷载分级号 则第 分块形心的应变为（看下图）jijijx由
23、混凝土的应力应变曲线可求得各分块的应力 ，并得到该分块所承担的轴力为 jjjjAP当时 ，可认为 0j0j计算截面上、下部钢筋形心的应力 、1s2s由内外力平衡条件，得 mjsssjjjcmjsssjjcAahxAMAAN121121222/)(令 若 、均小于或等于指定的允许误差，那么上述的 和 假定正确，即已求得真解。反之，需要对 和 进行调整，调整的原则是使得,MMMNNNccNM)(0i)(0i)(0i)(0i101101)()()()(,iiii在下一次的迭代计算中要求 、为零。为截面几何中心应变和曲率的修正量。要使 、同时为零，应满足如下方程 NM11,NM11,0)()(0)()
24、(1111MMMNNNmjjjjtcmjjjjtcmjjjjtcmjjjtcxAEMMxAEMMxAENNAENN12111)()()()()()()()(混凝土的切线模量 下次迭代的值为 1111kikikiki)()()(lk,210 直到满足精度要求为止 由求得截面的折减刚度 iiiiMEINEA/,/桥梁结构几何非线性分析 桥梁结构几何非线性分析一般采用有限位移理论，在建立以杆系结构有限位移理论为基础的大跨径桥梁结构几何非线性分析平衡方程时，一般考虑以下三方面的几何非线性效应：杆端初内力对单元刚度矩阵的影响。一般情况下是指单元轴力对弯曲刚度的影响，有时也考虑弯矩对轴向刚度的影响，常通过
25、引入稳定函数或单元几何刚度矩阵的方法来考虑。结构分析中的初应力（或初应变）问题，就是结构现有内力引起的刚度变化对本期荷载响应的影响问题。大位移对建立结构平衡方程的影响。此问题有两种考虑办法，一是将参考坐标选在未变形的结构上，通过引入大位移单元刚度矩阵来考虑大位移问题，称为T.L列式法；另一种是以将参考坐标选在变形后的位置上，让节点坐标跟随结构一起变化，从而使平衡方程直接建立在变形后的位置上，称为U.L列式法。索垂度效应对单元刚度的影响。此问题亦有两种处理方法，一是引入Ernst公式，通过等效模量法来近似修正垂度效应，而用杆单元近似模拟索类构件；另一种是直接导出索单元切线刚度矩阵。（1）杆系结构
26、的U.L列式迭代求解法下图所示的未变形平面梁单元在整体坐标系 内，从结点 和 的坐标值出发，算出 ，和 ，当单元变形后，结点位移用 和 表示，于是单元移动到如图b)所示的位置xyij0 x0y0l0jjiiivuvu,j 建立起变形后结点 和 的局部坐标 。由图b）中的几何关系有于是梁单元在局部坐标下的结点位移可以表示为 ijccyx,ijlijlvvyyuuxx00)/(llxyarctg02200lyxlluvvullcicjcici)()(00jcjici亦可用局部坐标系下结点位移列阵表示为Tcjcjciecu000用 角将其转换到整体坐标中有 eekF由于单元刚度矩阵 是由局部坐标转换
27、到整体坐标而得到的，转换矩阵 的方向余弦成为位移状态的函数，所以kTekk是单元结点位移列阵的函数 迭代步骤 首先对结构以线性理论计算弹性位移 ，建立各单元的局部坐标计算在局部坐标下各单元位移得到阵，建立在局部坐标下各单元的刚度矩阵，并计算结点力 变换 和 到整体坐标下的 和 ckecF keF集合单元刚度矩阵，形成结构的整体刚度矩阵，此即为当时变形位置的结构刚度矩阵 neekK1若变形后的单元刚度矩阵用 表示，那么它的单元结点力 可以用结点位移 表示为ckecF ececceckF计算单元作用到结点上的力和不平衡力 neeerFF1rFFF求解结构平衡方程 ，得到位移增量 ，将 加到前次迭代
28、 FK中累积起来的结点位移中去，结点位移的新的近似值 检查收敛性，直到 趋于零为止。写成迭代公式为 F111nnnnrnnFFk而 和 是以当时的位移 为基础的，它要在每次迭代中加以修改可以一次计入，也可以分成几个荷载水平，当前级按上述方法求解后再进入下一级荷载水平，即把迭代计算和增量计算结合起来进行。若以位移为基础作为收敛性判据有时会更好一些。这时可取 某一给定小数时，认为 是收敛了 nknrF nFiiie/(2)几何非线性问题的一般拉格朗日（lagrangian）列式迭代法 建立有限元平衡方程的虚位移原理可以描述为：外力因虚位移所作的功等于结构因虚应变所产生的应变能。用公式表示为 0dd
