开口薄壁截面圆弧拱空间动力稳定性分析

通过能量法和Hamilton原理,建立了径向均布周期荷载作用下开口薄壁截面圆弧拱动力稳定偏微分方程。利用Galerkin方法将其转化为二阶常微分Mathieu-Hill型参数振动方程。求得周期解所包围的动力不稳定区域。探讨了开口截面圆弧拱发生空间参数振动的动力稳定性问题。分析了恒载系数、圆弧半径以及圆心角等参数对空间动力不稳定区域的影响,为工程结构动力设计提供参考依据。     

周期荷载作用下几何缺陷拱的动力稳定性

分析了周期荷载作用下几何缺陷对拱的动力性能的影响.首先将结构有限元节点坐标偏差视为随机变量,通过建立拱的条件相关矩阵,分解得出几何缺陷的分布方式及缺陷幅值标准差.在考虑动力荷载作用下结构的稳定性能时,由Lyapunov稳定性原理出发,推导出了反应结构长期动力性能的运动稳定方程,基于此方程求解Lyapunov指数.对比分析了几何缺陷拱与完善拱的动力稳定性能,研究了周期荷载作用的频率与几何缺陷的大小对拱动力稳定性能的影响.结果表明与静力屈曲模态相似的几何缺陷分布方式对拱的动力稳定性影响最大;同时存在使拱发生动力失稳的激励频率区域.     

初始缺陷圆弧拱面内非线性失稳实验研究

针对几何缺陷圆弧拱的面内非线性弹性失稳,利用自行设计的位移加载装置进行了实验研究,实时测量了圆弧拱在加载全过程的力-位移曲线,并跟踪了圆弧拱的实时变形情况和失稳模态,获得了圆弧拱的失稳平衡路径、缺陷圆弧拱的失稳上极值点和下极值点。将实验结果与理想状态拱的有限元数值计算结果进行了比较,揭示了圆弧拱矢跨比、初始几何缺陷对拱失稳极值点和失稳模态的影响。研究表明:1)初始几何缺陷影响了拱的荷载位移曲线,使得上极值点和下极值点偏离了理想曲线;2)初始几何缺陷使得圆弧拱在不稳定平衡路径中呈现出反对称变形趋势;3)随着矢跨比的增加,圆弧拱的前屈曲失稳临界荷载逐渐增大,结构的承载能力随之提高;4)初始几何缺陷对拱的前屈曲失稳模态的影响较后屈曲失稳模态大。     

圆弧浅拱面外动力稳定性实验研究

对称作用于拱结构的周期性荷载,一般来说,只引起拱面内的对称振动,然而在一定的条件下可能引起很大振幅的面内反对称振动以及面外对称振动,这是拱结构由于参数共振引起的动力失稳问题。本文针对圆弧浅拱平面外动力稳定问题,基于激振实验,利用APS系列激振器模拟拱顶单点简谐激励,采用BK测振系统测定圆弧拱横向振动响应,测得结构自振模态与阻尼比,通过往返不断扫频方式获得动力不稳定域边界,并与理论结果进行了对比分析,探究了其在周期集中荷载作用下的动力侧倾失稳机理,研究结果表明:当外部激励荷载频率约为结构2倍自振频率时,结构出现激烈的横向参数共振,并且只有外激励幅值大于临界激发力时才会发生参数共振,而阻尼条件的存在影响着临界激发力的大小,外激励幅值越大,参数共振现象越容易发生,该文验证了圆弧浅拱面外动力不稳定域计算结果的准确性,研究成果为拱结构的动力稳定设计提供了一定的参考价值。     

单层椭圆抛物面网壳在地震作用下的动力稳定性分析

以平面30 m×30 m,矢跨比分别为1/6,1/7,1/8和1/9的椭圆抛物面单层网壳为对象,利用ANSYS非线性动力软件,研究其弹塑性动力失稳。计算中考虑几何和材料非线性效应,并对几何缺陷、阻尼、不同地震波及其输入方向等对稳定性的影响进行了分析。结果表明:该结构的动力失稳一般伴随着较大的塑性变形,具有明显的突发性;在水平地震作用下动力稳定临界荷载明显低于竖向地震作用下的临界荷载,以两向地震作用下最低;在水平地震作用下,较大矢跨比时动力稳定临界荷载较低;杆件截面的增大可显著提高该结构的水平刚度和动力稳定临界荷载;几何缺陷能显著降低网壳结构的动力稳定临界荷载;考虑Raleigh阻尼模式,其临界荷载提高不足7%。     

固接抛物线浅拱的平面内稳定性分析

对固接抛物线浅拱的静力及动力稳定性问题进行了研究.基于哈密尔顿原理推导出抛物线浅拱的动力学控制方程,并推得非线性静力平衡方程及静力跃越和分岔屈曲的解析方程;利用体系不稳定平衡时的能量守恒原理确立了发生动力屈曲的临界条件并得到动力屈曲相对荷载上限及下限值.分析结果表明:浅拱的修正长细比及结构已存在荷载是影响浅拱屈曲的重要参数,阶跃荷载作用下浅拱的静力及动力屈曲相对荷载随着长细比的增加而增加,而动力屈曲荷载随结构已存在荷载的增大而减小;当稳定平衡时系统势能大于零,浅拱的动力屈曲荷载将显著提高.     

