轴压和不均匀内压下钢筒仓圆柱壳屈曲承载力研究

我国的《粮食钢板筒仓设计规范》(GB50322-2001)对仓壁的稳定承载力计算方面的相关规定并不完善。本文以钢筒仓仓壁的圆柱壳体为研究对象,引入了四种常见的初始缺陷模式,对轴压和不均匀内压下钢筒仓仓壁的弹性和弹塑性屈曲承载力进行了参数化有限元分析,研究了各种缺陷模式及非均匀内压分布形式对仓壁壳体屈曲承载力的影响。在有限元分析结果的基础上,结合中国规范的相关公式,拟合出轴压和非均匀内压下钢筒仓仓壁的弹性及弹塑性屈曲承载力的计算公式。     

局部轴压下薄壁钢筒仓屈曲承载力研究

采用有限元分析方法,对局部轴压下钢筒仓的屈曲模态和屈曲承载力进行了研究,考虑的缺陷类型为焊缝缺陷,采用的分析方法包括弹性屈曲分析和弹性几何非线性分析.分析结果表明:钢筒仓屈曲承载力对环向焊缝缺陷位置十分敏感;钢筒仓的屈曲承载力随荷载分布角的增大而减小,随缺陷幅值的增大而减小.在有限元参数分析的基础上,提出了筒仓在局部轴压作用下的临界屈曲应力计算公式,公式计算结果与有限元分析结果基本吻合.     

考虑内压影响的薄壁钢板筒仓屈曲承载力研究

一定程度的内压会降低薄壁钢板筒仓对缺陷的敏感性,提高其弹性屈曲承载力;但内压过高时,筒仓会出现弹塑性强度破坏或弹塑性屈曲破坏,其承载力反而降低。我国现有《粮食钢板筒仓设计规范》（GB50322-2011）给出了考虑内压影响的屈曲承载力计算公式,但该公式只适用于计算内压较低时筒仓的弹性屈曲应力,对高内压下筒仓弹塑性破坏时采用该公式将得到不安全的结果。采用有限元方法对轴压和水平内压作用下有初始缺陷的筒仓进行了参数分析,分别讨论了内压大小、材料强度和径厚比等对筒仓屈曲应力的影响,提出了筒仓在轴压和均匀内压作用下的弹性屈曲应力和弹塑性屈曲应力计算公式,并对《粮食钢板筒仓设计规范》公式进行了修正。经验证,该计算公式与有限元分析结果基本吻合。     

轴压下薄壁圆柱形壳屈曲试验承载力的准确可靠预测方法

论述了一种能可靠并准确预测偏心荷载下薄壁圆柱形壳屈曲试验的方法。详细描述了试验装置和试件,包括用配套的设备测量试件表面的几何缺陷。为了精确地预测屈曲试验的荷载,根据不同的复杂度建立了不同的有限元模型模拟试验装置,并研究了初始几何缺陷、荷载偏心、沿柱圆周方向的荷载偏心位置和影响边界条件的不同试验装置对屈曲承载力的影响。解释了具有简单刚性支座的有限元模型会过高估计屈曲试验承载力的原因。尽管这些模型均考虑了初始几何缺陷和荷载偏心的影响。作为对比,计算了考虑实际支座条件有限元模型的结果。在有限元模型中,用弹性实体单元模拟固定装置,用面—面接触单元模拟试件与支座间的接触面,计算出的屈曲承载力与试验有着平均约-1.59%的偏离。沿有缺陷薄壁圆柱形柱圆周方向的荷载偏心位置对屈曲承载力有显著影响。     

均布与局部轴压作用下薄壁钢筒仓屈曲性能研究

均布与局部轴压共同作用下钢筒仓屈曲性能与仅均布轴压作用筒仓的屈曲性能有显著区别。采用有限元非线性屈曲分析方法,考虑环向焊缝几何缺陷,对均布与局部轴压作用下钢筒仓的屈曲性能进行了研究。分析参数包括均布轴压比、局部轴压分布角、仓体径厚比、缺陷幅值等。研究表明,局部轴压屈曲承载力随均布轴压比、缺陷幅值、局部轴压力分布角和径厚比的增加而降低。在有限元参数分析的基础上,提出了考虑均布轴压力影响的局部轴压临界屈曲应力计算公式,该计算公式与有限元分析结果基本吻合。     

内压与局部轴压共同作用下钢筒仓屈曲性能研究(Ⅱ):屈曲应力计算方法

采用有限元方法研究了考虑内压影响的局部轴压作用下钢筒仓屈曲应力。考察了内压、局部轴压分布角及径厚比等因素对钢筒仓屈曲应力的影响。将内压与局部轴压作用下钢筒仓屈曲应力的分析结果与现有规范中关于内压与均匀轴压作用下钢筒仓屈曲应力的计算结果相比较,发现现有规范公式不能准确计算内压与局部轴压作用下钢筒仓的屈曲应力。在参数分析的基础上,提出了相应的考虑内压影响的局部轴压作用下钢筒仓屈曲承载力计算公式。经验证,该公式与有限元分析结果吻合较好。     