29、dd FVTvTT内力和外力矢量的总和 虚位移 虚应变 所有载荷列阵 若用应变的增量形式写成位移和应变的关系，有 ddB消去 TdvTFVB 0d)(即为非线性问题的一般平衡方程式，且不论位移（应变）是大的还是小时，都应完全适用在有限位移情况下，应变和位移的关系是非线性的，因此矩阵 是 函数，并方便地写为 BLBBB0线性应变分析的矩阵项 与杆端位移有关矩阵项 直接按非线性问题的一般平衡方程式建立单元刚度矩阵并建立有限元列式，即为全量列式法。在几何非线性分析中，按全量列式法得到的单刚和总刚往往是非对称的，对求解不利。一般采用增量列式法。如果应力应变关系是一般的线弹性关系，有 )(00 D材料的
30、弹性矩阵 初应变列阵 初应力列阵 微分关系可以写为平衡方程式写成微分形式有 ddD0ddddd FVBVBvTvT由 LBBdd则考虑到 ddddd KVBVBvTLvT)(ddd0LBBDBDd)(dd 0vLTKKVBVBDBKvT 000d VBDBBDBBDBKTLLTLLTLd(00)0dd0)(FKKKL 0ddFKT 是三个刚度之和，称为单元切线刚度矩阵，它表示荷载增量与位移增量之间的关系，也可以理解为特定应力、变形下的瞬时刚度 采用Newton-Raphson迭代法时，将上式的微分形式改为有限值形式有如果选择的参照构形不是未变形状态（原始状态）的构形，而是最后一个已知平衡状态（
31、上次迭代结构后的变形状态构形，则所推导出的增量形式平衡方程称为U L列式（更新的拉格朗月列式），可写为 TK弹性刚度矩阵，与节点位移无关 初始位移刚度矩阵或大位移刚度矩阵，是由大位移引起的结构刚度矩阵变化，是位移的函数 初应力刚度矩阵，表示初应力对结构刚度的影响，当应力为压应力时，切线刚度减小，否则增加 FKT0ddFKtTtttTKKK0以变形后结构为参考的结构弹性刚度矩阵 以变形后结构为参考的结构初应力刚度矩阵 和 的积分均需在变形后体积内进行。值得注意的是 是的一阶或二阶小量，因此平衡方程式将 忽略了，这是U.L列式与T.L列式的区别。本章附录中给出了几种常见单元的切线刚度矩阵。tK0t
32、KtLKtK0tLK由上二小节可以看出，T.L列式和U.L列式除在大位移刚度矩阵 上有区别外，在刚度的形成及适用情况上亦有异同之处，具体如下 刚度积分域不同。T.L列式是在初始构形的体积域内进行，而U.L是在变形后的体积域内进行；转换矩阵不同。T.L列式在集成总刚时，始终采用初始结构的总体坐标中的单元结构方向余弦形成转换矩阵；而U.L是用变形后的方向余弦形成，计算过程中不断改变；关于计算精度。T.L列式中保留了刚度矩阵中的所有线性和非 LK线性项，而U.L列式中忽略了高阶非线性项。但是，U.L列式中由于忽略了大位移刚度矩阵，其在结构的大应变分析、弹塑性徐变分析等却优于T.L列式。即U.L列式更
33、容易用在考虑几何、材料双重非线性影响的大型混凝土桥梁结构分析中。（3）轴力（弯矩）对弯曲（轴向）刚度的影响（a）轴力对弯曲刚度的影响如图5.3.2所示压杆的内力和位移为正，其挠曲平衡微分方程为 iiixyNlxMlxMyEl)(1方程的解为 xlxNMlxNMlxkAlxkAyji1cossin21EINlk 引入边界条件 lyylxx,00NMAkNkMMAiij21sincos,xlxklxkNMlxklxkNMyiisinsin1sin1sin于是lxjjxiiyy,0EIsMcMljii)(EIcMsMljij)(1sin1tg1122kkkskkkc如果轴力为拉力，则 kkkskkk
34、csh111th122、为轴力影响下，杆端单位力矩引起的杆端角形变形，为力矩作用端的角变形，为另一端的角变形。最后，可导出有初轴力的杆单元刚度方程为 csc sijjiiijjjiiQQkscsclEIQscsclEIMscsclEIM)22()()()(22jjiijjiiuuClSClkSCSlSCClSClkSClSClkSClEIMQMQ -22 -22-22222222对称)(其中：是轴力 的函数，称为稳定函数，其值随 的变化而变化。以稳定函数表达的刚度系数 包含了轴力对弯曲刚度的影响，相当于前面切线刚度阵中弹性刚度系数与几何刚度系数之和。下图给出了稳定函数与单元切线刚度系数随变化的
