悬挑桁架的稳定性及关键节点承载力研究

西安火车站(改扩建)东配楼项目是西安站改工程的重要组成部分。针对外伸式层间桁架的安全性问题,分别进行了线性状态及考虑初始缺陷状态下结构的平面外稳定分析,结果表明结构在材料破坏前不会发生面外失稳,结构极限承载力由其强度控制。通过构建相应的悬挑桁架关键节点的有限元分析模型,获得节点在复杂受力状态下的抗力水平。分析表明,在大震下各节点域混凝土受拉破坏,部分钢筋屈服,内部型钢处于弹性工作阶段,满足大震不坏的设计要求。此次专项研究表明:通过线性稳定分析确定结构的最不利失稳模态,根据一致缺陷模态法将初始缺陷施加于结构当中,可以有效地评价结构的稳定性;节点精细化分析可以较好地把握结构的微观破坏过程,尤其是受力、空间关系错综复杂的连接节点,研究结果是符合工程实际的。     

世博轴阳光谷钢结构稳定性分析

世博轴阳光谷单层空间网格结构曲面形状复杂、几何尺度大、悬挑跨度大,其整体稳定性是结构分析与设计中的关键问题之一。分析以特征值屈曲模态作为初始几何缺陷分布形式的合理性,通过非线性有限元分析系统考察了阳光谷单层网格结构的整体稳定性能,并研究了单根杆件失稳对结构整体极限承载力的影响。分析结果表明：几何非线性以及几何、材料双重非线性临界屈曲承载力均满足相关规范要求,阳光谷钢结构具有良好的整体稳定性;阳光谷钢结构对几何初始缺陷不敏感,阳光谷上由索膜结构传来的索拉力可进一步降低其缺陷敏感性;局部杆件的失稳退出工作并不会导致结构整体承载力的突然丧失,整体结构具有良好的承载能力。图7表6参7     

初始几何缺陷对大跨张弦桁架结构整体稳定的影响研究

张弦桁架结构在大跨空间结构中应用越来越广泛,如何确保此类结构的整体稳定性是钢结构领域面临的重要课题。首先以某185 m跨张弦桁架柱面煤棚为背景,分析了满跨活荷载、半跨活荷载和风荷载作用下不同初始缺陷对该结构整体稳定性能的影响,发现在该结构设计中,以理想结构的静力失稳模态作为结构的初始几何缺陷,比"一致缺陷模态法"对结构的整体稳定性有更显著的影响。再建立跨度为120,140,160,180,200 m的类似柱面张弦桁架模型并分别分析其整体稳定性。研究结果表明:此类张弦桁架结构对初始缺陷不敏感,静力失稳模态作为初始缺陷与一阶模态相比更加不利。     

杭州保税区拱形大门整体稳定性分析

杭州保税区大门跨度74m,结构形式为由3个在不同平面的拱组成的整体空间结构。利用有限元软件ABAQUS对工程进行了系统的整体稳定性分析。分析结果表明,结构平面外失稳为结构的第1阶失稳模态;完善结构的屈曲分析中可以引入扰动荷载以跟踪结构的二次分叉屈曲失稳路径;初始缺陷和活荷载的不利布置都对结构的极限承载力产生了较大影响。通过分析得到结构的整体稳定安全系数为3.5。     

大跨度异形拱桥全桥受力行为及稳定性分析

为了研究大跨度异形拱桥全桥的整体受力及稳定性,通过有限元分析软件Midas Civil设置不同的工况对全桥的受力特性和稳定性进行分析。研究结果表明：主要承重构件梁和拱的最大弯曲应力出现在承载能力极限状态下的工况中,吊杆应力最大值多出现在靠近拱脚处的吊杆之中;活载作用对主梁与拱肋部位的下挠值起控制作用;稳定性分析表明,全桥结构的第1阶模态失稳特征值为10.9,失稳模态为面外反对称失稳,大桥的稳定性较好。     

