基于拱梁分载法的高薄拱坝水平拱圈曲折稳定评价

该文针对深山峡谷中高拱坝半径较小且截面尺寸较大, 曲率和剪切变形对临界荷载的影响较为明显的特点, 基于大曲率深拱问题在拱坝中应用的理论和经典的拱梁分载理论, 对《拱坝抗曲折稳定分析再探》中的算例重新校核, 重新定义拱坝水平拱圈的抗曲折稳定系数, 并结合柔度系数绘制两者关系曲线, 更直观的判定水平拱圈的稳定性。结果表明:对于拱坝的中上部, 拱圈起主要承载作用, 拱圈的稳定性较弱, 曲率和剪切变形的影响不明显, 容易发生失稳, 故在校核稳定时应当给予重视;对于中下部, 拱圈的稳定性较强, 但剪切与曲率的影响较为明显, 并且剪切变形的影响大于曲率的影响;高拱坝的柔度系数越大则拱圈曲折失稳范围越大, 柔度系数为10时坝高全范围拱圈将不曲折失稳。     

大曲率圆弧深拱平面弹性稳定分析

大曲率拱中,截面形心轴与中性轴不重合,其截面抗弯惯性矩与不考虑曲率影响的截面面积二阶矩有一定的差别;当截面尺寸相对拱弧长来说较大时,此时拱为深拱,剪切变形的影响不能忽略。基于此认识,提出了考虑曲率、剪切变形影响的深拱平面弹性稳定分析方法,讨论了圆弧拱在径向均布荷载作用下的面内稳定问题,导出了临界荷载计算公式,比较了不同理论结果的差别,给出了弹性失稳与塑性屈曲的临界系数和临界圆心角,得出了一些重要结论。     

高拱坝坝肩接触爆炸毁伤安全评价方法

坝肩稳定是高拱坝结构整体安全运行的基础,尽管高拱坝由于拱形受力特性具有较高的承载能力,但坝肩在遭受爆炸荷载作用后极易发生局部毁伤破坏,从而影响高拱坝结构的整体稳定性。着重对高拱坝遭遇水下接触爆炸毁伤后整体的安全稳定评价方法开展了研究,以刚体极限平衡法为基础,针对坝肩的毁伤破坏特征及毁伤面积,提出了拱圈沿右拱端面抗滑安全系数的评价准则,探讨了拱端面的损伤破坏对高拱坝沿拱端面抗滑稳定的影响。结果表明:坝肩接触爆炸主要引起接触部位坝体的压缩破坏和邻近拱端面的剪切损伤,而拱端面的毁伤将直接降低拱圈沿拱端面的抗滑稳定性,并最终导致高拱坝整体沿拱端面滑动失稳。     

悬链线斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载

基于能量分析方法,推导了主拱肋和稳定拱肋拱轴线为悬链线的斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载计算公式,并通过与有限元数值计算结果比较,证明了该计算公式的正确性,进一步验证了所提出的拱肋系侧倾失稳时横撑切向和径向力学模型的适用性,并将拱轴线为悬链线和圆弧曲线的斜靠式拱肋系的侧倾失稳临界荷载进行了比对分析,阐明了圆弧曲线代替悬链线斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载的适用条件。研究结果表明:拱轴线的线型对斜靠式拱肋系的侧倾失稳临界荷载有一定的影响;当稳定拱肋倾角较小时,悬链线拱肋系的侧倾失稳临界荷载与圆弧曲线拱肋系的差异不超过5%;当矢跨比较小时,圆弧曲线拱肋系代替悬链线拱肋系的侧倾失稳临界荷载产生的误差在10%以下,但矢跨比较大时,二者的差异较大,不可等同。     

考虑剪切变形影响的框架柱弹性稳定

该文研究了考虑剪切变形影响的压杆弹性稳定,着重分析了压杆自身的剪切变形对其稳定临界荷载的影响。该文提出了考虑剪切变形影响的杆件单元一阶、二阶转角位移方程。提出了考虑剪切变形影响,计算两端任意转动约束轴压杆有侧移失稳及无侧移失稳的近似公式,通过与精确解对比,近似法具有很好的精度。讨论了压杆有侧移失稳临界荷载与压杆抗侧刚度之间的内在联系,根据这一规律,提出了近似计算两端转动约束轴压杆,具有侧向不完全支撑时的临界荷载。     