35、情况2222scsSsccC,Nkk1k3k说明 时，二者基本一样，当 时，二者区别也不大 1k3k事实上，将 展开成级数形式有C504019301442kkC而 301430142233033kEINlkkEIl)(对比表明，几何刚度系数就是稳定函数忽略高阶项的轴力影响系数。从以上讨论可以看到：当 3时，随的 增大，几何刚度矩阵的误差也增大。但由于 与 成正比，有限元分析中，只要减小单元长度，就可避免使用几何刚度阵产生的这种误差。（b）弯矩对轴向刚度的影响kkkl杆单元的弯曲将引起杆件计算长度（杆件两端节点的距离）的改变，从而影响杆件的轴向刚度。在杆件微段上，弯曲引起的杆件轴线计算长度的改变
36、量 为dxxyxsdddddd22222111dd)()(/yyxxyd(2121 0 )lxyEANl0 2d(21)/(在外力作用下，杆件总的缩短量为lEAN 弯矩引起的轴向刚度修正系数 klkxlxNMlxklxkNMyjisinsin1sin1sin/)/(NlMMlkxnlkNMlkxlkkNMkMyjiijisicossincos将上列两式代入 的表达式中进行积分有)(4/(1123MlNEA式中：当 （压杆）时0N)coth1(hcsc2)(2)hcsc)(coth()(2222kkMkMkMMkkkMMkMjijiji当 （拉杆）时)cot1(csc2)(2)csc)(cot(
37、)(222kkMkMkMMkkkMMkMjijiji0N活载非线性分析公路桥梁活载比值较小，活载材料非线性问题并不突出，本节主要以活载几何非线性进行讨论。为了讨论方便，将非线性状态下荷载最不利加载区域称为影响区。活载几何线性分析，会遇到如下问题5：线性叠加原理失败，无法再用传统的影响线加载法进行活载分析。确定影响区本身是一个非线性问题，仅用恒载初始状态计算活载，会带来影响区范围改变和不正确载位引起的误差。单位强迫变位产生的等效力很大，用机动法求解影响区将破坏指定状态结构影响区的真实形状。考虑到结构在确定初始状态下影响线函数的大小，仍以其代表单位荷载作用对关心截面计算参数的影响，因此，可以按如下
38、方法计算非线性活载最不利响应：以结构恒载状态为初态计算影响区函数，用相应的最不利活载作为试探，求出第一次近似，将前一次试探活载与恒载共同作用时的状态代替初态，重新计算影响区和最不利荷载。当本次活载效应与上次活载效应的误差落在某一允许范围时，计算收敛。这样，每迭代一次，都加强了活载对计算状态的影响。这一计算可归结为如下步骤：将结构恒载受力状态作为求解影响区的初始状态，计算出初始影响函数用动态规划加载法，找出最不利加载位置，并作好记录。以恒载受力状态为计算初态，将活载按最不利载位一次性作用于结构，分析恒、活载共同作用下的结构受力状态和关心截面力学量。将恒、活载共同作用下的结构状态作为求解下一步影响
39、区函数新的初态，重复的计算，经过数次迭代计算就可以得到活载作用下关心力学量的最终值求解活载影响区可用机动法，但单位强迫变位应取用一个很小的数（如10-5），这样，可以保证确定的影响区不失真，使动态规划法找到的载位即为相应内力状态下的最不利载位。小结桥梁结构非线性问题以大跨径桥梁几何非线性表现较为突出，特别是索支承桥梁。材料非线性问题一般仅限于圬工及大跨径混凝土桥梁结构分析、徐变、收缩计算和桥梁极限承载力分析。求解几何非线性问题以U.L列式法较为普遍，这也是目前国内桥梁结构非线性分析程序采用最多的方法之一。目前除吊桥及拱桥几何非线性问题有解析方法（挠度理论）以外，以有限元计算为主的非线性分析已得
