纯压抛物线拱平面内稳定性及设计方法研究

采用大挠度弹塑性有限单元法对全跨竖向均布荷载作用下纯压抛物线拱平面内稳定承载力进行研究,考虑材料非线性、焊接残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和支承条件等因素的影响,得到了热轧圆管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面纯压三铰、两铰和无铰抛物线钢拱的平面内稳定性设计曲线,给出纯压抛物线钢拱的平面内稳定设计公式。以拱的正则化长细比为基本参数,统一了三铰、两铰和无铰纯压抛物线钢拱的平面内稳定设计曲线,可用于全跨竖向均布荷载作用下纯压抛物线钢拱的平面内稳定性设计,同时可供实际设计时使用和制定有关规程时参考。     

竖向荷载和水平荷载共同作用下钢管拱平面内稳定承载力设计研究

采用二阶弹塑性有限单元法对竖向荷载和水平荷载共同作用下的圆形截面两铰抛物线钢管拱的平面内稳定承载力进行研究。考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和长细比等因素对钢管拱平面内力稳定承载力的影响。结果表明：残余应力对其竖向承载力影响很小;初始几何缺陷会显著降低中等长细比钢管拱的承载力;矢跨比和长细比是影响钢管拱承载力的重要因素,但拱的竖向承载力并不随矢跨比和长细比的均匀变化而变化。研究竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线钢管拱达到平面内极限状态时的N-M相关关系,并拟合两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关关系统一表达式。提出了竖向荷载为全跨均布和半跨均布荷载,同时考虑水平方向荷载作用的两铰抛物线钢拱平面内整体稳定承载力设计建议,可供相关设计问题参考应用。     

四边形截面圆弧空间钢管桁架拱平面内稳定性及试验研究

通过大挠度弹塑性有限元分析研究桁架拱在集中荷载、水平均布荷载、轴线均布荷载等不同荷载形式下的失稳与破坏机理,考察截面高宽比、矢跨比、腹杆夹角、腹杆尺寸等几何参数对桁架拱稳定承载力的影响,结果表明在不同参数条件下,桁架拱可能发生弦杆局部失稳、腹杆局部失稳、整体失稳以及局部与整体相关失稳等破坏形式;与拱的整体失稳和弦杆局部失稳相比,腹杆失稳会导致承载力的大幅下降,设计中应保证腹杆不先发生破坏。在理论分析的基础上,设计4榀矩形及梯形截面空间桁架拱模型进行了平面内稳定性能试验研究,分析表明两种截面形式的桁架拱在平面内具有基本相同的刚度和承载能力,其承载力设计可以采用相同公式。最后,基于静水压力作用下桁架拱的面内稳定设计曲线,通过大量的算例分析,提出轴力和弯矩共同作用下四边形截面圆弧形空间钢管桁架拱的整体面内稳定承载力设计方法。     

非均布对称荷载下抛物形拱结构屈曲研究

针对抛物形拱结构面内稳定课题的复杂性,对竖向非均布对称荷载作用下无铰抛物形浅拱进行了平面内稳定分析,利用虚功原理对浅拱进行非线性屈曲研究,得到对称荷载下的二次多项式分布时的屈曲控制方程,当荷载系数满足该控制方程时抛物拱发生临界屈曲,为抛物形拱坝的屈曲研究提供了基础;基于荷载强度整体等效折减法给出了非均布对称荷载作用下的屈曲安全系数计算,为相关工程如大跨度抛物线拱桥结构、大跨度抛物线钢结构体育馆顶棚、大跨度厂房屋顶等结构稳定计算提供理论参考。     

