钢拱桁架平面内稳定性分析及研究

选择90 m跨钢拱桁架为研究对象,采用SAP2000对其平面内稳定性进行研究,研究中考虑了初始几何缺陷,不同荷载分布情况对结构屈曲承载力和变形能力的影响,研究结果表明,初始几何缺陷对拱桁架稳定影响较为明显。     

某大跨单层球面网壳结构的非线性屈曲研究

为研究杆件稳定、初始几何缺陷、几何非线性、材料非线性对某单层球面网壳结构整体稳定性的影响,首先对结构进行线性屈曲分析得到屈曲模态和临界荷载,其次采用弧长法对结构进行非线性屈曲全过程分析,同时确定最不利初始几何缺陷分布模态,最后采用Newton-Raphson法对按此最不利缺陷分布的结构进行弹塑性屈曲全过程分析.计算表明:初始几何缺陷按最低阶屈曲模态分布的一致缺陷模态法可能不适用于大跨单层球面网壳结构的稳定性分析;荷载不对称分布对结构的稳定性更为不利;初始几何缺陷和材料非线性对结构稳定性的影响较大.     

大跨度预应力张弦式管道试验与有限元分析

以一榀100 m跨度预应力张弦式管道为原型,设计了1∶15比例缩尺模型,在中国首次开展了张弦式管道在预应力张拉阶段、正常使用阶段及承载力极限阶段的受力全过程试验研究.基于ANSYS软件对试验全过程进行了非线性有限元模拟,并结合一致缺陷模态法与柱面弧长法,进行了同时考虑初始几何缺陷与几何非线性的屈曲分析.结果表明:半跨荷载对预应力张弦式管道较为不利,结构整体变形与上弦应力增长较为迅速;结构对平面外的初始几何缺陷较为敏感,半跨荷载下的屈曲临界荷载较全跨荷载作用时稍低;结构具有可靠的稳定性与较大的安全储备,极限承载力达到设计荷载的2.68倍;有限元计算值与试验结果吻合良好;该非线性有限元分析方法能较好地实现对预应力张弦式管道受力全过程的模拟.     

杭州国际博览中心单层球面网壳结构稳定性分析

杭州国际博览中心城市客厅部分采用了单层球面网壳结构形式.该球壳跨度较大,且由于建筑需要局部开有两个洞口,体型较为复杂.运用MIDAS有限元分析软件,考虑两种荷载工况对该单层球面网壳结构进行了整体稳定性分析.首先对该结构进行了两种工况下的特征值屈曲分析,预测结构的理论屈曲强度;然后根据球壳的屈曲模态,采用一致缺陷法,对结构体系进行了几何非线性屈曲分析,并对比分析了不同的球壳初始缺陷对结构整体稳定性的影响.研究结果表明:该球壳结构对初始缺陷较为敏感,初始缺陷的存在会明显降低结构体系的稳定性,且缺陷越大其稳定临界荷载系数越小;不同的荷载工况,球壳的临界失稳条件也不相同,临界荷载系数差别也较为明显.     

平面门式刚架静力屈曲的仿真分析

应用ANSYS有限元程序,对柱脚铰接的平面门式刚架进行了静力屈曲分析。在仿真分析中,主要考虑荷载分布和初始几何缺陷的大小对刚架临界屈曲荷载的影响。分析结果表明:刚架的临界屈曲荷载和荷载的分布有关;初始几何缺陷对刚架临界屈曲荷载的影响随着刚架高跨比的变化而不同。     

初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响

为研究初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响，建立了钢梁内嵌式预应力简支组合梁在高温下非线性升温过程受力行为的有限元模型。通过考察梁的破坏形式、跨中挠度、侧向位移、拉索张力以及梁的曲率等关键参数的变化，得到初始几何缺陷对该预应力组合梁抗火性能的影响机理。分析结果表明：对于内嵌钢梁的预应力简支组合梁，初始几何缺陷形式可分为跨中弯扭屈曲和腹板局部屈曲两种，其中跨中弯扭屈曲对该预应力组合梁的抗火性能有一定影响。初始几何缺陷越大，该预应力组合梁跨中挠度随温度升高而下降的速率越大，临界温度更低。由于预应力拉索会随着组合梁变形协调，因此初始几何缺陷越大，同一温度下拉索应力与塑性应变也将更大。在高温破坏时，梁加载点处曲率最大，其次是跨中区段。初始几何缺陷形式影响了梁沿纵向的曲率分布，在第一阶弯扭屈曲形式的初始几何缺陷影响下，梁跨中曲率增大，但整体曲率所有下降；在第四阶弯扭屈曲影响下，梁跨中曲率减小，但整体曲率有所增大。     

