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。     

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。     

圆弧形与抛物形拱结构的力学性能对比

针对圆弧形拱结构和抛物形拱结构的力学特性进行比较研究,基于结构力学的弹性中心法,分别得到无铰圆弧形和无铰抛物形拱结构在法向均布荷载下的内力及应力计算式,进而给出了不同矢跨比和厚跨比下两种拱结构的弯矩、轴力对比图,认为抛物形拱端的弯矩比圆弧形拱拱端的弯矩更集中,特别当水平拱圈的矢跨比较大时,抛物形拱拱端外侧易出现较大的拉应力,并对无铰圆弧形拱、无铰抛物形拱抗屈曲特性进行了比较分析,分别给出两种无铰拱结构的临界屈曲荷载解析计算式,认为在相同矢跨比下,抛物形拱的抗屈曲性能稍优于圆弧形拱,为工程设计人员应用提供参考。     

钢管混凝土拱的耐久性能和稳定性

介绍钢管混凝土圆拱的耐久性能分析和稳定性评估。对受中心荷载作用的铰支拱和固支拱进行线性和非线性分析。分析评估混凝土芯的徐变和收缩、面内变形、内力和面内屈曲荷载的重要影响,并通过有限元结果进行验证。比较线性和非线性分析的结果,两者在变形和荷载能力方面的变化范围明显不同。为了结构安全起见,采用更为可靠的非线性分析来进行钢管混凝土拱的长期性能分析和稳定性评估。因此,尽管线性屈曲分析能够预测铰支钢管混凝土深拱的面内屈曲荷载,在设计时也应使用非线性屈曲分析来评估铰支和固支钢管混凝土扁拱的长期正常使用极限状态。     

波形扰动静水压力对两侧铰支圆拱平面内稳定性的影响

本文针对余弦波形扰动静水压力作用下两侧铰支圆拱平面内稳定性问题，采用傅立叶级数逼近圆拱屈曲微分方程的解，分别求得了两侧不动铰支圆拱反对称屈曲时、一侧不动铰支另一侧法向滑动铰支圆拱对称屈曲时的临界荷载系数，并给出了其高精度拟合公式，结果表明波形扰动荷载参数会引起临界荷载系数的显著降低，最大降幅可分别达到-33．99％和-49．70％。     

静水压力作用下圆拱正对称失稳临界力的求解

选择了拱轴失稳形状函数，按Ｒｉｔｚ法求得铰支和固支圆拱受径向均布荷载作用时具有高精度的正对称失稳临界力的第３次近似值．列出中心角２θ０＝０．２～π时的临界力近似值表格．文中在圆拱临界力的计算中，可同时导得圆环按不同波数失稳时临界力精确值．     

轴向可压缩两铰圆弧拱静水压力屈曲荷载研究

为了求得考虑轴向压缩变形的两铰圆弧拱的平面内临界屈曲荷载精确解,需将拱的轴向刚度作为影响其面内稳定性的重要因素,对两铰圆弧拱在径向静水压力作用下的轴向压缩变形加以考虑。基于经典理论解的求解过程,结合拱的平衡微分方程及边界条件,对承受均布静水压力且考虑轴向压缩变形的圆弧拱进行了分析,求得了该条件下拱的平面内反对称临界屈曲荷载计算式。为了验证该计算式的准确性,采用非线性有限元法对均布静水压力下的圆弧拱进行了分析,并将有限元分析结果与公式解及铁木辛柯解析解进行了对比。结果表明,相同条件下该方法与有限元分析结果及解析解均吻合良好。对不同矢跨比的拱进行了参数化的对比计算,结果表明,文中推导的计算式具有普遍适用性,能满足工程的计算精度需要。     

