两铰“U”型钢反拱的屈曲载荷分析及工程应用

为解决"U"型钢截面反拱梁在底鼓治理中出现的失稳破坏问题,建立了两铰反拱受力模型,利用弹性稳定理论求出两铰圆弧反拱稳定特征方程,求解出两铰反拱临界屈曲载荷解析解;并利用ANSYS建立"U"型钢反拱梁模型,模拟分析U25、U29和U36三种不同截面反拱梁在承受径向均布载荷条件下,反拱梁临界屈曲载荷和Mises应力与反拱圆心角之间的关系.结果表明:当反拱圆心角在70°时,三种"U"型钢截面反拱的临界屈曲载荷达到最大,随后加大圆心角则屈曲载荷平均以4.0%的速度缓慢下降,表明反拱梁在圆心角70°时稳定性较好,而Mises应力最大值则均出现在反拱梁的两端部和跨中底部,最小值出现在梁跨中上表面.设计的U36型钢反拱梁在淮南某矿石门处100 m试验段内的底板治理中得到成功应用,研究成果可为类似底板治理工程提供一定技术参考.     

静水压力作用下两铰圆拱稳定的截面优化设计

采用泛函极值分析方法,推导出圆拱截面函数和挠曲函数的稳定方程．利用瑞利-里兹法,近似求解在静水压力作用下,两铰圆拱呈反对称屈曲和正对称屈曲状态的临界荷载和截面的优化形式．     

箱形截面拱的横向屈曲试验研究

本文给出箱形截面拱的横向屈曲试验研究,所加载荷由均布载荷和集中载荷两部分组成。研究表明,作用在拱顶处的集中载荷较其它位置具有较小的临界值,而其对应的屈曲模态则差别并不显著。     

弹性支撑圆弧拱考虑几何缺陷的面内屈曲特性

通过变分原理推导了弹性支撑圆弧拱考虑几何缺陷时的平衡方程,得到了外荷载与径向位移和轴力的关系,以及圆弧拱发生跳跃和分岔屈曲的平衡条件．用解析法和有限元法分析了几何缺陷和弹性支撑刚度对面内稳定性的影响．研究结果表明,两种方法在展开角较小时吻合良好;几何缺陷对屈曲路径有一定的影响,而弹性支撑刚度对跳跃屈曲的路径和临界值均有...     

静水压力下无铰圆拱稳定的截面优化设计

采用泛函极值分析方法,推导出圆拱截面函数和挠曲函数的稳定方程,并用瑞利-里兹法,近似求解静水压力作用下,无铰圆拱呈反对称屈曲和正对称屈曲状态的临界荷载及截面的优化形式.优化结构较好地体现出工程设计的经济性要求,所采用的分析方法适用于各种边界条件、各类截面形式和任意荷载作用的圆拱稳定问题.     

铝合金箱形-工字形盘式节点整体变形性能试验研究

铝合金网壳结构在大跨空间结构中具有广泛的应用前景.南京牛首山佛顶宫大穹顶工程中采用了铝合金网壳结构,其节点包含两种截面杆件,均使用不锈钢环槽铆钉与节点盘进行紧固连接,形成了特殊形式的箱形-工字形盘式节点.为研究铝合金箱形-工字形盘式节点在面外弯矩作用下的传力机理、变形性能、节点刚度、破坏模式和极限承载力,开展了箱形-工字形盘式节点整体试件的静力加载试验,使用有限元软件ABAQUS对试验加载全过程进行了数值模拟,并将试验结果与相同截面铝合金箱形-工字形盘式节点相连对肢节点的试验结果进行对比分析.试验结果表明:南京牛首山佛顶宫大穹顶工程中采用的铝合金箱形-工字形盘式节点为半刚性节点,节点刚度较大,整体延性相对较小;在较大面外弯矩作用下构件的上节点盘发生屈曲变形,试件加载破坏时下节点盘仍处于弹性阶段,杆件连接部位腹板出现明显屈曲变形,杆件与上节点盘连接处发生断裂破坏.足尺有限元模型的数值模拟结果与试验结果吻合较好,具有工程应用可靠性.与相同截面的铝合金箱形-工字形盘式节点相连对肢节点试验结果相比,铝合金箱形-工字形盘式节点6根连接杆件之间的相互作用提高了节点刚度,但在一定程度上降低了节点的延性和抗弯承载力,在设计和使用过程中需进一步加强和改进.     