单层组合加肋拱支网壳的稳定性

介绍了某相贯单层组合加肋拱支网壳结构在竖向荷载及风荷载作用下的整体稳定性。采用有限元软件MIDAS,在两种荷载工况下分别进行了此网壳结构的特征值屈曲、几何非线性屈曲分析,初始缺陷对网壳结构的整体稳定性影响分析。结果表明:网壳结构对初始缺陷较为敏感,初始缺陷会明显降低结构稳定性;不同的荷载工况下,失稳的情况亦不同且网壳结构稳定临界系数随着荷载的增大而降低。     

大跨度张弦式管梁研究

大跨度预应力张弦式管梁是运输管道跨越江河或沟堑的一种新型结构形式，其跨度可达100。150m。以一榀100m跨预应力张弦式管梁为原型，设计了1：15缩尺模型，在国内首次开展了张弦式管梁在预应力张拉阶段、正常使用阶段以及承载力极限阶段的受力全过程试验研究。基于ANSYS对试验全过程进行了非线性有限元模拟，并结合一致缺陷模态法与柱面弧长法，进行了同时考虑初始几何缺陷与几何非线性的屈曲分析。试验研究与有限元分析表明：半跨荷载对预应力张弦式管梁较为不利，结构整体变形与上弦应力增长较为迅速；结构对平面外的几何缺陷较为敏感，半跨荷载下的屈曲临界荷载较全跨荷载作用时稍低；结构具有可靠的稳定性与较大的安全储备，极限承载力达设计荷载的2．68倍；有限元计算值与试验结果吻合良好，表明本文采用的非线性有限元分析方法能较好地实现对预应力张弦式管梁受力全过程的模拟。最后，基于瑞利一里兹法推导了预应力张弦式管梁在弹性与弹塑性状态下的变形与内力计算公式。     

内凹式索拱结构极限承载力研究

采用考虑双重非线性的有限元方法对内凹式索拱结构的极限承载力进行了参数研究。主要分析了5种荷载形式下支座形式、拱矢跨比、索矢跨比、撑杆数量、拱截面、索截面、初始张拉力和初始缺陷等参数对内凹式索拱结构承载力的影响;并与仅考虑几何非线性的结果进行了对比。分析结果表明:支座形式、矢跨比、撑杆数量、拱截面等因素对结构承载力影响较大;索截面、初始张拉力和初始缺陷等对结构承载力影响较小;其合理的取值范围为:拱矢跨比取0.125~0.20,索矢跨比取0.05~0.10,索截面积取拱截面积的4%~6%,与拱结构相比,该结构的整体稳定性、极限承载力、整体刚度都大幅度提高,对缺陷的敏感度减低;半跨荷载是结构设计的控制荷载,给出了快速确定初始张拉力的简化计算公式。     

常州市体育馆椭圆抛物面弦支穹顶稳定性研究

常州市体育馆椭圆抛物面钢屋盖采用由Levy索杆系和单层网壳构成的弦支穹顶结构,与已研究的常规弦支穹顶相比,其具有体量大,矢跨比高和外形为椭圆抛物面的特点。将弦支穹顶与单层网壳进行稳定性对比研究,包括构件屈曲、线性屈曲和几何非线性屈曲等,分析了高矢跨比弦支穹顶中索杆系的作用以及对结构设计起控制作用的破坏形式。研究结果表明,索杆系增加了弦支穹顶的整体性,降低了其对初始几何缺陷的敏感性,但对结构刚度、基本自振周期和模态、构件屈曲荷载、线性屈曲荷载、无初始缺陷的非线性屈曲荷载、屈曲模态等影响不大。高矢跨比弦支穹顶仍对初始缺陷较为敏感,稳定性仍是结构设计控制因素之一。此外,由于椭圆抛物面外形,活荷载布置形式对结构屈曲模态影响较大,且满跨活荷载并不一定是最不利的活荷载布置形式。     