折板网壳结构整体稳定分析中最不利初始几何缺陷的探讨

网壳结构整体稳定分析中有三种几何缺陷分析方法,但哪种为最不利缺陷分布一直没有定论。本文以南阳玉器超市屋顶网壳结构为工程背景,对该双层折板网壳结构整体稳定性分析中最不利初始几何缺陷进行了研究。首先对完善结构进行模态分析,然后以各阶模态作为初始几何缺陷分布模态,再对结构进行整体稳定性分析,比较分析哪一阶模态最不利,再将该阶最不利模态与静力失稳模态进行对比。分析结果表明,按第9阶模态施加缺陷比按第1阶模态和按静力失稳模态施加缺陷更为不利。     

盱眙体育馆屋盖结构设计

盱眙体育馆钢屋盖采用了轻巧的预应力张拉钢桁架结构体系,结合初始态张拉分析及静力性能分析,提出了合理运用张拉预应力的方法。通过动力性能及特征值屈曲分析找出结构的相对薄弱环节;几何非线性整体稳定分析中考虑了初始缺陷的影响,计算结果表明结构不会发生整体失稳和局部失稳。对拉索锚固的关键节点进行弹塑性分析表明,节点具有良好的力学承载性能。     

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.     

矢跨比对弦支穹顶整体稳定性的影响

随着弦支穹顶在我国的逐步应用,其整体稳定问题日益突出.以两种矢跨比弦支穹顶为例,得出不同矢跨比弦支穹顶的缺陷敏感性规律.研究表明:进行特征值分析时,应不断调整外部荷载使结构的第一阶特征值为1.0,否则将产生虚假的特征值和屈曲模态,以及对结构的极限承载力的过高估计;矢跨比为1/10的弦支穹顶为缺陷敏感性结构,预应力的引入不足以改变其初始后屈曲性状,应严格执行网壳规范对其进行分析;矢跨比为1/15的弦支穹顶为缺陷不敏感结构,但在计算时结构不会自动进入分支路径,应以其特征值为参照,判断其失稳类型,并加入初始扰动使其进入分支路径.     

某机场航站楼拱壳钢屋架稳定性分析

稳定性分析是网壳结构分析中的重要内容。文中网壳为拱梁与单层网壳形成的组合空间结构,结构形式较为复杂。利用有限元程序对该网壳进行了整体稳定分析。首先对该结构的两种模型进行了特征值屈曲分析,比较了两种模型的结果,预测结构的理论屈曲强度;然后考虑网壳的屈曲模态,考虑一致缺陷模态法并引入不同的结构初始缺陷,对结构进行非线性有限元全过程跟踪分析,初步了解该网壳结构失稳的一般规律。     

南太湖湿地奥体公园体育场屋盖钢结构设计

南太湖湿地奥体公园体育场外形如同百合花,采用叠合开口双层网壳结构体系,由高低两个屋面叠合而成。屋盖钢结构与下部钢筋混凝土看台部分完全脱开,全都支承在标高6.500m的观众室外平台上。在屋盖悬挑端设置观光走廊。由于屋盖钢结构中间开椭圆形洞口,周边六个入口部分同样对屋盖有削弱作用,所以高低屋面各自单独受力时无法满足承载要求,必须通过高低屋面之间的腹杆将之连接成一个整体受力。分别介绍了内力分析、特征值屈曲分析、几何非线性分析、几何材料双重非线性分析、以及典型相贯节点有限元分析的结果,考虑了半跨活荷载的不利影响。分析表明,该屋盖钢结构具有较好的整体稳定性;对于初始缺陷不敏感;当网壳的最大竖向位移超过1m后,较多杆件进入屈服状态,需要通过双重非线性分析才能获得接近实际的稳定承载力。     

Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能研究

为研究高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性能,对5个国产Q460钢材焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究。试验对试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。基于试验结果,分析了该类钢柱的失稳破坏形态和整体稳定承载力,建立了有限元分析模型并对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：试件破坏模态均为整体弯曲失稳形态,大部分试件稳定承载力高于规范设计值;有限元分析模型能够准确地考虑几何初始缺陷和残余应力的影响,计算结果与试验结果吻合良好;通过与国内外钢结构设计规范的对比,提出了国产Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定设计的建议方法,即可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计,而不需要按板件宽厚比大小进行分类。     

变截面H型钢柱相关屈曲性能研究

采用板壳单元离散变截面H型钢柱,并同时考虑构件整体与局部初始缺陷、残余应力、材料屈服、几何非线性等因素的影响。根据数值分析的结果,重点研究了腹板宽厚比、腹板楔率、翼缘宽厚比、长细比等参数对板件局部屈曲与构件整体稳定的影响,总结了压力作用下变截面H型钢柱局部屈曲、整体屈曲和相关屈曲的发展过程以及影响因素。     

460MPa高强钢柱整体屈曲性能:试验研究及设计方法

受压柱的整体屈曲性能是钢结构研究的重要课题之一,尤其是近几年来应用越来越多的高强钢。对460MPa高强受压构件的整体屈曲性能进行试验研究。对包括焊接箱形截面和I形截面的12根钢柱进行试验。测量构件的残余应力、初弯曲和加载偏心率等初始缺陷。结合试验结果研究其屈曲变形和屈曲承载力。建立有限元模型,并与当前及以往研究中考虑初始缺陷的试验数据进行对比。采用经过验证的模型对大量不同截面尺寸和不同长度的柱的屈曲承载力进行估算,并将计算结果与其他钢结构规范的设计值进行对比。结果表明:460MPa高强钢柱,其无量纲屈曲强度与普通强度钢柱相比明显提高,并给出了相应的柱曲线和设计公式。     

石家庄国际会展中心双向悬索结构整体稳定性分析

石家庄国际会展中心项目建筑造型新颖别致,富有艺术表现力,结构体系复杂,采用了双向悬索结构体系,其中纵向主承重采用自锚式悬索结构,横向次承重采用双层索桁架结构,传力方式特殊,为增大屋盖平面内刚度,还设有水平交叉支撑。以石家庄国际会展中心C厅结构为研究对象,进行了线性屈曲和非线性屈曲分析。研究了初始缺陷分布模式、荷载分布形式以及初始缺陷值的大小对结构整体稳定的影响。研究表明：初始缺陷的分布模式对石家庄国际会展中心结构的整体承载力影响不大;荷载分布形式对结构的整体承载力有较大的影响;初始缺陷值在结构跨度的1/300以内时,结构整体承载力损失不大,但当其增大至1/100结构跨度时,结构的整体承载力显著下降;该结构具有良好的整体稳定性,线性屈曲及双重非线性荷载因子均满足规范要求。     

Overall buckling behavior of 460 MPa high strength steel columns: Experimental investigation and design method

Overall buckling behavior of compression columns is one of the most important research subjects in steel structures, especially for high strength steel which has been increasingly applied in recent years. An experimental investigation was carried out to study the overall buckling behavior of 460 MPa high strength steel compression members. Totally twelve columns including welded box and I-sections were comprised. The initial imperfections such as the residual stress, initial bending and loading eccentricity were all measured. Based on experimental results the buckling deformation and capacity were investigated. A finite element model was established and further validated by comparing with the test data in both present study and other previous researches, in which initial imperfections were taken into account. A large number of columns with various section dimensions and lengths were calculated by using the validated model, and their buckling capacities were compared with design values according to different steel structures specifications. It was found that the nondimensional buckling strength of such 460 MPa high strength steel columns were significantly improved compared to normal strength steel columns, and corresponding column curves and design formulae were suggested.     

