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框架结构箱型构件的通用齐次广义屈服函数

杨绿峰,宋沙沙,解威威,张伟

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杨绿峰, 宋沙沙, 解威威, 张伟. 框架结构箱型构件的通用齐次广义屈服函数[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(3): 476-484. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180754
引用本文: 杨绿峰, 宋沙沙, 解威威, 张伟. 框架结构箱型构件的通用齐次广义屈服函数[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(3): 476-484.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180754
YANG Lufeng, SONG Shasha, XIE Weiwei, ZHANG Wei. Homogeneous Generalized Yield Function for Frame Members with Box Section[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 476-484. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180754
Citation: YANG Lufeng, SONG Shasha, XIE Weiwei, ZHANG Wei. Homogeneous Generalized Yield Function for Frame Members with Box Section[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 476-484.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180754

框架结构箱型构件的通用齐次广义屈服函数

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180754
基金项目:国家自然科学基金(51738004,51478125)
详细信息
    作者简介:

    杨绿峰(1966—),男,教授,研究方向为结构承载力和耐久性,E-mail:lfyang@gxu.edu.cn

    通讯作者:

    张伟(1977—),男,教授,研究方向为结构承载力,E-mail:zh.ei@163.com

  • 中图分类号:TU312

Homogeneous Generalized Yield Function for Frame Members with Box Section

    • 摘要:为了克服传统广义屈服函数的局限性,建立了适用于平面和空间框架结构,且对截面几何尺寸不敏感的箱型构件通用齐次广义屈服函数,提出了箱型框架极限承载力分析的高效线弹性迭代方法. 首先,通过对比分析遴选出对截面几何参数不敏感的箱型截面广义屈服函数作为基准;然后,根据全面试验法确定了拟合配点,并通过回归分析建立了考虑轴力和双向弯矩联合作用的箱型截面通用齐次广义屈服函数;最后,结合弹性模量缩减策略,提出了箱型截面框架结构极限承载力分析的高效线弹性迭代方法. 研究结果表明:建立的箱型截面通用齐次广义屈服函数不仅克服了普通广义屈服函数计算结果不稳定的缺陷,而且克服了现存齐次广义屈服函数存在的对截面几何尺寸敏感且不适用于空间结构等问题;建立的结构极限承载力分析的方法较传统的弹塑性增量分析法相对误差不超过3%,且计算时间不足传统分析法的10%,均表明本文建立方法的精确性和适用性.

    • 图 1箱型截面的主要内力与几何尺寸

      Figure 1.Internal force and geometry of box-section

      图 2不同阶次的HGYF与GYF对比

      Figure 2.HGYF v.s. GYF with different order

      图 3平面框架

      Figure 3.Plane frame

      图 4基于fZ ${\bar f_4}$ 的EMRM迭代过程

      Figure 4.Iterative process of the EMRM based on ${f_{\rm{Z}}}\;{\rm{\& }}\;{\bar f_4}$

      图 5复杂空间框架(单位:m)

      Figure 5.Complex space frame(unit:m)

      图 6基于fZ ${\bar f_4}$ 的EMRM迭代计算过程

      Figure 6.Iterative process of the EMRM based on ${f_{\rm{Z}}}\;{\rm{\& }}\;{\bar f_4}$

      表 1残差均方差

      Table 1.Residual mean-square deviation

      ${{\bar f}_2}$ ${{\bar f}_3}$ ${{\bar f}_4}$
      0.068 0.057 0.042
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      表 2几何尺寸

      Table 2.Geometry parameters m

      构件 b h t1 t2
      0.1 0.15 0.025 0.015
      0.2 0.30 0.050 0.030
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      表 3不同方法计算结果的收敛性分析

      Table 3.Convergences of the results from different methods

      计算方法 文献 参数 构件离散单元数
      2 3 4 6 8 10 12
      EMRM 本文HGYF 极限承载力/(kN•m−1) 60.53 59.27 60.09 59.65
      相对差/% 2.08 1.34 0.73
      计算时间/s 7.4 11.2 13.7 19.6
      文献[15] HGYF 极限承载力/(kN•m−1 58.65 57.29 57.99 57.58
      相对差/% 2.32 1.22 0.71
      计算时间/s 13.3 15.9 19.0 20.6
      EPIA 极限承载力/(kN•m−1 75.76 69.47 66.48 63.83 62.56 61.74 61.37
      相对差/% 8.30 4.30 3.99 1.99 1.31 0.60
      计算时间/s 12.0 17.2 18.8 24.9 37.4 43.2 48.6
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      表 4荷载初值对结构极限承载力的影响

