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.     

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。     

混凝土圆拱结构强度安全与整体稳定关系研究

针对圆拱结构强度安全与整体稳定关系进行了深入研究,基于结构力学的弹性中心法,得到无铰圆拱结构在法向均布荷载下拱冠处和拱端处的应力计算式,并依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)给出强度安全系数;同时根据圆拱结构的经典屈曲理论和浅拱非线性屈曲理论,给出了圆拱结构最小临界屈曲荷载计算公式,由于结构整体屈曲失稳的突变性,参考国内外相关研究认为圆拱结构的屈曲稳定系数需满足Kcr≥1.5~3.0。根据圆拱结构强度安全与整体稳定的相对安全系数关系,结合MATLAB计算软件,分别对Kcr=1.5、3.0下,不同混凝土级别(C35、C50和C65)下圆拱结构强度安全与整体稳定临界情况下的圆拱结构半中心角α和厚径比T/R的查算关系曲线族,认为混凝土级别越高,越需要重视圆拱结构整体稳定的影响,为工程设计人员应用提供参考。     

一种新型预应力索-拱结构的弹性稳定性能研究

本文所介绍的索-拱结构,是在圆弧或椭圆形拱轴线上,按照拱在重力荷载作用下的弯矩变化图设置撑杆和拉索（或预应力拉索）,以改善拱轴线上不均匀分布弯矩,达到提高纯拱结构刚度及稳定承载力的目的.利用弧长法对这种索-拱结构在全跨均布荷载和半跨均布荷载作用下的面内稳定性能进行了弹性大挠度跟踪分析,揭示了它的受力特性和破坏机理;同时文中还分析了矢跨比和撑杆高度的变化对索-拱结构受力性能的影响.     

实腹圆弧钢拱的平面内稳定极限承载力设计理论及方法

拱的平面内稳定极限承载力设计一直没有成熟的规范指导。本文用有限壳单元模型先分析了工形截面两铰圆弧钢拱的平面内弹性屈曲性能,与拱的经典屈曲理论作了对比,指出了必须同时考虑长细比和矢跨比对屈曲荷载的影响。然后分析了两铰圆弧钢拱受静水压力和其它荷载作用下的弹塑性屈曲性能,指出了典型破坏机理为拱两侧1/4跨附近形成塑性铰导致结构失效。利用拱的弹性屈曲荷载定义了拱的正则化长细比,用Perry-Robertson公式的形式,建立了拱的稳定系数与正则化长细比的关系,提出了受静水压力的两铰圆弧钢拱的平面内稳定极限承载力设计方法,并用轴力和弯矩的两项相关公式提出了受其它荷载作用下的平面内稳定极限承载力设计方法。     

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。     

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。     

考虑非保向力效应的单点或半跨加载钢管混凝土拱稳定性能研究

对于下承式钢管混凝土拱桥,非保向力作用可显著提高其稳定承载力,应在研究中予以考虑。通过有限元软件ABAQUS建立了拱顶单点和半跨三点荷载作用下抛物线形钢管混凝土无铰拱的有限元模型,在模型中考虑非保向力效应,利用现有试验结果验证了有限元模型的可靠性,分析了拱的破坏过程,结果表明,达到峰值荷载时拱顶单点加载和半跨三点加载拱分别形成5个和4个塑性铰区域,最终均因承载能力不足而破坏。通过参数分析研究了矢跨比、长细比、含钢率、钢材强度及混凝土强度对拱稳定承载力的影响。结果表明：拱稳定承载力随其长细比增长显著降低,随矢跨比和含钢率大致呈线性增长关系。基于参数分析结果,对现有抛物线形钢管混凝土无铰拱稳定承载力设计公式中的弯矩调整系数进行修正,提出了考虑非保向力效应的拱顶单点加载和半跨三点加载钢管混凝土拱稳定承载力设计公式。在所分析参数范围内,设计公式计算结果与有限元分析结果的相关系数达0.988,两者吻合良好。     

新型索-拱结构的平面内弹性稳定性能研究

所研究的索-拱结构,是在圆弧形拱轴线上,按照拱平面投影n等分处设置放射状索,以改善拱轴线上不均匀弯矩分布,达到提高纯拱结构稳定极限承载力的目的。利用牛顿-拉普森法和弧长法对这种索-拱结构在全跨均布荷载和全跨恒载+半跨活载作用下进行了完善和带缺陷结构的弹性大挠度跟踪分析,研究了索对两种荷载形式下结构的极限荷载和平衡路径的影响;提出的索-拱结构能显著地提高拱的极限承载能力并能有效地防止结构二次分岔失稳的发生,计算结果对索-拱的设计有参考价值。     

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。     

风吸力下跨中设置一根拉条的连续两跨C形檩条的弯扭屈曲

采用开口薄壁杆件理论及考虑腹板局部变形的拉条有效刚度,提出单跨跨中设置拉条的连续两跨C形冷弯薄壁檩条的弯扭屈曲的总势能;经过ANSYS的壳单元分析,从广泛的参数范围考察了檩条的屈曲模态;应用Ritz法得到风吸力作用下连续两跨C形檩条的近似临界荷载计算式,并将其临界弯矩与半跨纯弯简支檩条的临界弯矩进行比较,最终得到临界弯矩系数。     

