偏心受压索支撑方钢管柱整体稳定性能研究

发布时间：2020-07-17 10:04

【摘要】：索支撑预应力钢柱作为一种预应力钢结构基本构件,能够显著增强普通细长受压柱的承载性能。此外,纤细的拉索也使得构件整体轻盈美观,丰富了普通受压柱的建筑表现。然而以往研究或应用索支撑预应力钢柱时,钢柱和撑杆截面多设计为圆形截面,实际上箱型截面也满足对称性和截面主轴方向的等稳定性,而且便于与其他构件相连。本文即是以箱形截面索支撑预应力钢柱为研究对象,通过理论分析和模型试验验证后的数值模拟分析方法对这类结构构件偏心受压时的整体稳定性能展开研究。本文首先汇总了典型索撑预应力钢柱的理论解析方法、试验方法与结果,并以此为基础验证本文所用有限元模拟方法的正确性。在此基础上,本文通过大量ABAQUS有限元模拟计算,对设置单层和双层撑杆的偏心受压索支撑方钢管柱进行稳定性能分析,探讨偏心率、长细比、初始预应力、初始缺陷、拉索刚度、横撑杆刚度等因素对索撑柱承载力的影响,得到偏心受压索撑柱稳定承载能力影响因素的定性分析结果,并说明轴心受压与偏心受压索撑柱稳定承载性能的差异。同时,提出关于偏心率、长细比和撑杆长度与柱长比值等变量的极限承载力折减系数,用于量化偏心受压的承载能力相较于轴心受压承载力的折减比,为日后的工程设计与应用提供参考。本文主要研究成果如下:本文研究发现,横撑杆和预应力拉索的引入使得轴心和偏心受压钢柱承载力得到显著提升。偏心受压单层索撑预应力柱的承载力随着初始预应力的增加而增强,但是较大的初始预应力使得构件后屈曲性能趋于不稳定。相较于轴心受压状态,偏心受压索支撑钢柱承载能力对于初始预应力的变化更加敏感。单层索撑预应力柱对于初始缺陷的敏感性较强,索撑柱的承载力随初始几何缺陷的增大而降低,而极限承载力与初始缺陷的关系曲线呈现线性降低。增加荷载偏心率和长细比均会使得承载力下降,极限承载力随偏心率和长细比的增大大致呈线性降低变化规律。横撑杆长度与拉索直径对偏心受压索撑柱稳定性的影响和轴心受压索撑柱存在本质区别。对于轴心受压索撑柱,当临界屈曲模态为反对称时,增加撑杆长和索径对屈曲荷载和强度的影响极为微弱;而对于偏心受压索撑预应力柱,即使发生反对称屈曲,也可以通过增加撑杆长与索径提升其屈曲强度。对偏心受压双层索撑预应力方钢管柱进行了承载能力影响因素分析,这些因素包括荷载偏心率、撑杆长、拉索直径等。分析结果表明:荷载偏心率的增加会降低双层索撑柱承载力,而撑杆长度和拉索直径的增加会增强索撑柱的承载力,这种增强作用受偏心率与受压状态的影响。对于轴心受压双层索撑柱,撑杆长度和拉索直径较小时,索撑柱发生对称模态屈曲,此时增加撑杆长或增大索径能大幅提高承载力,而当索撑柱发生反对称模态屈曲时,撑杆长度及索径的增大对提升承载力的作用不再显著。而对于偏心受压双层索撑柱,即使发生反对称模态屈曲,撑杆长度和索径对于提高承载力的作用却不可忽视。在对偏心受压单层和双层索支撑预应力方钢管柱进行承载能力影响因素分析的基础上,拟合了考虑偏心荷载作用下的承载能力折减系数计算公式。可以用于估算给定撑杆长与柱长的比值、长细比和荷载偏心率时,偏心受压索撑柱相较于轴心受压柱的极限承载力缩减比例系数。经检验,拟合公式的精确度较好,可用于为偏心受压索撑预应力方钢管柱的设计提供参考。本文主要以有限元数值模拟为研究手段,对单层和双层索支撑预应力方钢管柱进行研究,分析了偏心率、长细比、初始预应力、初始缺陷、拉索刚度、横撑杆刚度等因素对偏心受压索撑柱稳定性能的影响,提出了考虑偏心荷载影响的承载力折减系数。研究成果可为索支撑预应力钢柱的工程设计和实践应用提供参考。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU392.3
【图文】：

大跨空间结构

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 研究背景钢结构由于其自身刚度大强度高自重轻[1]、韧性及塑性好[2]、材料环保可回收[3]等优点被广泛应用于飞机装配车间、体育场馆、机场车站、会展中心等作为标志性建筑[3]。钢结构性能的研究、造型的丰富和形式的拓展势不可挡。(a)代代木体育馆 (b)法国梅斯蓬皮杜中心

结构图,预应力钢结构

(e) 斜拉结构 (f) 预应力索撑柱结构图 1-2 预应力钢结构[7]Fig.1-2 Prestressed steel structures[7]预应力钢结构通常分为预应力基本构件、平面预应力结构和空间预应力结构。本构件有预应力撑杆柱、预应力拉杆和预应力实腹梁等[22]。平面预应力结构包含预应预应力拱架和预应力框架等[23]；空间预应力结构由预应力网架、预应力网壳、预应墙、张弦结构、索穹顶结构、吊挂斜拉结构等组成[5]。在钢结构的承重体系中引入以使得平面预应力结构体系得到 10%-20%的经济效益，使空间预应力结构体系节省材料[24，25]。1.1.2 预应力索撑柱受压柱是结构工程领域的一种基本构件，在工程实际范围有着极为普遍的应用受压混凝土柱而言，受压钢柱长细比较大，因此容易发生失稳破坏。为了提高受压定性能，可在其中引入预张力索和撑杆形成一种新型预应力钢结构构件，本文称之为预应力钢柱（简称为索撑柱）。索支撑预应力柱的基本构成如图 1-3 所示，主要压柱、横撑杆和拉索三部分构成，其中沿柱高设置的横向撑杆在预张力索的作用下形成侧向弹性支承，能够缩短构件的计算长度，从而约束中心柱的压缩和屈曲变形

预应力,应用实例,结构构件

第 1 章绪论性能。由于这些优势，索支撑预应力柱备受建筑师们的青睐，自上世纪 70 年代以来，不少国内外学者开始对索支撑预应力钢柱展开大量理论研究，设计师也将其推广于工程实际中[30]。在工程应用中，索支撑预应力柱除了可以作为一种结构构件（图 1-4（a））单独受力外，还可以与其他结构构件配合使用形成一些新型结构体系（图 1--4（b））。

【参考文献】