某单层肋环型球面网壳结构的稳定分析

从实际工程出发,运用有限元模型,以单层球面网壳结构在不同荷载分布形式下的屈曲模态为基础,考虑初始缺陷、荷载分布形式和失跨比等影响下的非线性屈曲,分析结构的稳定承载力。结果表明:在竖向满跨均布荷载作用下,结构屈曲模态呈反对称分布,表现为整体竖向屈曲;当初始缺陷为结构跨度的1/300时,结构的稳定承载力最低,与无缺陷结构相比下降了30%左右;荷载的半跨分布和反对称分布使结构的稳定承载力下降了30%和44%左右;稳定极限承载力随着矢跨比的增大而相应的增大。     

U形截面圆弧拱平面外稳定性研究

用BEAM 188梁单元和SHELL 181壳单元建立了两种可考虑荷载作用位置的有限元模型,相互验证了模型的正确性.通过对两种荷载模式下U形截面无铰和两铰圆弧拱计算结果的比较,研究了支座类型、荷载模式和矢跨比对钢拱平面外屈曲的影响.对于理想的支座约束,发现径向均布荷载作用下两铰拱平面外屈曲荷载与无铰拱相同,竖向均布荷载作用下两铰拱平面外屈曲荷载在较大矢跨比时明显高于无铰拱;由于两铰与无铰拱的支座构造不同,满足什么条件平面外约束可按无铰对待有待研究.通过对加缀板与加隔板U形截面两铰圆弧拱平面外屈曲荷载的比较,发现加缀板形成间断闭合截面对屈曲荷载提高更显著,且用料少、施工简单.     

U型截面钢拱平面外稳定性研究北大核心CSCD

当作用在拱平面内的荷载达到临界值时,拱可能出现平面外的侧倾失稳.现有研究大多采用径向荷载模式来研究U型截面拱的面外失稳.本文通过对径向荷载与竖向荷载模式有限元结果的比较,发现径向荷载模式偏于保守,在大矢跨比情况下误差较大.针对钢拱容易平面外失稳的问题,提出了加设缀板形成间断闭合截面来提高拱的稳定性.相比于加设隔板的方法,加设缀板对拱的屈曲荷载提高更为明显,而且加设缀板的方法用料少、施工更加简单.最后,提出箱型截面平面外屈曲荷载的计算公式,并由此给出加设缀板U型截面拱的平面外屈曲荷载的估算公式,供工程设计人员参考.     

工形截面钢拱弹塑性稳定分析

通过直线梁单元以折代曲建立有限元分析模型,对工形截面钢拱结构进行弹塑性大位移分析。跟踪结构在荷载作用下的平衡路径全过程,得出结构在重力荷载、类雪荷载、半跨分布荷载作用下的破坏模态为失稳破坏,在风荷载作用下的破坏模态为强度破坏。研究结果表明:残余应力会降低结构的承载力,初始几何缺陷会改变结构的失稳模态,并降低稳定承载力;一般情况下,钢拱结构在全跨荷载作用下的稳定承载力高于半跨荷载,但当矢跨比大于0.4时,后者的稳定承载力高于前者;铰支及固支钢拱结构的优化矢跨比取值为0.2~0.3。     

“上”形截面钢梁弯扭联合作用下整体稳定性分析

为对“上”形截面钢梁弯扭联合作用下的整体稳定性进行分析,采用有限元数值计算方法,通过失稳模态考虑构件L/1 000（L为跨径）的几何初始缺陷,对比已有文献试验结果,验证了模拟方法的正确性,在此基础上,对跨中集中荷载和满跨均布荷载作用下的简支“上”形截面钢梁整体稳定性进行分析,通过曲线拟合给出了“上”形截面钢梁整体稳定系数计算公式,分析了荷载偏心距和跨径对稳定承载力及弯扭效应分配的影响。研究结果表明:通过失稳模态考虑构件L/1 000几何缺陷可以准确地计算稳定承载力;“上”形截面钢梁整体稳定系数的取值较国标规范工字梁小,且均布荷载较集中荷载小;“上”形截面钢梁的稳定承载力随着偏心距和跨径的增加逐渐降低,且影响程度也逐渐变小;偏跨比较大时,失稳破坏主要由扭转效应引起,偏跨比较小时,则主要由弯曲效应引起;集中荷载较均布荷载更容易使“上”形截面钢梁失稳;使用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）进行“上”形截面钢梁的整体稳定性验算会偏于不安全。     