垂直分布荷载下固支圆拱正对称失稳临界力的求解

在计入轴力对拱屈曲的影响后 ,建立了固支圆拱在垂直分布荷载 g0 /cos2 θ作用下屈曲的总势能 .按 Ritz法求得在该荷载作用下具有足够工程精度的固支圆拱正对称失稳临界力的近似值 .并与固支圆拱受径向均布荷载正对称失稳情况作对比 ,得到了一些可供参考的结果     

侧向支撑对腹板开洞钢拱平面外弹性屈曲的影响分析

腹板开洞钢拱通过设置侧向支撑可以阻止钢拱发生平面外弯扭屈曲,支撑刚度的大小会对钢拱屈曲临界荷载产生影响.采用有限元方法分析了不同荷载、拱脚条件、支撑类型和位置对钢拱平面外屈曲稳定的影响.研究表明：在刚性支撑情况下,钢拱屈曲临界荷载随支撑刚度增大而增大,铰支钢拱屈曲半波随支撑数量的增加而增加,当支撑数量为n时,会出现n＋1个屈曲半波.两种支撑类型共同工作时,在侧向刚度支撑足够的情况下,扭转支撑对钢拱平面外屈曲临界荷载的影响有限.当侧向支撑刚度达到临界支撑刚度时,其屈曲临界荷载不再随支撑刚度的增大而增大.     

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。     

钢管混凝土圆拱的面内承载力分析

迄今为止,全世界已有400多座钢管混凝土拱桥。然而,有关钢管混凝土拱面内承载力的设计规范仍没有。目前,钢管混凝土拱的设计广泛采用钢筋混凝土及预应力混凝土拱的面内承载力设计方法。这样钢管混凝土拱可认为受轴压或偏压作用,相当于钢管混凝土柱。将钢管混凝土柱的经典屈曲荷载作为钢管混凝土拱的参考弹性屈曲荷载。然而,在横向荷载作用下,钢管混凝土拱的面内弹性屈曲性能与轴压下的钢管混凝土柱完全不同,尤其是对于薄壁钢管混凝土拱。另外,与轴压或偏压下钢管混凝土柱不同,钢管混凝土拱在屈曲之前就发生非线性弯曲和横向变形,这严重影响钢管混凝土拱的承载力。因此,钢管混凝土面内承载力的设计方法是否正确值得商榷。提出与现有钢结构设计规范基本一致的钢管混凝土圆拱承载力设计方法,并同时考虑了几何非线性和材料非线性的影响。提出均匀轴压下钢管混凝土拱的面内承载力设计方程,及弯矩和轴压共同作用下钢管混凝土拱面内承载力验算的下限设计方程。     

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。     

截面为三角形的空间格构式圆拱平面内整体稳定性能分析

空间格构式圆拱是一种较为新颖的空间结构 ,具有外形美观、受力合理、经济实用等优点。稳定性计算是拱结构设计中一个关键课题。利用ANSYS有限元程序对格构式拱在满跨均布荷载作用下进行了几何非线性分析 ,并从结构的荷载 -位移全过程曲线考察该结构平面内稳定问题的基本规律。通过对大量数据进行回归分析 ,得出格构式圆拱平面内整体稳定临界荷载拟合公式 ,供设计参考。     

钢拱结构的弯曲-扭转热屈曲

对横截面上分布线性梯度温度场的双轴对称工字截面钢拱结构的侧向屈曲性能进行研究。钢拱结构存在面内线性梯度温度场,产生面内曲率,从而使结构伸长。继续提高温度差和平均温度,结构所受弯矩和轴向压力将增至临界值。此时,结构背离初始平衡位置,发生侧向扭转屈曲破坏。采用一种新型的非离散机械方法模拟屈曲前的钢拱性能,而采用经典屈曲理论确定弯曲-扭转屈曲的临界温度。本方法要求采用迭代法确定临界温度梯度和临界平均温度。通过全面参数分析,研究热梯度变化和临界温度。本模型能给出封闭解,可用于基于性能的钢拱结构耐火设计和分析。     