Imperfection sensitivity of plate girder webs subjected to patch loading

This paper is aimed at studying the influence of initial geometric imperfections on the postbuckling behavior of longitudinally stiffened plate girder webs subjected to patch loading. A sensitivity analysis is conducted herein using two approaches (deterministic and probabilistic) in order to investigate the effect of varying imperfection shape and amplitude on both, the postbuckling response and ultimate strength of plate girders under patch loading. This sensitivity analysis is performed by means of nonlinear finite element analysis. At first, the initial shape imperfections are modeled using the buckling mode shapes resulting from an eigenvalue buckling analysis. Thereafter, the amplitude of the buckling shapes for the various modes is varied, and then introduced in the nonlinear analysis. The results show the influence of these modes and amplitudes on the resistance to patch loading.     

Dynamic buckling of fiber composite shells under impulsive axial compression

The paper deals with dynamic buckling due to impulsive loading of thin-walled carbon fiber reinforced plastics (CFRP) shell structures under axial compression. The approach adopted is based on the equations of motion, which are numerically solved using a finite element code (ABAQUS/Explicit) and using numerical models validated by experimental static buckling tests. To study the influence of the load duration, the time history of impulsive loading is varied and the corresponding dynamic buckling loads are related to the quasi-static buckling loads. To analyse the sensitivity to geometric imperfections, the initial geometric imperfections, measured experimentally on the internal surface of real shells, are introduced in the numerical models. It is shown numerically that the initial geometric imperfections as well as the duration of the loading period have a great influence on the dynamic buckling of the shells. For short time duration, the dynamic buckling loads are larger than the static ones. By increasing the load duration, the dynamic buckling loads decrease quickly and get significantly smaller than the static loads. Since the common practice is to assume that dynamic bucking loads are higher than the static ones, which means that static design is safe, careful design is recommended. Indeed, taking the static buckling load as the design point for dynamic problems might be misleading.     

960 MPa高强度钢材轴压构件整体稳定性能试验研究

为研究960 MPa高强度钢材轴压构件的整体稳定性能,对6个焊接工字形和等边箱形截面试件进行了静力试验研究,测量了试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面残余应力分布等初始缺陷,分析了试件的失稳破坏形态,得到了整体稳定承载力,并与规范设计曲线进行了对比分析。利用试验结果验证了有限元分析模型,并进行参数分析。研究结果表明：试件的破坏模态均为整体弯曲失稳,除两个几何初始缺陷过大的试件外,其他试件的整体稳定系数试验值均明显高于规范设计值;参数分析结果表明,960 MPa钢材焊接截面轴压构件的整体稳定系数较普通钢材显著提高,建议采用GB 50017-2003中的a类柱子曲线设计此类轴压构件,同时拟合了960 MPa高强度钢材的柱子曲线公式。     

Buckling and postbuckling behaviour of cylindrical shells under combined external pressure and axial compression

Buckling and postbuckling behaviour of perfect and imperfect cylindrical shells of finite length subject to combined loading of external pressure and axial compression are considered. Based on the boundary layer theory which includes the edge effect in the buckling of shells, a theoretical analysis for the buckling and postbuckling of circular cylindrical shells under combined loading is presented using a singular perturbation technique. Some interaction curves for perfect and imperfect cylindrical shells are given. The analytical results obtained are compared with some experimental data in detail, and it is shown that both agree well. The effects of initial imperfection on the interactive buckling load and postbuckling behaviour of cylindrical shells have also been discussed.     

Interactive buckling of an elastically restrained truss structure

Interactive buckling of an elastically restrained truss structure is investigated by using an improved version of the Byskov-Hutchinson perturbation analysis. The mechanical model consists of two horizontal beams connected by rigid diagonals, whose out-of-plane displacements are prevented by a continuous distribution of linear springs. When the two horizontal beams are compressed, three buckling modes are possible: one overall in-plane mode and two local (lateral and torsional) modes which, for a particular choice of the geometry of the structure, may occur nearly simultaneously. Three nonlinear equilibrium equations are derived in the amplitudes of the three buckling modes and solved numerically for given initial imperfections.     