单轴对称截面圆弧拱在局部区域径向均布荷载下的弯扭失稳

为了探究单轴对称截面圆弧拱的弯扭失稳行为,研究了局部区域径向均布荷载作用下单轴对称工字形截面两端铰接圆弧拱的弯扭失稳问题,考虑了剪切变形的影响,推导了失稳前拱的弯矩,轴力和剪力表达式。根据势能驻值原理和Rayleigh-Ritz法,得到了单轴对称截面圆弧拱弯扭失稳临界荷载理论解,并将其和有限元结果进行了对比。结果表明:当截面的较宽翼缘位于拱的顶部时,拱的弯扭失稳临界荷载值会增大;考虑剪切变形影响的浅拱的弯扭失稳临界荷载小于不考虑剪切变形的临界荷载;局部参数对拱的弯扭失稳临界荷载影响明显,弯扭失稳临界荷载随着局部参数的增大而减小。     

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.     

弦支穹顶结构在地震作用下的动力稳定性研究

本文使用Ansys计算软件,采用时程响应方法,研究了地震荷载作用下结构参数、均布荷载及索的引入对弦支穹顶动力稳定结构影响.计算过程中,采用逐步增大地震荷载幅值的方法,把位移响应突然增大时的地震荷载幅值作为结构的稳定临界荷载.计算结果表明,结构稳定临界荷载随着跨度的增大而线性降低,结构的稳定性提高;跨度取固定值时,在某一矢高下,结构有着最佳的动力稳定性能,超过或者低于此矢高值结构稳定性均下降;随着均布荷载增大,结构稳定临界荷载降低,稳定性能减弱;当外荷载增大到一定程度时,结构稳定性的降低幅度反而减小;索的引入大大改善了结构在地震荷载作用下的动力稳定性能,从而使得弦支穹顶结构动力稳定性能大于相应单层网壳的动力稳定性.     

大跨度预应力拱桁架结构整体稳定性能数值分析

空间结构的刚度随跨度增大而减弱,其整体稳定性成为结构设计的控制要素。实际结构由于存在施工安装误差、杆件偏差等,进行结构稳定性分析时需考虑初始几何缺陷的影响。基于实际工程,采用有限元软件Abaqus对某大跨度预应力拱桁架结构的整体稳定性能进行数值分析。通过对比引入特征屈曲模态缺陷和荷载作用下变形缺陷得到的结构整体稳定系数,研究两种缺陷引入方法对背景工程结构整体稳定性能的影响。数值分析结果表明：对称荷载作用下,以恒载变形作为初始几何缺陷计算所得的结构稳定安全系数较低;非对称荷载作用下,以第一阶屈曲模态一致缺陷为初始几何缺陷计算所得的结构稳定安全系数较低。基于此,对大跨度预应力拱桁架结构,可比较荷载作用下结构失稳状态和可能出现的结构变形形态,以两者一致性吻合度较高的形态作为初始几何缺陷进行引入,获得控制性的结构整体稳定性系数。     

拱的横向稳定性研究

对工程中广泛应用的薄壁箱形截面抛物线拱在均布荷栽和集中荷栽组合作用下的横向稳定性进行了研究，研究表明，集中荷栽移动至拱项处时，较其他位置具有较小的临界值，而其对应的失稳模态差别并不显著。     

门式拱架轻型房屋钢结构承载性能的试验研究

为研究门式拱架轻型房屋钢结构在静力荷载作用下平面内的受力性能和变形特性,对一榀跨度10m门式拱架进行静力加载试验。同时利用有限元计算软件AN SY S对试验模型以及与试验模型相同跨度、跨高比和截面尺寸的门式刚架进行计算。通过试验与计算结果比较分析可以看出,在结构荷载、几何条件相同的情况下,门式拱架较门式刚架具有更好的整体刚度,有利于充分地利用材料强度,提高刚架的承载能力和减少变形。     

石墨烯片增强纳米复合材料微米圆柱壳的振动和稳定性

基于一阶剪切变形壳理论和应变梯度弹性理论,研究石墨烯片增强纳米复合材料（graphene platelets-reinforced nanocomposite,GPLRNC）微米圆柱壳的稳定性和自由振动。首先,通过Hamilton变分原理得到系统模型的控制微分方程。其次,利用Navier法获得GPLRNC微米壳的固有频率和临界屈曲载荷的解析解。结果表明,石墨烯片的充填质量和分布模式影响微米壳的稳定性和振动特性。当壳体内部石墨烯片的质量分数给定时,微米壳在石墨烯片的O-GPLRNC分布下具有最高的固有频率和临界屈曲载荷,在X-GPLRNC分布下则反之。此外,材料长度尺度参数、石墨烯片几何尺寸和微米壳几何尺寸对GPLRNC微米圆柱壳的稳定性和自由振动具有重要影响。     