钢筒仓加劲圆柱壳稳定性的试验研究

由于一些技术上的因素,筒仓常采用由独立柱支撑的方式。这种支撑方式会引起圆柱壳支撑区域压缩应力的积累,从而导致局部屈曲的发生。如何确定不同形状钢筋的支撑区域的壳内力仍是当前的重要研究课题。加固该区域的首选方法之一是将短钢筋与圆环相连。介绍了确定壳内力的试验结果和数值分析的研究过程。证明了直接支撑的加劲壳的整体抗性远远小于相似的、在周边使用统一支撑的加劲壳抗性。     

轴压圆柱薄壳的屈曲分析

通过对大量的试验数据进行数理统计分析,提出了计算轴心受压圆柱壳屈曲应力的经验公式,该式表明在其他因素相同的情况下,屈曲应力与壳体厚度t1.5成正比,而经典理论则认为屈曲应力与厚度t成正比.通过圆柱壳在自重作用下的屈曲试验和有限元分析,验证了该经验公式的正确性.非线性有限元全过程分析显示,圆柱壳在其荷载位移全过程曲线上存在一个近似水平的后屈曲承载力"平台"(Plateau),与之相应的是在壳壁上形成了一个局部"凹陷"(Dimple),而试验得到的平均屈曲应力约等于平台对应的后屈曲应力.由此发现,试验或经验公式所得到的实际上是圆柱壳的后屈曲应力,而并非其初始屈曲应力.承受局部轴向压力的圆柱壳,在压力作用点附近亦形成一个与后屈曲承载力平台对应的局部凹陷.同上述凹陷一样,这类凹陷需要一个近似常量的压力来维持其不稳定的后屈曲平衡.给出了该作用力的计算公式,且它与t2.5成正比,从而亦间接证明了后屈曲应力或经验公式确定的应力与t1.5成正比的关系.对以往试验现象作出了合理解释,提出的两个计算屈曲应力和局部屈曲荷载的公式具有理论意义和实用价值.     

内压与局部轴压共同作用下钢筒仓屈曲性能研究(Ⅰ):参数分析

采用有限元方法研究了内压与局部轴压共同作用下钢筒仓的屈曲性能。研究的参数包括内压、局部轴压分布角及钢筒仓径厚比等。考察了各参数对筒仓屈曲模态、屈曲时对应的仓底反力、加载边中点下方仓壁的径向位移和环向应力等的影响。局部荷载作用下,仓壁的屈曲变形集中在仓壁局部。仓壁内将形成压力拱承受该局部轴压,且仓底局部范围内的反力为拉力。内压减小仓壁的屈曲变形。同时由于局部轴压作用下沿筒仓高度方向上仓壁的变形呈波浪状,仓壁内的环向应力沿高度方向相应呈波浪状变化。     

金属薄壁圆柱壳轴压试验研究

对在轴压作用下充液的金属薄壁圆柱壳屈曲前沿柱壳不同高度的轴向和径向应变以及上端液体的内压变化进行了研究,找出了轴向和径向应变的变化规律,试验发现：轴压和内压基本呈线性规律;径向应变变化以中点上下基本对称,轴向应变变化大致呈均匀分布。     

残余应力对局部轴压焊接圆柱壳承载力的影响

焊接钢圆柱薄壳广泛应用于钢筒仓和钢油罐结构中,屈曲通常是该结构的设计控制条件,圆柱薄壳的屈曲在大多数荷载工况下对焊接几何缺陷十分敏感.现有研究标明,焊接残余应力可少量提高均匀轴压圆柱壳的稳定承载力,但对于局部轴压荷载下圆柱薄壳中残余应力的效应,相关的研究很少.采用施加收缩应变法,建立了分别考虑焊接几何缺陷以及考虑或不考虑焊接残余应力焊接圆柱薄壳的数值分析模型,研究了含有周向焊缝、竖向焊缝以及砌砖式焊缝(patterned welds)的局部轴压焊接圆柱壳屈曲行为,通过比较考虑/不考虑残余应力圆柱薄壳的计算结果,得到残余应力对局部轴压圆柱壳承载力的影响.     