钢管桁架拱平面内失稳与破坏机理的数值研究

对两铰圆弧形钢管桁架拱的弹性及弹塑性失稳机理及承载性能进行了深入研究,考虑了全跨和半跨水平均布荷载、跨中及1/4跨集中荷载等多种类型的荷载效应。分析了钢管桁架拱在不同荷载作用下的失稳破坏机理,指出其会发生整体失稳、弦杆局部失稳、腹杆局部失稳以及局部与整体的相关失稳等多种破坏模式。考察了矢跨比、腹杆尺寸、腹杆夹角和截面宽高比等不同参数对钢管桁架拱稳定承载力的影响,为桁架拱稳定设计方法的建立奠定了重要基础。     

单轴对称截面圆弧拱平面外稳定性研究

根据变分原理推导了任意开口薄壁截面曲梁的稳定平衡方程。单轴对称截面圆弧拱在均布径向荷载(均匀受压)或两端作用大小相等、方向相反的端弯矩(均匀弯曲)作用下,平衡方程中曲率平面内的变形和曲率平面外的变形相互独立,故要么发生曲率平面内弯曲失稳,要么发生曲率平面外的弯扭失稳。给出单轴对称截面圆弧拱在这两种受力情况下平面外屈曲荷载的理论解答。通过一些无碍结果的近似使所得公式形式简洁,便于在工程中应用。最后给出了计算实例,与已有的文献进行比较,并使用通用有限元软件ANSYS 进行了模拟,分析结果与该文计算结果吻合,证明了所得公式的正确性。     

T型截面拱在拱顶集中力作用下的平面外弯扭失稳

该文以在拱顶径向集中力作用下T型截面两端铰接圆弧拱为研究对象,考虑了剪切变形的影响,推导了适用于单轴对称截面的应变与位移函数关系。求解了拱屈曲前精确的内力。再根据势能驻值原理和RayleighRitz法推导了T型截面圆弧拱弯扭屈曲荷载解析解,并与有限元数值结果进行了比较,二者吻合较好,证明了理论解的正确性。研究发现,单轴对称参数β_x对弯扭屈曲荷载的影响明显,且剪切变形对较浅的拱影响较为明显。     

考虑剪切变形的圆弧深拱参数共振稳定性分析

基于结构弹性稳定理论,根据能量法推导出以位移为基本未知量的圆弧深拱总势能,从Hamilton原理出发,建立了考虑剪切变形的圆弧深拱的动力稳定微分方程。 利用Galerkin方法将该方程转化为二阶常微分Mathieu型参数共振方程,推导出圆弧深拱主参数共振的临界频率方程式,从而求得周期解所包围的动力不稳定区域。通过分析剪切变形、圆弧半径、圆心角等参数对圆弧深拱动力稳定性的影响,探讨了圆弧深拱发生参数共振的动力稳定性问题,为拱型结构动力分析与设计提供参考依据。     

基础竖向多频参数激励下圆弧拱平面内动力失稳研究

地震波、冲击波、环境振动激励会通过地基基础传递到拱上,致使拱发生动力失稳失去承载能力。为深入研究拱在基础竖向激励下的动力稳定性,该文基于能量法,建立了基础竖向激励下圆弧拱平面内动力稳定能量方程,利用哈密顿原理得到了拱面内径向和切向振动的耦合控制方程,求解了圆弧拱平面内失稳前的动轴力与动弯矩解析解。引入拱轴线不可压缩假设,解决了圆弧拱平面内动力控制方程的解耦问题。利用伽辽金法建立了基础竖向多频激励下圆弧拱平面内二阶常微分动力稳定方程,运用多尺度法推导了基础竖向多频激励下圆弧拱平面内动力失稳的临界激励频率解析公式,得到了圆弧拱同时发生一阶反对称参数共振和二阶正对称共振失稳的动力不稳定域,并利用有限元数值分析验证了理论解析解的正确性。进一步分析了拱矢跨比、长细比和圆心角对动力不稳定域的影响。     

