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。     

四边形截面圆弧空间钢管桁架拱平面内稳定性及试验研究

通过大挠度弹塑性有限元分析研究桁架拱在集中荷载、水平均布荷载、轴线均布荷载等不同荷载形式下的失稳与破坏机理,考察截面高宽比、矢跨比、腹杆夹角、腹杆尺寸等几何参数对桁架拱稳定承载力的影响,结果表明在不同参数条件下,桁架拱可能发生弦杆局部失稳、腹杆局部失稳、整体失稳以及局部与整体相关失稳等破坏形式;与拱的整体失稳和弦杆局部失稳相比,腹杆失稳会导致承载力的大幅下降,设计中应保证腹杆不先发生破坏。在理论分析的基础上,设计4榀矩形及梯形截面空间桁架拱模型进行了平面内稳定性能试验研究,分析表明两种截面形式的桁架拱在平面内具有基本相同的刚度和承载能力,其承载力设计可以采用相同公式。最后,基于静水压力作用下桁架拱的面内稳定设计曲线,通过大量的算例分析,提出轴力和弯矩共同作用下四边形截面圆弧形空间钢管桁架拱的整体面内稳定承载力设计方法。     

不锈钢焊接工字形截面短柱轴压局部稳定性能试验研究

对奥氏体型S30408和双相型S22253两种牌号的15个不锈钢焊接工字形截面短柱开展轴压局部稳定试验研究,考察截面组成板件的局部稳定性能和截面承载力,得出了试件截面的应力-应变关系曲线。研究结果表明：厚实截面的试件承载力高于其截面屈服荷载,试件截面应力-应变关系曲线表现出典型的非线性特性和应变硬化特征;而宽肢薄壁截面的组成板件发生过早的局部屈曲,使得试件承载力不能达到截面的屈服荷载,需要对截面强度进行折减。基于得出的试验结果和现有的其他试验数据,对现有设计方法,包括欧洲规范EN 1993-1-4和美国规范SEI/ASCE 8-02中的有效宽度法以及直接强度法计算得出的截面承载力进行评估,表明根据欧洲规范EN 1993-1-4和直接强度法计算得到的截面承载力偏于保守,而美国规范SEI/ASCE 8-02对宽厚比较大的截面承载力计算偏于不安全,而且计算离散性较大。     

拱脚带水平约束弹簧的车辐拱平面内稳定性能

针对非落地拱承受竖向荷载作用时拱脚水平约束刚度不足会产生水平位移,导致拱脚的受力性能和承载能力发生较大变化的问题,采用ANSYS有限元软件建立拱脚带水平约束弹簧的模无索拱和车辐拱有限元模型。采用数值分析方法分别对无索拱和车辐拱在全跨竖向均布荷载和半跨竖向均布荷载进行一阶弹性和弹塑性分析,研究其拱脚水平弹簧刚度幅值变化对车辐拱受力性能的影响,包括拱脚水平推力和位移的变化、沿拱轴线内力变化和分布以及平面内稳定承载性能等。结果表明:车辐拱中的拉索可以有效约束拱脚的水平位移和减小水平推力,显著提高拱整体刚度和稳定承载力; 车辐拱中的拉索可以有效限制拱脚弹簧刚度幅值的下降对车辐拱内力分布及稳定承载性能的影响; 研究成果为非落地车辐拱及拱脚支承构件的设计提供了依据。     

平面钢管桁架拱平面外稳定试验研究与有限元分析

对2个跨度为10 m的圆弧形平面圆钢管桁架拱模型进行全跨均布荷载作用下的静力试验研究,分析了平面钢管桁架拱的平面外稳定承载力。引入平面外转动弹簧单元、水平位移弹簧单元,建立弹簧-杆系有限元模型,对试验模型进行非线性有限元分析。试验和有限元分析结果表明：下弦杆无平面外支撑的平面钢管桁架拱,在极限状态时,受压上、下弦杆发生侧向弯曲失稳,并引起整体平面外弯曲失稳破坏;圆钢管相贯节点的平面外转动刚度对试验模型的平面外稳定承载力影响显著。弹簧-杆系有限元分析结果与试验结果较为吻合,可为同类型结构的平面外稳定分析、设计提供参考。     

等截面抛物线拱的弹性响应分析

本文利用力法首先得到了等截面抛物线无铰拱在对称荷载作用下拱截面内力和拱顶挠度的解析表达式,然后利用叠加原理将其推广到非对称荷载作用下拱的内力和挠度计算,最后给出了计算程序.     