某椭圆抛物面辐射式张弦梁结构的非线性屈曲及施工仿真分析

以一31.1m×24.1m跨度的椭圆抛物面辐射式张弦梁结构为分析对象,考虑几何非线性、初始几何缺陷、材料弹塑性及活载的半跨布置,对其非线性屈曲性能进行研究。采用分批分阶段的拉索张拉施工方案,通过对张拉全过程的仿真分析,得到直接指导施工的各组拉索张拉力。研究表明:初始几何缺陷按最低阶屈曲模态分布时,稳定承载力系数并非最小;荷载不对称分布对结构的稳定性更为不利;材料非线性对结构稳定性影响较大;初始几何缺陷取短轴跨度的1/500较为适宜;各组拉索的实际施工张拉力与目标索力差别较小,张拉过程中,群索之间索力的相互影响不大。     

我国拱形钢结构设计理论研究现状与展望

结合我国JGJ/T 249-2011《拱形钢结构技术规程》的颁布,对拱形钢结构设计、计算及施工中的关键问题如受力性能、结构选型、稳定性能及加工制作等方面进行了阐述。研究表明：与梁柱等直构件相比,拱形钢结构的设计理论、特别是稳定设计方法更为复杂,其受力和工作机理受拱轴线形式、跨度、矢跨比、拱脚边界条件、截面形式、荷载形式及组合、面外支撑条件等诸多因素影响。拱形钢结构平面内失稳对荷载和变形的非对称初始缺陷较为敏感,对于钢管桁架拱必须考虑弦杆局部失稳对整体稳定承载力的削弱作用;平面外弯扭失稳时,变形及受力复杂,其稳定承载力受拱脚、荷载条件及支撑布置影响显著;初步建立平面内稳定设计方法并在规程中予以体现,包括实腹式截面拱（含腹板开孔钢拱）、钢管桁架拱以及钢管混凝土拱等结构形式;平面外稳定性及面外支撑设计是拱形钢结构设计理论的重要组成部分,在规程中还有待进一步补充和完善。     

双曲空腹扁网壳结构稳定性分析

以双曲空腹扁网壳为例,采用有限元软件ANSYS对该类网壳进行稳定性分析,用Block lanczos法分析结构的特征值,同时用弧长法平衡跟踪技术对结构进行几何非线性分析及考虑初始缺陷影响的非线性全过程屈曲分析,并讨论该类网壳结构对初始缺陷的敏感性问题。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲性能研究

建立了考虑材料和几何双重非线性的550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲性能分析的有限元模型,并通过对两种厚度高强冷弯薄壁型钢轴压构件畸变屈曲试验已有结果的分析比较验证了其有效性;采用该模型进一步分析了厚度、长度、初始缺陷模式及幅值等参数对畸变屈曲轴压构件承载力的影响,并对轴压构件畸变屈曲发生机理进行了探讨。结果表明：厚度、长度和初始缺陷模式是影响畸变屈曲轴压构件承载力的主要因素,且卷边面内屈曲是槽形截面轴压构件发生畸变屈曲的主要原因。通过理论计算与试验结果的对比分析,表明可以采用建议方法计算此类复杂截面轴压构件的畸变屈曲承载力。     

Finite element based coupled mode initial post-buckling analysis of a composite cylindrical shell

This paper presents a finite element formulation of Koiter's initial post-buckling theory using a multi-mode approach. Initial post-buckling theory provides direct information about the imperfection sensitivity of a structure under compressive loading, and is also the basis of a nonlinear reduced order model. The objective of the present work is to illustrate the capability of the implementation for buckling analysis of shell structures including modal interaction. A coupled mode initial post-buckling analysis for a composite cylindrical shell under axial compression, including the effect of a nonlinear pre-buckling state, has been carried out using a small number of representative modes. For small imperfection amplitudes the limit-point buckling loads obtained with the reduced order model compare reasonably well with full model nonlinear analysis, illustrating that a fast prediction of the coupled mode response of imperfect shells is possible using the approach proposed.