轴压功能梯度材料圆柱壳的弹、塑性屈曲分析

功能梯度材料板壳弹性屈曲领域研究已取得许多卓有成效的成果,而弹塑性、塑性屈曲问题的研究却鲜有报道。针对功能梯度材料圆柱壳的弹、塑性屈曲问题,采用有限元软件ABAQUS开展了数值模拟与分析。分析中采用叠层模型,定义材料沿厚度方向的梯度特性,计入材料的物理非线性和前屈曲几何非线性的影响。计算得到弹、塑性功能梯度材料圆柱壳的屈曲临界荷载和变形模式,给出了壳体从弹塑性屈曲到塑性屈曲的转化过程,并对屈曲类型对应的区域进行划分,研究了壳体厚度、组分参数对屈曲临界状态的影响。     

轴压下高温(均匀温度场和非均匀温度场)薄壁钢构件的整体屈曲性能计算

提出了一种基于直接强度法(DSM)的整体屈曲曲线,用于计算均匀温度场和非均匀温度场下薄壁钢构件的整体屈曲极限强度的计算方法。将基于DSM曲线法得到的结果与有限元软件ABAQUS的数值结果对比。对一个由不同槽钢开口相对组成的构件进行了一系列环境温度和抗火试验,得出了它们在不同温度下的承载力和不同荷载下的抗火性能,并据此建立了数值模型。由此数值模型用于计算不同边界条件、荷载级别和截面尺寸的均匀温度场和不均匀温度场下薄壁构件的承载力。DSM整体屈曲曲线可以直接应用于均匀温度场,若应用于非均匀温度场需要进行小的修改。     

混凝土圆柱的轴压极限承载力分析

本文利用侧限混凝土的本构关系,对采用螺旋箍筋的混凝土圆柱在单调轴压荷载作用下进行极限状态分析,并提出了极限承载力和极限变形的计算方法。     

轴压下薄壁圆筒复合壳弹性后屈曲响应调整

圆柱壳的屈曲一直被视为不利的现象,但对主动、可控式结构发展的关注,为这种非稳定性能的利用带来了新机遇。按照后屈曲机制,给出了轴向压缩作用下层压复合圆柱壳弹性响应的修正和控制方法。对以下3种方法进行了探讨:1)材料采用不同铺层方向和堆叠顺序;2)引入材料的刚度分布;3)提供内部侧向约束。试验数据和数值计算结果表明,后屈曲响应阶段,失稳模态的静态和动态响应能够被修正和调整。     

加气混凝土填充薄壁圆柱形壳轴压下的屈曲分析

研究了部分填充加气混凝土对薄壁圆柱形壳屈曲性能的影响。以往的研究大多局限于100%填充或简单地选定填充混凝土的厚度。这种做法对结构设计并不适宜。为了进一步研究此问题,用瑞利-里兹逼近算法进行理论分析,并提出了能计算从0%填充到100%填充的壳的临界屈曲应力的公式。使用此公式的计算结果与文献的试验结果能良好地吻合。研究表明在薄壁圆柱形壳内填充加气混凝土能提高构件的屈曲强度。同时,提出了一个适用于工程设计的简化公式。研究表明,当加气混凝土厚度超过10%的外壁半径时,增加混凝土用量的经济性较差。     

异形截面铝合金轴压构件承载力及局部屈曲研究

使用ABAQUS得到异形截面铝合金构件的承载力,发现我国的铝合金结构设计规范GB 50429—2007和欧洲铝合金结构设计规范Eurocode 9对该类截面铝合金轴压构件承载力的计算结果相对保守。原因在于2个规范都采用有效厚度法考虑板件局部屈曲的影响,但并不能准确反映局部屈曲程度。使用ABAQUS针对不同宽厚比的箱型截面和工字型截面铝合金轴压构件进行参数分析,在中国规范的基础上给出了建议的有效厚度折减公式,并验证了建议公式对异形截面铝合金构件的适用性。     

围压下带凹痕圆柱壳试验研究

尽管已有文献对圆柱壳的屈曲性能进行了大量研究,但对物理接触引起的局部大型缺陷的影响尚未进行深入研究。为此,对均匀围压下局部凹陷薄圆柱壳的屈曲和后屈曲响应进行了试验研究。研究结果可以在实际工程中与其他类似几何特性(如径厚比)共同应用。     

环向加劲钢筒仓在均匀内压作用下仓壁等效厚度研究

加劲肋通常作为增强筒仓仓壁强度和稳定性的措施,但目前对于如何确定筒仓加劲肋间距及尺寸的设计方法尚不明确。合理设置加劲肋,能起到提高筒仓强度承载力的作用,相当于增加了仓壁厚度。本文用数值方法研究了设置环向加劲肋的钢筒仓在均匀内压作用下的应力分布规律,提出环向加劲肋有效间距的概念,通过参数分析研究了加劲肋尺寸和筒仓几何特征对环向加劲肋有效间距的影响,提出有效间距的实用计算公式。在有效间距公式的基础上,推导出了更准确的均匀内压作用下环向加劲钢筒仓的仓壁等效厚度公式,对《粮食钢板筒仓设计规范》(GB50322-2011)中仓壁折算厚度的计算方法提出修正意见。