解析型几何非线性圆拱单元

为研究圆拱结构几何非线性内力和位移计算以及平面内稳定分析问题,基于圆拱几何非线性静力分析模型,构造了解析位移形函数,进而利用能量法和势能变分原理,构造了解析型几何非线性圆拱单元,给出了单元列式;同时将该文模型通过理论退化,得到了不考虑轴向变形的无压缩圆拱模型,进一步得到了解析型无压缩几何非线性圆拱单元,并将此单元应用于圆拱的平面内稳定分析。研究结果表明:采用本单元模型进行平面内分岔失稳分析得到的失稳临界荷载系数与经典Timoshenko模型、Dinnik模型及静力法模型计算结果一致,相对误差为0%;平面内分岔失稳的临界荷载与平面内极值点失稳的临界荷载一致。该文单元具有解析型、高精确性以及良好的适用性,可用于任意工况下圆拱结构几何非线性位移、内力和平面内稳定分析。     

内侧交错布索索拱结构面内弹性稳定的研究

基于小挠度理论,推导了两类内侧交错布索-索拱结构(等长均布式和两端辐射式)在径向均布荷载作用下面内弹性挠曲的总势能方程。基于能量变分原理,采用Ritz法求解两类索拱面内弹性屈曲临界荷载及屈曲形态,讨论了结构参数对弹性屈曲临界荷载的影响。结果表明:该文方法具有较高的精度和效率。拱的轴向伸缩和剪切变形对临界荷载的影响很小,可忽略不计。第一类索拱面内的屈曲形式为反对称,而第二类索拱,多数情况为反对称,少数为正对称。内侧交错布索对提高拱结构的整体稳定性效果显著。两类索拱的临界荷载随索截面积的增加而增加,随拱长细比的增加而减小,随拱矢跨比的增加而先增加后减小。初始张拉力对临界荷载的影响较小。     

混凝土两铰圆弧拱的面内徐变稳定性

结合两铰圆弧拱的面内屈曲微分方程和混凝土徐变的Arutyunyan-Maslov方程,并引入徐变积分算子和失稳条件推导了混凝土两铰圆弧拱的面内徐变临界力计算公式。基于该公式,通过算例讨论了徐变系数和截面含钢率对徐变临界力的影响,并对素混凝土拱、钢筋混凝土拱和钢管混凝土拱的徐变临界力进行了对比。结果表明:对于不同拱肋材料,混凝土徐变均会导致临界力的降低;由于材料组成的差别,徐变对素混凝土拱临界力的影响最大,钢筋混凝土拱次之,而对钢管混凝土拱的影响最小;与已有方法相比,该公式反映了截面配筋率或含钢率对徐变临界力的影响。     

倒三角截面空间桁架拱平面外弹塑性稳定设计方法研究

该文研究了倒三角截面两铰桁架拱和固支桁架拱的平面外稳定性能:首先介绍了倒三角形桁架拱的平面外弹性屈曲荷载,此后采用大挠度弹塑性有限元方法,通过引入纯压正则化长细比和纯弯正则化长细比,分别建立了纯压和纯弯桁架拱的平面外弹塑性稳定设计方法。在此基础上,研究了杆件的变形对桁架拱平面外整体稳定性能的影响,并通过两个相关系数将该影响体现在稳定承载力设计方程中。进一步,依据有限元数值计算结果,提出了全跨水平均布荷载或半跨水平均布荷载作用下桁架拱的轴力和弯矩稳定承载力设计方程,供倒三角截面桁架拱平面外稳定性设计。     