带有横撑的箱形截面拱横向屈曲研究

本文对桥梁工程中广泛应用的箱形截面拱进行了横向屈曲模型试验研究,模型采用有机玻璃制作,并在两片拱之间设置了不同数量的横撑。荷载由恒载和集中荷载两部分组成,试验结果和有限元计算相符。文中还用有限无法分析了横撑刚度对临界荷载的影响。     

冷弯薄壁型钢拼合箱形柱的畸变屈曲性能研究

为研究冷弯薄壁型钢(CFS)拼合箱形截面柱的畸变屈曲性能,首先对9根C形截面柱、9根U形截面柱及21根由C形和U形拼合而成的箱形截面柱进行轴压试验研究和数值模拟分析,考察其屈曲模式特征和受力特性.在此基础上,提出一组假设模型以研究螺钉间距对拼合箱形截面柱变形特征和极限承载力的影响规律及其与试件半波长之间的关系.研究结果表明:1)不同螺钉间距的试件,畸变屈曲半波数量和半波长(λc)均不相同.2)螺钉间距小于0.9λc时,箱形截面柱的承载力大于C形和U形柱的承载力之和,即1+1>2的拼合效应.3)螺钉间距大于0.9λc时,箱形截面柱的承载力逐渐接近C形和U形柱的承载力之和,即1+1≈2.为计算CFS拼合箱形截面柱的极限承载力,在美国规范中直接强度法的基础上提出了一种计算箱形截面柱畸变屈曲弹性临界荷载的方法,将计算的临界屈曲荷载用于直接强度法以得到拼合箱形截面柱的极限承载力,理论计算结果与试验及有限元结果均比较吻合,验证了本文提出方法的准确度和适用性.     

钢管混凝土圆弧拱平面内非线性稳定承载力

采用考虑屈曲前变形的弹性稳定公式,基于统一理论的钢管混凝土截面抗压承载力计算方法,研究了均布径向荷载作用下钢管混凝土圆弧拱的平面内非线性稳定承载力,并在分析中考虑了几何非线性、材料非线性和拱肋初始缺陷的影响.通过对比有限元结果和各国典型设计规范提供的稳定系数公式,提出了适合钢管混凝土圆弧拱的平面内非线性稳定系数,为钢管混凝土拱桥的设计提供依据.     

弹性拱静力屈曲的突变行为

应用突变理论研究弹性两铰拱的静力屈曲,分析中考虑了拱的挠度变化和轴向压缩变形的影响,得到了拱面内失稳的尖点突变模型和临界条件,给出了一些有意义的结论.     

平面钢管桁架拱平面外稳定承载力的参数分析

介绍了桁架拱的分类和失稳特点,对平面桁架拱的有限元模型进行了讨论.采用有限元软件ANSYS分析,对影响平面钢管桁架拱的稳定性的各项几何参数进行研究,几何参数包括结构的高跨比、矢跨比、腹杆与弦杆的比值以及侧向支撑.分别进行了特征屈曲分析和考虑初始缺陷的双重非线性分析,得到各几何参数对平面钢管桁架拱的面外稳定承载力的影响程度.找出对平面钢管桁架拱平面外稳定性起控制作用的参数,从而为一般荷载作用下的平面钢管桁架拱的稳定承载力的设计提供参考.     

拱的大挠度分析

基于有限变形理论导出了等截面圆弧拱在荷载作用下考虑非线性二阶项的微分方程,并得到了无铰拱与两铰拱载荷在荷载作用下位移的解析解。为大跨径拱的分析与计算提供了理论依据。     

用单位力轨迹线作两铰拱影响线

利用两铰拱在Ｐ＝１作用下的轨迹线规律，求做抛物线两铰拱的推力和某截面的弯矩影响线。     

非理想边界拱的面内失稳模式与屈曲荷载

将拱结构中既非固结也非铰支的非理想边界考虑为沿不同方向的具有一定刚度的弹性约束,利用变形几何关系和能量变分原理推导了拱的非线性平衡方程.以圆弧拱为例建立了径向均布荷载下外荷载与结构内力、径向位移之间的关系,通过定义拱的深浅参数和临界约束刚度进行分析并得到了跳跃屈曲、分岔屈曲等的发生条件及存在区间.本文方法所得屈曲路径和屈曲荷载与有限元法所得结论吻合良好,且用数值法分析了不同约束刚度时的屈曲路径和临界荷载.结果表明,临界深浅参数和临界约束刚度对圆弧拱的屈曲模式及屈曲临界荷载影响显著.     

