几何缺陷和局部损伤对钢拱平面内稳定性影响研究

发布时间：2020-10-16 04:54

　　 拱结构以其优美的造型和良好的受力性能在工程实践中得到了广泛的应用,其稳定性研究一直受到学界重视。然而,由于设计不当和施工误差等原因造成拱轴线的偏差,导致拱结构产生一定程度的几何缺陷,以及暴露于外部腐蚀环境中,因环境锈蚀等原因引起的局部损伤,都对拱结构的稳定性有很大的影响。有鉴于此,本文推导了考虑初始几何缺陷条件下的圆弧拱平面内非线性稳定理论,并结合实际工程中常见的钢管抛物线拱,采用有限元模拟的方法对含局部损伤的钢管抛物线拱在轴压及压弯作用下的平面稳定承载力问题进行了系统的研究,具体研究内容如下:(1)通过一致缺陷模态法假定拱轴线偏差引起的几何缺陷分布方式为反对称几何缺陷和正对称几何缺陷。通过考虑缺陷的轴向应变和曲率,结合能量法将缺陷考虑到拱面内屈曲的能量方程中,从而得到含几何缺陷下的平衡微分方程。采用能量变分原理和摄动法求解含几何缺陷下的平衡微分方程,并且求解了考虑反对称几何缺陷和正对称几何缺陷的圆弧拱在集中力作用下的非线性稳定曲线,追踪了其在整个受力过程中的变形形态和失稳状态,而且计算结果都得到了有限元的验证。(2)采用大型通用有限元软件Ansys建立局部损伤钢管抛物线拱模型,并且结合本文推导的拱结构非线性缺陷稳定理论,分析得到拱结构的正对称和反对称屈曲模态,再而研究主要损伤参数即:损伤位置、损伤深度、损伤长度对稳定系数的影响。(3)针对不同矢跨比和长细比模型,考虑几何非线性和材料非线性的影响,研究了全跨竖向均布荷载作用下含局部损伤的钢管抛物线拱平面内非线性稳定承载力。结合中国钢结构规范中轴压柱的稳定承载力计算方法和Pi等人提出的修正的正则化长细比概念,提出了适合轴压作用下钢管抛物线拱的稳定系数计算公式。(4)通过不同荷载作用下钢管抛物线拱的数值模拟,提出了钢管抛物线拱在压弯作用下平面内稳定设计公式。该公式引入了损伤位置和损伤程度的综合修正因子η、b,而且还考虑了矢跨比、长细比和初始缺陷等因素影响下轴力和弯矩的修正因子α_(an)和α_(am),能有效对钢管抛物线拱的稳定承载力进行评估,最后通过有限元模型的数值计算结果对该设计公式的正确性进行了验证。
【学位单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU391
【部分图文】：

1.1 课题背景及研究意义1.1.1 选题背景在结构工程快速发展的今天，拱不仅仅是一种受力极为合理的结构形式，而且具有悠久的历史；其造型美观、结构轻巧、跨越能力大、承载能力高、美观和施工制作方便等优势在国内外土木工程、水利工程、机械工程和航天工程等领域都得到了广泛的应用[1]。根据力学的基本知识，在竖向荷载作用下拱结构支承处产生竖向力和水平推力[2]，将竖向荷载产生的弯矩转化为轴向压力，使得拱内弯矩大大减小，具有较高的结构承载效率。在水平推力的作用下，使得拱轴截面上的弯矩，较比同跨度的直梁更小。这就是拱结构以受压为主的力学特点。我国古代勤劳的人民通过实践认识到拱的优良特性，由著名匠师李春设计和建造的赵州桥（图 1-1(a)），桥长 64.40 米，跨径 37.02 米，是当今世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥。距今已有约 1400 年的历史，同时也是保存最完善的古代敞肩石拱桥。

几何缺陷和局部损伤对钢拱平面内稳定性影响研究混凝土、石材成为拱桥建设的主要材料，1997 年建成了重庆万县长江大桥，是世界最大跨度大的上承式钢筋混凝土拱桥（图 1-1(b)）。随着我国的钢材产量和质量的不断提高[3]，拱这一集美学和良好性能的结构，焕发出了无限的生机，钢结构拱结构如雨后春笋般在祖国各地建造落成，几乎每个大一些的城市都会见到钢结构拱的存在，钢拱结构在工民建领域中的应用既有体育场（图 1-2(a)），还有航站楼（图 1-2(b)）等。

(a) 美国 Edas 大桥 (b) 澳大利亚悉尼大桥图 1-3 国外拱结构在桥梁工程中的应用(a) 上海卢浦大桥 (b) 重庆朝天门长江大桥图 1-4 国内拱结构在桥梁工程中的应用综上所述，无论是在工民建或桥梁工程领域，钢拱结构的应用都是非常普遍的。随着社会经济和科技快速的发展，新材料和新技术的不断应用，钢拱结构的跨径不断增大，
【参考文献】

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本文编号：2842790