      Table 4.Influence of the initial load on ultimate bearing capacity

      计算方法 文献 荷载初值/
      (kN•m−1
      极限荷载/
      (kN•m−1
      计算
      时间/s
      相对
      误差/%
      EPIA 61.74 43.2
      EMRM GYF[6] 30 93.36 15.3 51.21
      60 56.95 12.8 7.76
      120 27.47 11.8 55.51
      GYF[7] 30 80.12 9.7 29.77
      60 51.10 8.9 17.23
      120 28.97 9.3 53.08
      GYF[8] 30 64.08 17.7 3.79
      60 37.27 15.6 39.63
      120 18.81 14.9 69.53
      本文HGYF 30 60.09 17.3 2.67
      60 60.09 17.6 2.67
      120 60.09 16.5 2.67
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      表 5几何参数

      Table 5.Geometry parameters

      $\beta $ 截面参数/m
      $\gamma = 5$ $\gamma = 10$ $\gamma = 5$ $\gamma = 10$
      $ 1.0$ b 0.10 0.10 0.20 0.20
      h 0.10 0.10 0.20 0.20
      t1 0.02 0.01 0.04 0.02
      t2 0.02 0.01 0.04 0.02
      $ 1.5$ b 0.10 0.10 0.20 0.20
      h 0.15 0.15 0.30 0.30
      t1 0.03 0.015 0.06 0.03
      t2 0.01 0.01 0.04 0.02
      $2.0$ b 0.10 0.10 0.20 0.20
      h 0.20 0.20 0.40 0.40
      t1 0.04 0.02 0.08 0.04
      t2 0.02 0.01 0.04 0.02
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      表 6 $\gamma $ $\beta $ 对计算结果的影响

      Table 6.Influence of $\gamma $ and $\beta $ on the results

      计算方法 文献 $\beta $ $\gamma $ 极限荷载/
      (kN•m−1
      相对误差/%
      EPIA 1.0 5 31.44
      10 19.49
      1.5 5 70.19
      10 42.25
      2.0 5 137.96
      10 81.02
      EMRM 本文
      HGYF
      1.0 5 30.67 2.45
      10 19.07 2.15
      1.5 5 68.72 2.09
      10 41.44 1.92
      2.0 5 134.91 2.21
      10 79.24 2.20
      文献[17]
      HGYF
      1.0 5 30.21 3.91
      10 18.75 3.80
      1.5 5 66.54 5.20
      10 40.06 5.18
      2.0 5 127.02 7.93
      10 74.46 8.10
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      表 7几何尺寸

      Table 7.Geometry parameters m

      构件 b h t1 t2
      0.1 0.15 0.025 0.015
      0.2 0.30 0.050 0.030
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      表 8内力组合对结构极限承载力的影响

      Table 8.Influence of internal force combination on ultimate bearing capacity

      参数 EPIA EMRM
      HGYF[17] 本文HGYF
      极限荷载/(kN•m−1 28.94 151.37 27.85
      计算时间/s 554.2 2.6 50.9
      相对误差/% 423.05 3.77
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      表 9荷载初值对结构极限承载力的影响

      Table 9.Influence of the initial load on ultimate bearing capacity

      计算方法 文献来源 荷载初值/(kN•m−1 极限荷载/(kN•m−1 计算时间/s 相对误差/%
      EPIA 50 28.94 554.2
      EMRM GYF[8] 10 44.44 30.2 53.56
      30 20.68 27.7 28.54
      50 14.11 28.8 51.24
      GYF[9] 10 42.87 31.3 48.12
      30 19.63 32.9 32.17
      50 12.39 32.9 57.19
      GYF[10] 10 34.66 37.3 19.77
      30 19.17 36.1 33.76
      50 11.26 35.2 61.09
      本文HGYF 10 27.85 50.9 3.77
      30 27.85 50.8 3.77
      50 27.85 50.9 3.77
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      表 10 $\beta $ $\gamma $ 对结果的影响

      Table 10.Influence of $\beta $ and $\gamma $ on the results

      计算方法 $\beta $ $\gamma $ 极限荷载/
      (kN•m−1
      相对误差/%
      EPIA 1.0 5 16.95
      10 10.53
      1.5 5 34.26
      10 21.21
      2.0 5 60.62
      10 37.69
      EMRM 1.0 5 16.73 1.30
      10 10.40 1.23
      1.5 5 33.49 2.25
      10 20.74 2.24
      2.0 5 59.27 2.23
      10 36.87 2.18
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    • 收稿日期:2018-09-04
    • 修回日期:2018-11-01
    • 网络出版日期:2019-12-31
    • 刊出日期:2020-06-01

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