预应力撑杆柱索撑节点数值模拟和试验研究

摘要

预应力撑杆柱中通过对拉索施加预应力对中心柱提供侧向支撑，减小中心柱的计算长度，从而达到提高其稳定承载力的目的。索撑节点作为预应力撑杆柱结构体系中的关键部位，对其研究不够充分。
　　针对连续式和间断连续式索撑节点预应力撑杆柱，采用试验研究与有限元分析相结合的研究方法，以索撑节点处拉索的摩擦和滑移为重点，提出面面接触正交各向异性索模型和线面接触模型来模拟索撑节点，并基于预应力撑杆柱索撑结构体系进行了索力、等效摩擦力和滑移量等方面的对比，主要研究工作和相应结论如下：
　　（1）连续式和间断连续式预应力撑杆柱试验研究
　　分别对连续式和间断连续式索撑节点预应力撑杆柱进行预应力施加阶段和外荷载施加阶段的试验，并分别对预应力撑杆柱关键部位进行位移增量测量、应变测量和索力测量。
　　预应力施加阶段，连续式和间断连续式预应力撑杆柱索力、中心柱和撑杆应力均随着预应力的增加呈线性增加；两种模型均会产生一定的滑移。外荷载施加阶段，两种预应力撑杆柱索力和撑杆应力均呈线性减小，中心柱应力呈线性增加；对于连续式预应力撑杆柱，相同的外荷载下，预应力越大，滑移量越小；相同的外荷载增量，预应力越小，滑移量增加越多。
　　（2）预应力撑杆柱有限元建模
　　在试验研究的基础上，对连续式索撑节点和间断连续式索撑节点预应力撑杆柱进行有限元建模，进行预应力施加阶段和外荷载施加阶段的有限元分析，并将模拟结果与试验结果进行索力和应力对比分析，证明：采用beam188单元模拟撑杆和中心柱、用link10单元模拟非实体索、用solid185单元模拟索撑节点各组成部分是正确的；非实体索和实体索的耦合约束，撑杆与索撑节点处的耦合约束是可行的。
　　预应力施加阶段和外荷载施加阶段，连续式和间断连续式预应力撑杆柱索力和中心柱轴力模拟值和试验值变化趋势一致；两个阶段索撑节点处各部分最大应力值出现位置和变化趋势与理论相符合。
　　（3）索撑节点有限元模拟方法
　　在有限元建模论证的基础上，对索撑节点模拟新方法进行了相关探讨。采用正交各向异性索模型和线面接触单元进行了数值模拟，并对不同模型模拟索力、滑移、等效摩擦力和应力方面的效果进行了对比。
　　面面接触正交各向异性索的径向柔性大于面面接触各向同性索。相同的预应力下，面面接触正交各向异性索模型滑移量大于面面接触各向同性索，本文中前者是后者的5~7倍；前者的等效摩擦力大于后者的等效摩擦力。线面接触各向同性索模型模拟效果较差，线面接触正交各向异性索模型模拟相对较好。总体上，面面接触正交各向异性索模型模拟效果较好。
　　对算例进行了特征值屈曲分析，对比分析了异性索模型和同性索模型的屈曲荷载和屈曲模态，说明了异性索模型模拟方法的实际应用价值。
　　（4）稳定承载力分析
　　推导了连续式预应力撑杆柱稳定承载力公式，进一步完善了撑杆柱理论体系。列举算例，将连续式撑杆柱稳定承载力理论计算结果、异性索和同性索模型分析结果以及间断式撑杆柱模型分析结果进行了对比，验证了数值模拟方法的正确性。

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第1章 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.2 索撑节点国内研究现状

1.3 索撑节点国外研究现状

1.4 本课题来源和主要工作

第2章 预应力撑杆柱试验研究

2.1 引言

2.2 试验方案

2.3 连续式预应力撑杆柱试验分析

2.4 间断式预应力撑杆柱试验分析

2.5 本章小结

第3章 预应力撑杆柱有限元建模

3.1 引言

3.2 多尺度建模理论

3.3 预应力撑杆柱有限元建模

3.4 预应力撑杆柱预应力施加阶段数值分析

3.5 预应力撑杆柱外荷载作用下数值模拟

3.6 本章小结

第4章 索撑节点数值模拟方法

4.1 引言

4.2 正交各向异性索模型

4.3 线面接触同性索模型

4.4 线面接触正交各向异性索模型

4.5 节点模拟方法应用

4.6 本章小结

第5章 稳定承载力分析

5.1 引言

5.2 稳定承载力理论公式推导

5.3 稳定承载力对比

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

学术论文

致谢