New method of inelastic buckling analysis for steel frames

In general, the concept of bifurcation stability cannot be used to evaluate the critical load of typical steel frames that have geometric imperfections and primary bending moment due to transverse loads. These cases require a plastic zone or plastic hinge analysis based on the concept of limit-load stability instead. However, such analyses require large computation times and complicated theories that are unsuitable for practical designs. The present paper proposes a new method of inelastic buckling analysis in order to determine the critical load of steel frames. This inelastic analysis is based on the concept of modified bifurcation stability using a tangent modulus approach and the column strength curve. Criteria for an iterative eigenvalue analysis are proposed in order to consider the primary bending moment as well as the axial force by using the interaction equation for beam-column members. The validity and applicability of the proposed inelastic buckling analysis were evaluated alongside elastic buckling analysis and refined plastic hinge analysis. Simple columns with geometric imperfections and a four-story plane frame were analyzed as benchmark problems. The results show that the proposed inelastic buckling analysis suitably evaluates the critical load and failure modes of steel frames, and can be a good alternative for the evaluation of critical load in the design of steel frames.     

高强度钢材轴心受压钢柱整体稳定性能的缺陷影响研究

为研究高强度钢材轴心受压构件的整体稳定受力性能,了解构件的几何初始缺陷和截面残余应力对其屈曲强度和失稳变形的影响,以及与普通强度钢材轴压杆相比高强度钢材柱的整体稳定性能对缺陷敏感性的变化,采用有限元方法进行数值模拟计算,通过变换几何初始缺陷系数、残余应力数值大小和钢材强度等参数,对计算结果进行对比分析。研究结果表明,随着钢材强度的提高,高强度钢材轴压杆的整体屈曲强度对初始缺陷的敏感性明显降低,特别是对残余应力分布的敏感性;此外,初始缺陷的影响还与构件的长细比有直接关系。研究工作进一步揭示了高强度钢材轴压柱整体稳定性能的特点和优势。     

Q460高强钢焊接工字形截面简支梁整体稳定性能与设计方法研究

为研究Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的整体稳定性能,对跨中无侧向支撑的3个双轴对称和6个单轴对称焊接工字形截面简支梁进行了整体弯扭屈曲试验。实测了试件的截面残余应力和初始几何缺陷,并分析其整体弯扭屈曲变形特征和稳定承载力。建立考虑残余应力和初始几何缺陷的有限元模型对简支梁受力进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,基于试验验证的有限元模型计算了大量不同截面尺寸和跨度的Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的整体稳定承载力。将试验和有限元参数分析结果与GB 50017—2017《钢结构设计标准》、JGJ/T 483—2020《高强钢结构设计标准》、欧洲规范EN 1993-2005和美国规范ANSI/AISC 360-2016的简支梁整体稳定系数公式的计算结果进行比较,结果表明GB 50017—2017和ANSI/AISC 360-2016的计算结果偏于不安全,EN 1993-2005的计算结果过于保守,JGJ/T 483—2020的计算结果偏于安全且最为接近。最后,在JGJ/T 483—2020的简支梁整体稳定系数计算公式基础上引入增大系数,并根据截面高宽比的不同,取用不同的长细比指数对该公式予以修正,修正后的公式更适用于Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的设计计算。     

Random imperfection method for stability analysis of a suspended dome

The traditional eigenvalue buckling mode method used for the stability analysis of suspended domes has been deemed unsafe and unreasonable. A random imperfection method is proposed in this paper that is suitable for the stability analysis of suspended domes. Using this method, the impact of initial imperfections, such as joint position deviation, eccentricity of members, variation in cable pretension and elastic modulus of materials, on the stability of nonlinear geometries as well as the stability of both nonlinear geometries and materials (i.e., ultimate bearing capacity) are studied. The analysis results using this method are compared to those obtained from the traditional eigenvalue buckling mode method. This study indicates that the random imperfection method can more reasonably demonstrate the impact of initial imperfections on the stability of suspended domes. Additionally, the shape and size of the initial imperfections applied by the random imperfection method are more reasonable, and the results are safer. The random imperfection method is successfully used in the stability analysis of a large-span suspended dome, and the results of this method are nearly equivalent to that of the model test, which verifies the method.