圆弧钢拱破坏荷载的理论计算

拱结构经常在桥梁、屋顶等大跨结构中使用。尽管这些结构构件容易出现各种失稳现象,但其中短粗拱或细长拱的侧向水平连接失效是由塑性破坏而非平面内或平面外屈曲引起的。通过极限荷载方法分析塑性破坏荷载,以最大限度地发挥截面的塑性能力和出现塑性铰后的内力重分布能力。描述了竖向荷载下圆弧钢拱塑性破坏荷载的计算方法。使用塑性力学中的上限法、下限法和位移协调法来计算塑性破坏荷载,压力致使拱截面的容许塑性力矩减小。确定外荷载与容许塑性力矩之间的非线性关系后,使用迭代法得到塑性破坏荷载。利用有限元方法对分析结果进行检验,二者的分析结果相吻合。最后基于迭代法绘制设计图。     

实腹式等截面纯压钢拱的平面内弹性屈曲系数

利用有限单元法对静水压力作用下的圆弧钢拱、沿水平轴分布的竖向均布荷载作用下的抛物线钢拱、沿拱轴线分布的竖向均布荷载作用下的悬链线拱的平面内弹性屈曲进行研究,考虑了屈曲前变形、剪切变形及长细比的影响。得到了三铰拱、两铰拱、固定拱的弹性屈曲系数的数值解。对数值解与传统的经典解进行了对比分析,数值解具有更高的精度。计算结果表明,长细比大约在20~50的范围内时,经典解具有很大的误差,用屈曲系数经典解得到的计算长度系数来进行这类纯压拱的平面内稳定性设计将非常不安全。     

全跨和半跨荷载组合下两铰抛物线钢拱平面内承载力计算方法对比

全跨和半跨荷载组合作用下钢拱结构内力分布会随荷载比例发生较大变化。现有钢拱结构平面内稳定承载力计算式多是针对各单一加载模式进行分析得到的,缺乏对其在全跨和半跨组合荷载下适用性的充分考虑。针对此不足,以两铰抛物线钢拱结构为研究对象,考虑荷载组合比例、矢跨比、截面等不同参数的影响,对比分析了现行钢拱结构技术规程方法、基于完善拱模型的有限元方法和基于一致缺陷拱模型的有限元方法等多种方法的承载力计算结果。分析结果表明:当全跨荷载占较高比重时,按规程方法进行钢拱结构承载力设计会较为保守;而当半跨荷载占较高比重时,按规程方法进行钢拱结构承载力设计则会偏于不安全。     

In-plane buckling behavior of slender parabolic concrete-filled steel tubular arches with fixed ends

现有规范采用“等效梁柱法”计算长细比不超过80的钢管混凝土拱的平面内稳定承载力,而实际工程中有近20%拱桥拱肋长细比超过上述限值,即大长细比钢管混凝土拱。因此,利用ABAQUS建立了有限元分析模型,在基于现有试验数据验证模型可靠性的基础上,对大长细比抛物线形钢管混凝土无铰拱在竖向均布荷载作用下的平面内稳定性能进行了分析,研究了长细比、矢跨比、含钢率、混凝土强度和钢材强度对拱肋平面内稳定承载力的影响;基于参数分析结果,对现有平面内整体稳定系数公式进行修正,提出了大长细比抛物线形钢管混凝土拱平面内稳定承载力设计公式。结果表明：拱肋稳定承载力随长细比增大显著降低,随矢跨比和含钢率增加近似线性提高。其中,矢跨比对大长细比拱肋影响更为显著,而含钢率对采用高强钢的拱肋影响更大;所提出的设计公式计算结果与有限元分析结果吻合良好,有限元分析结果与公式预测结果比值的均值为1.02~1.08,标准差为0.039~0.051,变异系数为3.74%~4.72%。     