变截面抛物线无铰拱的内力分析

以弹性中心法为基础,推导了变截面抛物线无铰拱的内力计算公式,并编制了计算程序。     

非落地钢管桁架拱结构稳定性能

由于使用空间的需要,钢管桁架拱多为非落地拱,支承于桁架柱或其他结构上.桁架柱或其他结构的刚度的变化,会直接影响钢管桁架拱的稳定性能.本文在考虑刚度等效原则的基础上,根据线弹性稳定理论,推导出非落地钢管桁架拱结构面内、外临界荷载表达式.根据面外失稳临界荷载值不小于面内失稳临界荷载值的原则,沿圆弧拱侧向等距离布置侧向支撑,以防止其发生面外失稳,进而确定出侧向支撑的布置数目.分析得出圆弧拱的半径对侧向支撑的数目没有影响;随着桁架拱的开角(矢跨比)、桁架拱截面高度的增大,侧向支撑的数目增多;随着桁架拱截面宽度的增大,侧向支撑的数目减少.最后得出侧向支撑数目与无量纲参数f/L、h/b的关系表达式.     

曲杆有限元与拱的临界载荷算法

从初应力位形上附加变形的场论出发,提出弹性屈曲问题的控制方程和变分原理的普遍形式;在这个理论框架下,通过降维处理,导出平面拱弹性屈曲问题求解临界载荷的变分方程、控制方程以及相应的线性齐次微分方程的特征值问题;进一步放弃平截面假设,考虑剪切变形,给出曲杆截面含6个自由度的一维有限元法算法.推导过程和计算结果表明,该理论体系导出曲杆有限元方程准确,易于数值实施,计算结果更符合实际情况.     

箱形预应力撑杆钢柱整体稳定性能研究

预应力撑杆钢柱具有稳定性能好、承载能力高等优点.采用有限元软件ABAQUS对中心柱截面为箱形的预应力撑杆钢柱进行了数值分析,并通过理论公式验证了数值分析的准确性.在此基础上进行线性和非线性屈曲分析,考察撑杆长度、撑杆截面尺寸以及初始缺陷大小等因素对这类结构构件整体稳定性能的影响.分析表明:当屈曲模态为对称屈曲时,增加撑杆长度可以有效提升箱形预应力撑杆钢柱的承载能力;同样地,撑杆截面尺寸对这类结构构件承载能力的影响也与其屈曲模态相关.     

圆拱稳定的变分分析

根据势能原理，建立以位移为基本未知量的圆拱总势能，采用变分分析，推导出圆拱在弯曲平面内的平衡微分方程，应用能量法，可直接近似计算在均布压力作用下不同支承的变截面圆拱，以及在非均布压力作用下等截面圆拱屈曲的临界荷载，算例表明，能量法计算圆拱稳定问题十分简便，适合于工程应用。     

反复荷载作用下箱形压弯钢柱受力性能

分析16根箱形钢柱及85个数值计算构件的刚度退化特征、强度退化特征、荷载-位移变化曲线、破坏形态、应力分布规律,进而研究反复荷载作用下箱形压弯钢柱局部屈曲和整体失稳的相关作用机理。对试验数据及有限元计算结果进行统计分析,回归出反复荷载作用下箱形压弯钢柱稳定承载力的拟合公式。研究结果表明:当轴压比小于0.1或绕截面弱轴长细比小于40时,壁板局部屈曲对构件的受力性能起控制作用,腹板宽厚比对构件的延性、承载力退化、刚度退化均起主要作用;当轴压比大于0.2且绕截面弱轴长细比大于80时,构件整体失稳对其受力性能起控制作用,轴压比和长细比对构件受力性能的影响均非常显著。