压弯成形圆弧钢管拱平面内稳定性能研究及设计方法

发布时间：2020-07-03 23:22

【摘要】：拱作为一种历史悠久的受力结构体系,以其造型优美、结构轻盈及承载力高等特点广泛运用于建筑结构以及桥梁结构领域。稳定问题是拱结构设计中的重要控制因素,尽管目前拱平面内稳定理论研究已较为全面,但各国学者及规范提出的拱平面内稳定承载力设计方法的理论及公式均存在一定差异,压弯成形作为工程中常用的弧形钢管冷弯成形工艺之一,其残余应力对拱平面内稳定性能影响的研究仍近乎空白,因此对压弯成形钢管拱平面内稳定性能进行研究具有重要的理论和实际意义。本文采用解析法及有限元分析方法,对钢管压弯残余应力应变分布、圆弧钢管拱平面内弹性屈曲荷载以及考虑压弯残余应力应变的平面内弹塑性稳定承载力问题进行深入而系统的研究,并提出相应的平面内稳定承载力设计方法。基于平截面假定等理论假设,建立钢管微元模型,利用平衡法推导出冷弯成形过程中钢管截面应力应变的理论解。同时利用有限元软件ABAQUS对钢管压弯成形加工过程进行仿真模拟,将数值分析结果及理论解进行对比分析,提出了压弯成形后圆管截面残余应力应变分布模式。编写参数化建模分析脚本,以实现模型的前处理建模及后处理分析过程的批量全自动化,从而提高建模分析的效率和准确率。同时结合纤维梁及初始缺陷添加技术,在验证有限元模型参数设置准确、合理的前提下,批量建立圆弧钢管拱平面内稳定分析模型。研究均匀受压圆弧钢管拱的平面内弹性屈曲问题,采用上述参数化建模分析方法,分析数值解后得到屈曲临界荷载的影响因素及变化规律。同时结合拱的经典理论解,考虑屈曲前变形及拱轴线可压缩条件,提出基于弹性屈曲系数的圆弧钢管拱平面内屈曲临界荷载计算方法。考虑材料非线性、几何非线性以及初始缺陷等因素的影响,批量建立均匀受压拱以及压弯拱平面内弹塑性稳定分析模型。结合本文数值分析结果以及已有研究成果,探讨不同几何参数以及压弯残余应力应变对平面内稳定承载力的影响规律,分别提出不同拱脚条件下,基于正则化长细比的均匀受压钢管拱平面内稳定系数计算公式以及压弯钢管拱平面内弹塑性稳定承载力设计方法。通过检验模型的数值解验证了本文设计公式的适用性、合理性以及可靠性,可为工程实际应用提供一定的参考。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU392.3
【图文】：

[2]。图1-1 赵州桥 图1-2 凯旋门拱结构的建筑材料自最初的生土拱、砖石拱发展至如今常用的钢-混凝土拱以及钢拱。赵州桥为砖石拱的典型代表，利用结构自重形成相应的轴向受压状态，结构自重大并且结构的跨越能力有限。钢-混凝土拱结合混凝土材料的抗压能力以及钢骨架的抗拉能力，两者共同作用，一定程度提高了结构的跨越能力，典型代表为跨度 445 米的北盘江特大桥（图 1-3），但由于自重较大，跨越能力受到了一定限制。钢材因其自重轻、材料强度高、抗拉能力强以及施工经济方便等特点，钢拱结构广泛应用于建筑结构以及桥梁结构当中，典型代表为上海的卢浦大桥（图 1-4），全长 3900 米，单跨最大 550 米。而钢结构除了上述优势以外

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本文编号：2740312