焊接不锈钢工字形截面梁整体稳定性试验研究

不锈钢材料在建筑结构中已得到广泛应用。为研究焊接不锈钢梁的整体稳定性能,进行了纯弯状态下的静力试验研究。试验包括10个试件,材料类型为奥氏体型316。截面类型采用了双轴对称和单轴对称工字形截面,试件的端部约束采用夹支,试验过程持续加载,直至达到试件的承载力峰值。基于试验结果,研究了焊接不锈钢梁的失稳破坏形态和极限承载力;对比了试验极限弯矩与理论弹性弯矩、塑性弯矩的差异,并将试验结果与有限元分析结果进行了对比。结果表明：试件的承载能力随着跨度的增大而减小,有限元分析能够准确预测试件的承载力,与试验结果吻合良好。     

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。     

楔形变截面柱平面内稳定及平面内等效弯矩系数

采用平衡法对楔形柱 (压弯构件 )平面内稳定及平面内等效弯矩系数进行计算分析 ,得出楔形压弯构件与等截面压弯构件平面内稳定计算公式一致、其平面内等效弯矩系数 βm 与等截面 βm 相衔接的计算公式     

均匀受压工字型等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性和极限强度

采用大挠度弹塑性有限单元法对均匀受压等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性和极限强度进行研究,考虑了材料非线性、残余应力、初始几何缺陷和矢跨比的影响,得到了均匀受压工字型等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性设计曲线,并与国内外钢结构设计规范轴心受压构件的稳定曲线进行了对比,得出了轴心受压构件的稳定曲线不能直接用于拱的稳定性设计的重要结论。     

管拱面内两点非对称加载试验研究

对钢管混凝土拱和钢管-钢管混凝土复合拱进行面内两点非对称加载试验。建立了双重非线性有限元计算模型,对模型拱的挠度、钢管应变、材料非线性与几何非线性影响、管内混凝土对极限承载力的影响进行了分析。分析结果表明,管内混凝土提高拱的极限承载力的能力与拱的加载工况有关,当拱以受弯为主时,这种提高作用较小,当拱以受压为主时,这种提高作用较大;在受力全过程中,材料非线性的影响是主要的,几何非线性的影响是次要的,但由于存在耦合作用,分析时应考虑双重非线性的影响;对于复合拱,拱肋在变刚度靠空钢管一侧的受力情况较为复杂与不利。     

激光焊接不锈钢工字形截面中长柱受力性能研究

为研究激光焊接奥氏体不锈钢工字形截面轴心受压中长柱的承载性能,对10根激光焊接不锈钢工字形薄柔截面中长柱进行轴心受压试验研究,结果表明,中长柱的破坏模式均为板件局部屈曲与构件整体弯曲屈曲的相关失稳。同时,基于残余应力试验,验证了已有激光焊接不锈钢工字形截面的残余应力分布模型。基于试验结果验证了有限元模型,对激光焊接不锈钢工字形截面轴心受压中长柱开展参数分析,研究了几何初始缺陷和残余应力对中长柱稳定承载力的影响,结果表明,残余应力是影响中长柱稳定承载力的主要因素。结合试验和有限元计算结果,对CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》中轴心受压构件稳定承载力设计公式的适用性进行评估,并考虑残余应力的影响修正了轴心受压构件整体稳定设计公式的计算系数。采用修正后计算系数的规范公式能准确计算激光焊接不锈钢工字形截面轴心受压构件的稳定承载力。     

H形截面铝合金压弯构件平面内稳定承载力的试验及理论研究

以长细比和荷载偏心率为主要参数,测试了13个H形截面铝合金挤压型材偏心受压试件的稳定承载力,所有试件均在受弯平面内发生了整体弯曲屈曲。采用数值方法对上述试件进行了非线性稳定性计算,计算结果得到了试验结果的验证。对铝合金压弯构件的稳定性进行了理论分析,结果表明合金类型对稳定承载力的影响最大,修正系数η1需要对弱硬化合金和强硬化合金分别取值。推导的计算H形截面铝合金压弯构件平面内稳定承载力的线性相关公式与数值计算结果吻合较好,并在形式上与我国《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)保持一致以便于实际应用。     

