多边形钢塔架局部模型稳定性研究

摘要

钢塔架结构是钢结构建筑领域的重要组成部分，自上个世纪70年代以来，钢塔架结构在我国广播电视、输电线路、旅游观光等领域得到广泛应用，经过近50年的快速发展，钢塔架结构的应用范围和使用数量不断扩大，发展前景广阔。 钢塔架结构具有高度较大、横截面较小、自重较轻的特点，其通常是正多边形布置，由塔柱和腹杆组成，布置形式灵活多样。作为一种典型的杆系钢结构形式，其塔柱和腹杆长细比较大，因此稳定性问题是成为钢塔架结构设计过程中的关键因素。 传统钢塔架结构的平面形式多局限在三角形、四边形，但随着社会发展，为满足更多的建筑美观需求，塔架结构的形式出现了边数大于四边的正多边形情况，这种新型塔架结构形式随着多边形边数的增加，塔架平面形式越来越接近圆形，支撑塔柱的腹杆之间的夹角越来越大，塔架结构中部透空的情况下，塔柱的径向约束不足，易发生径向失稳，这种情况下的失稳类似于平面桁架的平面外失稳，而平面外的整体稳定性往往是结构极限承载力的决定因素。 本文首先针对多边形钢塔架典型形式，选用空间弹性支撑下的轴压圆钢管作为研究模型，通过空间坐标系下的矩阵位移法推导出支撑点在失稳方向上的刚度系数，再通过平面弹性支撑下压杆临界荷载计算公式，得到空间弹性支撑下压杆临界荷载计算方法。 其次，对上述研究模型进行空间弹性支撑条件下圆钢管稳定承载力试验研究，探究提供空间弹性支撑条件下，圆钢管在弹性范围内失稳方向、失稳形式、临界荷载与支撑杆支撑角度、支撑刚度之间的关系。 再次，对上述研究模型进行空间弹性支撑条件下圆钢管稳定承载力有限元分析，利用特征值屈曲分析方法，得到对应于试验各模型的受压杆件临界荷载，并将有限元计算结果与试验结果进行对比分析，再使用经试验验证的有限元模拟方法，得到更多模型的有限元计算结果，并通过有限元计算结果验证理论计算方法的正确性。 最后，结合松滋电视塔工程实例，从中选取与本文研究模型近似的局部模型，采用本文推导出来的计算方法，对局部模型的临界荷载进行计算，并与工程计算书中最不利风荷载作用下的内力值进行对比，结果表明，基于本文研究模型分析，该工程塔柱稳定性设计安全。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 规范相关规定

1.2.2 实际工程中采用的设计方法

1.2.3 国内外研究现状

1.3 目前研究的不足

1.4 本文研究的主要内容

2 空间侧向弹性支撑下的压杆临界荷载理论分析

2.1 稳定理论的研究和发展

2.2 稳定理论的重要概念

2.2.1 稳定分析的三种平衡状态

2.2.2 稳定分析的两种判断准则

2.2.3 稳定分析的两种体系

2.2.4 稳定分析的两种失稳形式

2.2.5 稳定分析的两种计算理论

2.3 平面弹性支撑下的压杆临界荷载计算方法

2.4 空间弹性支撑下的压杆模型临界荷载计算推导

2.5 本章小结

3 空间侧向弹性支撑下的圆钢管稳定性试验研究

3.1 试验目的

3.2 试验设计

3.2.1 试验场地

3.2.2 试验模型设计

3.2.3 加载装置设计及加载方案

3.2.4 采集设备及数据处理方案

3.2.5 试验模型编号

3.3 采用刚接支座的圆钢管稳定性试验现象及结果分析

3.3.1 各模型试验现象及荷载-位移曲线

3.3.2 各模型临界荷载试验值

3.4 采用铰接支座的圆钢管稳定性试验现象及结果分析

3.4.1 各模型试验现象及荷载-位移曲线

3.4.2 各模型临界荷载试验值

3.5 试验结果汇总及原因分析

3.5.1 各模型临界荷载试验值对比

3.5.2 不同支座情况下的试验失稳形式对比及原因分析

3.6 本章小结

4 空间侧向弹性支撑下的圆钢管稳定性有限元分析

4.1 有限元模型

4.1.1 模型参数

4.1.2 模型建立

4.2 特征值屈曲分析

4.2.1 特征值屈曲分析方法原理

4.2.2 特征值屈曲分析方法适用范围

4.3 有限元计算与试验结果对比分析

4.3.1 屈曲模态对比分析

4.3.2 临界荷载结果对比分析

4.4 有限元计算与理论计算结果对比分析

4.4.1 更多支撑角度模型的计算结果对比分析

4.4.2 更多支撑刚度模型的计算结果对比分析

4.5 本章小结

5 松滋电视塔工程实例分析

5.1 松滋电视塔工程概况

5.2 局部模型选取

5.3 计算结果对比

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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