40、到相当广泛的应用。结构的损伤单元已逐步应用到在役桥梁评价中去6。本章参考文献1丁皓江、何福保、谢贻权、徐兴弹性和塑性力学中的有限单元法机械工业出版社，1992n2HC.chan.Y.K.Cheung and Y.P.Huang.Nonlinerar Modelling of Reinforced Concrete Structures.Computers&Strutures,Vol.53,No.5,pp.1099-1107,1994n3胡大琳n4董毓利混凝土非线性力学基础，中国建筑工业出版社，1997n5项海帆高等桥梁结构理论北京：人民交通出版社，2001n6崔军混凝土结构性能评估的损伤元模型
41、西安公路交通大学学位论文，2000.6n7王新敏空间桁架大位移问题的有限元分析工程力学，Vol.14,No.4,1997 本章附录：几种常见单元的切线刚度矩阵1平面杆单元（图附1）2312323131 -kkkkkkkkkkkT对称 式中：llEAk201sin1llEAk202cos1sincos3lEAk 2平面梁单元（附图2）642531745642342531531 -kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkT对称式中：llEAlEIk20231sin1sin12llEAlEIk20232cos1cos12sincos1233lEIlEAksin6,cos62524lEIklEIk
42、lEIklEIk2476,3平面柔索单元（附图）柔索仅能承受张力而不承受弯曲内力（抗弯刚度为零）；柔索仅受索端集中力和沿索长均匀分布的荷载作用，荷载合力效应力为 ；柔索材料符合虎克定律；局部坐标系取在柔索荷载合力平面内。设无应力索长为 ，索的荷载集度 向下为正，则参变量之间有如下关系 q0Sq ijijyyhxxl,HFFjixx0qSFFijyy22iiyxiFFT22jjyxjFFT易导得各力素与几何变量之间的关系为 jiiyjyixFTFTqEASFlln10qTTTTEAqqTTqSFEAShiiijijjy2200212对上式取全微分有 iiiiyyxxFFlFFlliiiiyyxx
43、FFhFFhh于是，端力和位移的增量关系可写成 ihCAlCBFix22hCAlCBFiy11端位移和力的增量关系可写成 jhCAlCBFjx22hCAlCBFjy11式中：ijuulijvvhiyjyxTFTFqFAiji111ijxTTqFBAi1112iyjyTFTFqEASBij1021221BABAC合并整理后写成矩阵形式为 式中：TekFTyxyxejjiiFFFFF44343324232214131211 kkkkkkkkkkkT对称CBkkk2334411CAkkkk234231412CAkkk1422422Tjjiivuvu,此即为柔索单元切线刚度矩阵，在索端平衡力已知的情况
44、下，可直接计算，在索端平衡力未知的情况下，首先按单根柔索计算索端力，求解时先初估一个 和 ，若 、自然满足，初估值即为真实值；否则，设估算值产生的误差为 xiFyiFlhllex0hhey0式中：由估算的 和 计算出的柔索水平投影长；由估算的 和 计算出的柔索垂直投影长。0lxiFyiF0hxiFyiF下一次计算希望通过 和 的修正，使误差趋于零，即 lh0 xel0yeh易得CBeAeFxyxi22CAeBeFyyyi11 用 、修正 和 ，再按照附图4所示的流程迭代，就可以在已知 的情况下，求出所有索端力。最后，计算切线刚度阵流程见附图5。用直杆代替柔索计算是常用的近似方法，柔索的垂度效应
45、可用Ernst公式对弹性模量进行修正，这种方法在小位移、高应力水平下，具有较高精度。但如果索工作在大位移状态或应力水平不高的情况下，就会出现很大的误差，因此，采用近似方法计算时应慎重。文献1给出了板单元及三维单元的切线刚度矩阵，文献7给出了空间杆单元的切线刚度矩阵。xiFyiFxiFyiF0SAEqhl,进入输入已知量坐标允许误差计算l、h初估Fxi、Fyi计算l0、h0计算ex、eyex和ey计算Ai、Bi、C、Fxi、Fyi修正Fxi、Fyi计算各索端节点力计算索有应力索长Y带出Ai、Bi、C及索端力、索长返回N附图4 求索端力的计算流程进入带入基本参数索端力已知否？计算Ai、Bi、C计算kij迭代计算索端力N结束Y附图5 柔索单元切线刚度阵计算流程