弹性边界下圆弧拱的自由振动分析

工程中圆弧拱的边界不能总被简化为理想的简支或固支形式。为了研究弹性支承对圆弧拱自由振动特性的影响规律,将力、位移等变量无量纲化。根据平衡方程和坐标转换推导得出极坐标下圆弧拱在水平、竖直和转动方向支撑条件为弹性时的边界条件方程。并采用考虑弯曲和轴向变形而忽略剪切变形及转动惯量的自由振动的运动控制方程。运动方程在边界条件情况下,其解仅为关于矢跨比f,细长比s和无量纲刚度阵[K]的函数。采用Runge-Kutta法和行列式搜索法求解运动方程的特征值即无量纲频率Ωi以及特征向量即振型。通过计算发现,与理想支撑相比,弹性支承情况下细长比s对拱自振频率的影响要明显下降。理想支撑情况下圆弧拱的自振频率越高,则弹性支承对其自振频率的影响越小。与水平和竖向弹性支承相比,转动方向弹性支承仅对圆弧拱基频有较大影响。     

水平弹性支承圆弧钢拱的平面内极限承载力研究

支承于其他结构构件上的拱的支座约束可以用拱脚处的水平弹簧进行等效替代。利用ANSYS有限元程序,在考虑了几何缺陷、残余应力和材料非线性的基础上,采用大挠度变形理论对水平弹性支承拱进行了研究,分析了其极限强度和失稳特征。针对工字形截面,研究了不同荷载工况下支座刚度对拱的承载力的影响,得到了两者之间的变化关系和极限状态下支座位移的计算公式。使用已有的两铰圆弧拱设计公式对弹性支承拱进行了验算,并提出了实用的简化设计准则。     

集中荷载作用下弹性扭转约束层合浅拱的非线性面内稳定

该文研究了集中荷载作用下弹性扭转约束层合拱的非线性面内稳定,基于虚功原理建立了拱的微分平衡方程及屈曲平衡方程,追踪了拱的平衡路径,获得了屈曲临界荷载的解析表达,提出了修正长细比参数及柔度系数以表征拱的失稳模式,通过有限元模拟验证了解析结果的正确性,着重分析了铺层模式及边界条件对层合拱的屈曲及后屈曲的影响。研究结果表明:当长细比及柔度系数给定,层合拱的屈曲临界荷载随着开口角及修正长细比的增大而增大;铺层模式显著影响拱的屈曲临界荷载,随着90°铺层逐渐远离中面,拱的承载能力明显降低。     

基础竖向周期激励下GFRP圆弧拱面内动力稳定性实验研究

该文为探究铺层角度对基础竖向激励下GFRP圆弧拱平面内动力稳定性能的影响,开展了系统的实验研究。设计了6组不同铺层角度的圆弧拱试件,利用TIRA激振器模拟输出基础竖向周期激励,采用NDI三维动态采集仪采集圆弧拱的竖向动位移,根据测得拱的面内自由振动响应,分别通过快速傅里叶变换和自由衰减法获得拱的自振频率和阻尼比。通过扫频实测了GFRP拱的动力不稳定域边界,并与有限元计算结果进行对比,基本吻合。研究表明：当外部频率约为结构自身频率两倍时,结构会出现激烈的面内反对称振动现象,即为参数共振失稳;当激励加速度小于临界激发加速度时,拱处于定态振动;外激励大于临界激发加速度时,GFRP拱出现参数振动,并且随着加速度的增大,拱的振动愈发激烈;随着铺层角度的增大,拱的自振频率和临界激发加速度逐渐减小,阻尼比与不稳定域范围逐渐增大。     

翼缘削弱型钢梁的整体稳定性分析

针对钢框架梁翼缘削弱式(RBS)节点梁的整体稳定性能进行了分析。采用能量法研究了不同荷载作用下RBS 梁的整体稳定性能, 将梁翼缘削弱段刚度采用等效折减刚度进行分析, 得到RBS 梁侧向弯扭失稳的临界荷载, 并与等截面梁临界荷载进行对比。讨论了不同削弱参数下RBS 梁的临界弯矩变化规律, 并通过有限元数值计算验证了削弱参数对RBS 梁弯扭失稳临界弯矩的影响。研究结果表明:RBS 梁削弱参数整体对侧向弯扭失稳影响明显, 其临界弯矩值较同尺寸的普通钢梁明显降低, 工程设计中应考虑其不利影响;RBS随梁跨度的增加, 削弱段局部刚度对整段梁的刚度影响作用减弱, 当RBS梁的高跨比较小时, 可以忽略削弱参数对临界弯矩的影响。     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。