新广州站三向张弦梁结构优化设计

基于运用APDL语言对新广州站工程三向张弦梁结构建立的参数化模型,利用一阶优化方法,对初始结构进行全构件截面和形状参数的综合优化.并在矢高和垂度确定的情况下,分别采用分级优化和综合优化分析了构件截面的合理取值.分析结果表明:矢高和垂度是三向张弦梁结构设计中极为重要的设计参数,新广州站三向张弦梁结构的最佳矢高为9.189 m,其垂跨比应不小于0.034,下弦垂度和上弦矢高的经济比值为0.22~0.23.上弦拱构件在结构中占的比重较大,可以通过减小拱截面的壁厚来降低结构的用钢量.并通过综合优化得到新广州站三向张弦梁的最佳梁弦刚度比为1.23×10-4.     

考虑阻尼的变刚度薄壁杆件动力稳定

采用有限单元法，研究有阻尼条件下，受轴向周期性动力荷载作用的变 刚度薄壁杆件动力稳定问题。承受轴向周期性变化外荷载的薄壁杆件，其非线性几何刚度矩阵随着轴向外荷载的变化而改变，即本质为变刚度薄壁杆件的动力稳定性问题。用有限单元法离散变刚度薄壁杆件，通过公式变换，将有阻尼条件下变刚度薄壁杆件的振动方程，转化为Mathieu方程。同时应用Matlab程序，设计语言编制程序求解。通过算例求得变刚度薄壁杆件可能发生的、相应于弯曲振动、扭转与翘曲耦合振动的动力不稳定区域。指出由于薄壁杆件的动力不稳定区域具有连续的激发区域，阻尼的增加并不能绝对地抑制振幅无限增长。对薄壁杆件的共振，以及动力不稳定的参数激发振动进行分析比较，指出它们表现形式虽然有相似之处，却是完全不同的两种振动形式。提出防止薄壁杆件动力不稳定的发生，比防止薄壁杆件的共振更复杂。在许多情况下，通用的减振和隔振方法，对于参数激发振动的动力不稳定是无效的。     

界面损耗因子与法向阻尼的计算方法

基于赫兹法向接触力学方程与分形几何学理论对界面法向接触刚度进行分析,在改进原有计算模型的基础上,推导出界面法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼计算方程.结果表明,所提出的计算方法能够较好地预测法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼的变化规律.减小分形粗糙度和增大法向接触荷载均会使得法向接触刚度增大,而且随着分形维数的增大,法向接触刚度呈现出先增后减的变化趋势;增大分形粗糙度和降低法向接触荷载都会使得损耗因子升高,且损耗因子随着分形维数的增大而呈现出先减后增的变化趋势,当分形维数趋近于2时,损耗因子收敛于某一定值;法向接触阻尼随着分形维数的增大也呈现出先减后增的变化趋势,且其变化过程出现了2个拐点.当分形维数低于第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而增大;当分形维数超过第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而减小;当D≤1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载的增大而减小;当D1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载增大而增大.     

中承式拱桥主拱静风载试验及数值模拟

大跨度中承式拱桥属于柔性空间结构,主拱上风荷载往往起控制作用.以重庆菜园坝长江大桥为例,进行主拱单拱及双拱节段模型测力风洞试验.均匀流下的单拱测力试验表明,主拱的阻力系数变异性较小,升力系数与力矩系数变异系数较大.双拱测力试验表明,迎风拱的静力三分力与单拱试验结果相差不大,下风拱静力三分力系数随两拱的间距宽度比及攻角变化.利用流体力学软件FLUENT对拱的静力三分力系数进行了数值模拟,模拟结果与试验吻合较好,很好地显示了阻力系数随两拱间距宽度比的变化.     

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。     

钢管混凝土抛物线空腹拱平面内稳定性能

钢管混凝土抛物线空腹拱是在钢管混凝土桁架拱上取消斜腹杆的拱结构。采取理论推导和数值模拟相结合的方式,对钢管混凝土抛物线空腹拱的平面内稳定性能进行深入研究。首先,使用有限元软件建立钢管混凝土圆管拱模型,与实验进行对比,证明建模方法的正确性。其次,推导出钢管混凝土抛物线空腹拱的换算长细比,并基于ABAQUS软件的分析结果,采用考虑矢跨比的轴压稳定系数公式,发现该公式能预测有限元计算结果。再次,对跨中加载和半跨加载分别进行一阶线弹性分析,研究钢管混凝土抛物线空腹拱中压力和弯矩的变化规律,并分析不均匀轴力和不均匀弯矩对压弯设计公式的影响。最后,推导出空腹拱的全截面塑性弯矩公式,根据二分法原理利用Python语言求出全截面塑性弯矩的数值,并根据有限元的计算结果,提出压弯共同作用下钢管混凝土抛物线空腹拱的设计公式,使其能用于指导工程实践。