In-Plane Stability of Concrete-Filled Steel Tubular Parabolic Truss Arches

For determining the in-plane buckling resistance of a concrete-filled steel tubular (CFST) arch, the current technical code GB50923-2013 specifies the use of an equivalent beam-column method which ignores the effect of rise-to-span ratio. This may induce a gap between the calculated result and actual stability capacity. In this study, a FE model is used to predict the buckling behavior of CFST truss arches subjected to uniformly distributed loads. The influence of rise-to-span ratio on the capacity of truss arches is investigated, and it is found that the stability capacity reduces as rise-to-span ratio declines. Besides, the calculations of equivalent slenderness ratio for different truss sections are made to consider the effect of shear deformation. Moreover, based on FE results, a new design equation is proposed to predict the in-plane strength of CFST parabolic truss arches under uniformly distributed loads.     

MIC-120拱板的局部失稳试验及研究

为揭示ＭＩＣ－１２０彩板波纹拱壳结构的破坏机理,对其进行现场足尺寸试验。通过对８组不同跨度、不同板厚的彩板拱壳进行分级加载,观测其极限承载能力、变形特点以及破坏形式。试验结果表明：影响彩板拱壳极限承载能力的关键是跨度,拱壳的主要破坏形式是腹板局部受压失稳。     

采用“欧洲规范3”对圆形空心截面钢拱的设计

讨论采用"欧洲规范3"对沿拱水平方向均布竖向荷载作用下的末端销接或固接的空心圆形横截面钢拱的设计方法,并提出了修正系数,以提高对此类拱结构设计的准确性。     

Design of circular steel arches with hollow circular cross-sections according to EC3

Design of either pin-ended or fixed circular steel arches with hollow circular cross-sections subjected to a uniformly distributed vertical load along the horizontal projection of the entire arch with the aid of the EC3 provisions is discussed. Appropriate modification factors are proposed that should be included in EC3 interaction equations, to improve their accuracy for the design of such arches.     

Flexural-torsional buckling of shallow arches with open thin-walled section under uniform radial loads

An arch with an open thin-walled section that is subjected to a radial load uniformly distributed around the arch axis may suddenly buckle out of its plane of loading and fail in a flexural-torsional buckling mode. The classical flexural-torsional buckling load for an arch with an open thin-walled section under a uniform radial load has been obtained by a number of researchers, based on the consideration that the uniform radial load produces a uniform axial compressive force without in-plane bending prior to the occurrence of flexural-torsional buckling. This assumption is correct for deep arches. However, the uniform radial load may produce substantial bending actions in shallow arches prior to flexural-torsional buckling, and so the classical buckling analysis based on the assumption of uniform axial compression may produce incorrect flexural-torsional buckling loads for shallow arches. This paper investigates the flexural-torsional buckling of shallow arches with an open thin-walled section that are subjected to a radial load uniformly distributed around the arch axis. It is found that shallow arches under a uniform radial load are subjected to combined in-plane compressive and bending actions prior to flexural-torsional buckling, and that using the classical buckling solution for circular arches under uniform compression produces incorrect buckling loads for shallow arches. A rational finite element model is developed for the flexural-torsional buckling and postbuckling analysis of shallow arches with an open thin-walled section, which allows the buckling loads to be obtained correctly.     

半跨活荷载作用下平面内稳定性分析

采用ANSYS有限元程序中大挠度几何非线性有限元程序对半跨均布活荷载作用下格构式圆拱平面内整体稳定性进行了分析 ,得出了在这种荷载作用下拱平面内临界荷载随矢跨比f L和三角形截面高度与跨度之比h L的变化关系 ,所给出的半跨荷载影响系数为类似结构的设计提供了参考数据