翼缘纵向变厚度焊接工字形截面钢梁整体稳定性能试验

为研究翼缘纵向变厚度焊接工字形截面钢梁的整体稳定性能,共设计了11个变厚度梁和2个等厚度梁并进行无侧向约束整体稳定试验,包含三点弯和四点弯两种加载方式,0、2、4、6、8mm/m共5种厚度变化率。试验结果表明：钢梁均发生弹塑性弯扭失稳破坏,卸载后仍有明显残余变形;相比四点弯加载,翼缘厚度变化对三点弯加载钢梁承载性能的影响更为明显。对现有等厚度梁的整体稳定设计方法和稳定系数曲线进行总结,结合精细化有限元分析得到,变厚度梁的弹性失稳临界弯矩随着翼缘厚度变化率增大而降低。基于现有等厚度梁规范稳定曲线进行变厚度梁稳定承载力计算时,建议采用有限元分析或者以平均截面尺寸下的等厚度梁近似计算弹性失稳屈曲临界弯矩,由此可得相比按跨中最大截面设计相对安全的稳定承载力。最后将试验结果与规范计算所得稳定承载力对比,结果表明欧洲规范BS EN 1993-1-1最为安全,中国规范GB 50017—2017次之,美国规范ANSI/AISC 360-16最不安全。变厚度梁整体稳定设计方法的提出还需进一步深入研究。     

不锈钢端板连接梁柱节点静力承载性能试验研究

为了研究不锈钢端板连接梁柱节点的静力承载性能,对5个不锈钢端板连接梁柱节点和1个普通钢端板连接梁柱节点开展单调静力加载试验,得到了节点试件的弯矩-转角曲线,对比分析了钢材牌号、节点类型和端板有无加劲肋等因素对节点承载性能的影响。结果表明：相同尺寸和构造的不锈钢节点延性优于普通钢节点的延性;不锈钢中柱节点和边柱节点的承载力相差较小,但前者的初始转动刚度较高而后者的变形更大;端板加劲肋的设置显著提高了节点的承载性能。基于得到的试验结果,对中国GB 51022—2015、美国ANSI/AISC 358-16和欧洲EN 1993-1-8中的端板连接节点承载性能计算方法进行评估,3种计算方法均低估了不锈钢端板连接梁柱节点的承载性能。     

In-plane buckling behavior of slender parabolic concrete-filled steel tubular arches with fixed ends

现有规范采用“等效梁柱法”计算长细比不超过80的钢管混凝土拱的平面内稳定承载力,而实际工程中有近20%拱桥拱肋长细比超过上述限值,即大长细比钢管混凝土拱。因此,利用ABAQUS建立了有限元分析模型,在基于现有试验数据验证模型可靠性的基础上,对大长细比抛物线形钢管混凝土无铰拱在竖向均布荷载作用下的平面内稳定性能进行了分析,研究了长细比、矢跨比、含钢率、混凝土强度和钢材强度对拱肋平面内稳定承载力的影响;基于参数分析结果,对现有平面内整体稳定系数公式进行修正,提出了大长细比抛物线形钢管混凝土拱平面内稳定承载力设计公式。结果表明：拱肋稳定承载力随长细比增大显著降低,随矢跨比和含钢率增加近似线性提高。其中,矢跨比对大长细比拱肋影响更为显著,而含钢率对采用高强钢的拱肋影响更大;所提出的设计公式计算结果与有限元分析结果吻合良好,有限元分析结果与公式预测结果比值的均值为1.02~1.08,标准差为0.039~0.051,变异系数为3.74%~4.72%。     

折线形钢箱柱节点受力性能试验研究

对折线形钢箱柱节点进行了1:3缩尺模型力学性能的试验研究和非线性有限元分析。试验研究包括设计荷载作用下的验证试验和极限承载力试验。试验结果表明：在设计荷载作用下,折线形钢箱柱节点始终处于弹性阶段,极限承载力试验中,折线形钢箱柱节点的受力最不利部位为节点水平段与节点下段交接区域,该部位的内转折点处存在应力集中但未发生明显的局部屈曲现象;分析结果表明：有限元计算结果与试验结果吻合良好,从而验证了理论分析与原型结构设计的正确性;因此,在构造合理和焊缝质量优良的前提下,折线形钢箱柱节点可以应用于承重结构中。图16表1参12