均布荷载作用下钢管混凝土拱长期稳定性能分析

采用ABAQUS有限元软件建立了钢管混凝土抛物线无铰拱模型,利用UMAT引入了钢管混凝土非线性材料应力-应变关系,并采用EC2模型和逐步积分法分析了核心混凝土收缩徐变对拱的平面外稳定的影响,分析中考虑了加载龄期、长细比、矢跨比等参数的影响。分析时先对钢管混凝土拱施加正常使用阶段荷载,持荷一段时间后,增大外荷载直至抛物线拱失稳破坏,从而得到拱的长期稳定承载力。分析表明,长细比、加载龄期及矢跨比等参数变化对钢管混凝土抛物线拱的长期稳定性影响较为显著。低持荷荷载条件下(持荷荷载所引起的核心混凝土最大应力等级为30%),核心混凝土收缩徐变最大可使本文所分析参数范围的抛物线无铰拱稳定极限承载力降低15%。     

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。     

交叉布索新型索-拱结构的静力性能及参数分析

结合弦撑式索-拱结构的撑杆布置特点以及张弦式索-拱结构的布索特点,提出了一种交叉布索索-拱结构。为了研究拉索节点位置、矢跨比、预拉力对新型索-拱结构的静力性能影响,建立了跨度60 m的交叉布索索-拱结构,采用ANSYS分析结构的静力性能,得出了一些实际性的结论。拉索节点位置越靠近拱体中点越可以极大地提高结构的竖向刚度,在均匀荷载作用下,拉索节点位置半跨1/6处结构的最大竖向位移比5/6处降低了40%;矢跨比的增加会提高结构拱脚处的稳定性,在不均匀荷载作用下,矢跨比0.15结构的水平支座反力比0.4降低1/3以下;预拉力的增加会降低下部索松弛的风险,但是增加拱体承担荷载的压力建议预拉力取值200 kN左右。     

拱结构平面内稳定性能研究

本文对平面圆拱结构进行有限元分析,比较了分岔屈曲和极值点屈曲两种失稳形式;讨论了不同的荷载分布情况、矢跨比和初始几何缺陷对拱结构屈曲承载力以及变形的影响;总结出拱结构平面内稳定性能受这些因素影响的变化规律,为拱结构设计提供一些有用的结论。     

圆弧拱形钢管在水平荷载和半跨水重作用下的P-Δ效应

以往工程设计中均没有考虑拱管在水平荷载作用下产生水平位移后在半跨垂直荷载作用下对支座产生的附加弯矩及附加扭矩。这个附加弯矩和附加扭矩到底有多大,工程设计中能否忽略不计?本文从理论上加以推导并给出工程中三种常用矢跨比的实用计算公式。     

圆拱结构面内屈曲经典理论与非线性理论对比

对圆拱结构面内经典屈曲理论与浅拱非线性屈曲理论进行了对比分析,基于结构力学理论及数学理论推导,通过MATLAB软件数值计算分析,认为对于双铰圆拱结构,当其半中心角(°)较小时(α27+160.T/R)时,经典屈曲理论则明显高估其面内屈曲的临界荷载,此时采用浅拱非线性屈曲理论则更安全可靠;同样对于当固端圆拱结构,当其半中心角(°)较小时(α32.5+365.T/R)时,经典屈曲理论则同样会高估其面内屈曲的临界荷载,此时建议采用浅拱非线性屈曲理论。另外分析了尺寸效应对圆拱结构屈曲临界荷载的敏感性影响,认为双铰圆拱结构当跨距大于50m时,尺寸效应对其临界屈曲荷载的影响一般小于4.5%;而固端圆拱结构在跨距大于30m情况下,尺寸效应对其临界屈曲荷载的影响小于3.5%。     

新型落地索拱结构及其力学性能分析

提出了一种新型落地索拱结构,相比于其他类型索拱结构,该结构可以保持较高的室内净空,建筑使用功能和建筑效果较好。建立了跨度60 m,矢跨比分别为0.2、0.3和0.4的纯拱和索拱结构的力学模型,对比了不同矢跨比下纯拱和索拱模型的承载力、刚度、动力特性和稳定性等力学性能指标及用钢量。结果表明：该新型索拱结构可以有效降低拱结...     

浅埋大跨地下拱结构拱轴力学及数值优化研究

通过力学分析与有限元计算探讨浅埋大跨地下混凝土拱结构合理拱轴形式及拱轴优化问题。首先,基于曲梁平衡微分方程推导出浅埋大跨地下拱结构的合理拱轴微分方程。然后,分别采用SAP2000及ABAQUS有限元软件对相同参数下的不同拱轴混凝土拱结构进行内力比较分析,验证推导所得合理拱轴线的合理性。接着,以最大限度减小拱圈截面弯矩为优化目标,采用迭代法对拱轴进行优化,并以圆弧形拱轴为例进行计算分析。最后,将优化后的圆弧拱轴与本文所得合理拱轴的拟合曲线进行内力比较,得到合理拱轴线的近似最优解。本文的研究可为混凝土拱结构设计提供参考。     

全跨荷载作用下内凹式索拱结构受力过程中刚度的变化

针对现有关于全跨荷载作用下内凹式索拱结构受力过程中整体刚度变化规律研究较为缺乏的不足,采用试验验证和有限元分析的方法对其进行深入分析。首先介绍内凹式索拱结构整体刚度的计算原则,然后依据该原则对已完成的模型试验数据进行分析。在此基础上,通过改变某一典型实例中拱和索的矢跨比、截面以及结构初始缺陷等参数,建立不同参数下考虑双重非线性的有限元分析模型,并完成相应的分析工作,证实该类结构的初始刚度主要取决于上弦拱的矢跨比和截面,而受下弦索的影响较小。模型试验和有限元分析结果均表明,当拱索矢跨比差值约小于0.055时,全跨荷载作用下该类结构荷载-位移曲线的弹性段部分将具有较明显的非线性特征。