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。     

基于突变理论的扁拱结构非线性动力稳定分析

通过突变理论分析扁拱结构在简谐荷载(模拟风荷载)作用下的非线性响应。在假定条件下由扁拱的偏微分运动方程得到非线性振动方程,采用增量谐波法进一步等效为尖点突变模型的标准形式;通过一系列计算数据定量分析了扁拱非线性响应的复杂特征,包括稳定区域和突跳的特点以及各参数的影响。结果表明:扁拱结构的非线性动力响应存在突变现象,跨度、矢高、荷载、阻尼比对扁拱的稳定区域均有影响,合理地选择参数可减小非线性的影响而使结构稳定。     

薄壁槽形截面压杆弹性整体屈曲数值计算研究

为研究薄壁槽钢整体屈曲下的数值算法的适用性,以4种不同杆端约束下的薄壁槽形截面压杆为研究对象,根据广义梁理论确定其发生弹性整体屈曲的有效长度及临界荷载,与开口薄壁理想压杆的线性及非线性解析解进行对比,得到一致的临界荷载。利用ABAQUS有限元分析软件建立壳体有限元模型,采用杆端截面形心集中加载,依据约束情况确定杆端约束,以及根据有效长度施加不同初始缺陷的计算模型,开展特征值算法和隐式弧长法数值计算分析。计算结果表明:当开口薄壁压杆的有效长度足够大时,临界荷载的特征值数值解与理论解一致,弧长法计算得到的非线性解误差相对较大。当有效长度不够大时,弧长法计算得到的极限荷载与理论解基本一致,且弧长法可有效追踪后屈曲路径。     

考虑吊杆非保向力效应的钢管混凝土拱空间受力性能试验研究

开展了考虑吊杆非保向力效应的哑铃形截面钢管混凝土单肋拱空间受力性能全过程试验,结果表明:横向加载初期,横向荷载-位移曲线就呈非线性特征,这一非线性特征是由几何非线性引起的;随着横向荷载的增大,面外初始缺陷对拱肋空间受力性能的影响程度逐渐降低。采用经试验结果验证的双重非线性有限元模型,进一步开展了哑铃形截面钢管混凝土单肋拱吊杆非保向力效应的初步分析,结果表明吊杆非保向力效应的存在,可显著提高拱结构空间受力性能,且随着吊杆力的增大,其提升效果愈加明显。     

圆管截面两铰圆弧纯压拱的平面外稳定性及设计方法

拱的平面外稳定极限承载力设计一直没有成熟的设计方法及规范指导。通过分析两铰圆管截面圆弧钢拱的平面外弹性屈曲性能,指出Timoshenko未考虑翘曲的经典解与有限元分析结果吻合很好。在弹塑性平面外稳定性分析的基础上,借鉴单轴对称截面轴心受压构件的弯扭屈曲设计方法,提出以面外屈曲荷载对应的正则化长细比为参数进行面外稳定性设计的方法。借鉴我国GB 50017—2003《钢结构设计规范》中柱子曲线的表达式,建立纯压两铰圆管截面圆弧拱稳定承载力的实用计算公式及设计曲线。     

对边弹性支承夹层玻璃板剪切屈曲分析

玻璃板与框架之间采用结构胶粘接形成的线支承连接,会因结构胶的弹性约束效应而影响玻璃板的剪切屈曲行为.本文通过有限元模拟研究了对边弹性支承夹层玻璃板在面内剪切荷载作用下的屈曲响应,分析了玻璃板长宽比、结构胶面内约束刚度、垫块几何尺寸及垫块弹性模量对夹层玻璃板剪切屈曲的影响规律.在理想简支、固支边界板件受剪屈曲临界荷载计算公式的基础上,引入考虑边界弹性约束刚度与板件厚高比的参数β,提出了对边弹性支承夹层玻璃板的剪切屈曲系数计算公式.经与工程常用夹层玻璃板的剪切屈曲临界荷载有限元分析值对比,表明计算公式安全可靠,可为工程应用提供参考.