钢结构交错桁架体系的弹塑性全过程分析理论与试验研究

摘要

交错桁架结构体系是钢结构中的一种新型承重结构体系,国外对这种体系进行了一定的理论分析,并也有了一些工程实践.但当将这类结构体系运用到高层建筑中时,如何考虑结构变形对内力的影响、如何判定结构的极限承载力,对于这类体系的设计具有重要的指导作用,而国内外在这方面的研究尚属空白.该文结合教育部科学技术研究重点项目(项目号99089),和国家自然科学基金(批准号50078021)、高校博士点基金(批准号2000053203)等资助项目,首次对交错桁架结构体系展开空间三维的二阶弹塑性全过程分析和模型试验研究,旨在为该结构在工程中的应用提供设计依据,为中国制定《轻型房屋钢结构技术规程》提供理论基础.该论文主要完成了以下工作:首先,根据连续介质力学理论构造出的交错桁架结构空间单元的几何刚度矩阵和弹塑性刚度矩阵,算例分析表明这些矩阵能准确地计算出结构的空间二阶效应和空间单元弹塑性杆端力增量,计算结果具有良好的精度.其次,通过对交错桁架结构的一些算例对比,得到了该结构一些带规律性的结论,这是国内首次对交错桁架体系进行空间三维的弹塑性全过程分析.第三,为方便工程设计,该文首次提出了交错桁架结构体系考虑空间整体二阶效应的简化设计方法,该方法的优点是能用修正后的空间一阶分析的结果来反映结构考虑二阶效应后的响应,具有较强的可操作性.最后,该文还进行了试验研究,这是国内外对高层交错桁架体系的首次模型试验研究.试验结果与理论分析结果吻合良好,这说明在理论分析中选用楼板平面内无限刚性的模型是可行的.同时试验现象也表明,楼板在协调相邻两榀桁架共同工作时起了重要的作用,其水平剪力在楼板中的传递是通过楼板中的拉力场来实现.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2交错桁架结构体系的组成和特点

1.3交错桁架结构体系的研究与应用现状

1.4钢框架结构的双重非线性分析

1.5本文研究的主要内容

第二章三维连续体有限变形理论基本方程和弹塑性增量理论的有限元方法

2.1引言

2.2几种坐标描述方式与符号约定

2.3应变张量

2.4应力张量

2.5三维虚功增量方程

2.6弹塑性增量理论的有限元数值方法

2.7小结

第三章交错桁架结构体系空间二阶弹塑性全过程分析理论

3.1引言

3.2基本假定

3.3交错桁架结构空间杆单元的广义增量平衡方程

3.4交错桁架结构空间杆单元的几何非线性刚度方程

3.5交错桁架结构空间杆单元的弹塑性刚度方程

3.6坐标变换

3.7交错桁架结构空间二阶弹塑性刚度方程的建立和求解

3.8弹塑性杆端力增量的计算

3.9内力屈服面

3.10程序编制

3.11算例与数值分析

3.12小结

第四章交错桁架结构空间静力工作性能研究

4.1引言

4.2交错桁架结构在水平荷载作用下考虑空间工作的基本原理

4.3不同桁架形式对结构受力性能的影响

4.4交错桁架结构体系二阶效应的影响因素分析

4.5交错桁架结构极限承载力的影响因素分析

4.6交错桁架结构与钢框架结构的对比分析

4.7小结

第五章交错桁架结构体系设计方法研究

5.1引言

5.2交错桁架结构体系考虑整体二阶效应的简化设计方法

5.3数值分析

5.4交错桁架结构设计条文建议

5.5小结

第六章交错桁架结构的模型试验分析

6.1引言

6.2材性试验

6.3交错桁架结构模型设计

6.4试验结果分析及其与有限元的比较

6.5小结

结论

致谢

参考文献

附录A-刚度矩阵

附录B-在学期间的科研成果及发表文章