大跨度刚性空间钢结构极限承载力研究

摘要

根据大跨度空间钢结构的杆件构成和受力特点，可以分成以下三大类：柔性体系大跨度空间钢结构、刚性体系大跨度空间钢结构和刚柔混合体系大跨度空间钢结构。其中刚性体系大跨度空间钢结构中如网壳结构、拱结构等，构件承受很大的轴向压力，容易引发结构的整体失稳现象。这类结构所具有的突出的结构稳定问题，是本文的研究重点。 本文首先在查阅大量文献的基础上，从计算模型的建立、平衡路径的跟踪、缺陷的影响和试验研究等方面总结了空间钢结构极限承载力的研究历史和研究现状，指出了传统的结构极限承载力验算公式的不足之处，提出了本文的主要工作和内容：如何准确地计算结构的极限承载力和确定结构极限承载力的验算公式。 如何准确地计算结构的极限承载力是本文的研究重点之一。只有对影响结构极限承载力的各种因素有所了解的情况下，才能保证计算模型的正确性和结果的有效性，才能正确评估大跨度空间钢结构的极限承载力。本文从影响结构极限承载力的主要因素入手，归纳了影响结构极限承载力的主要因素，如失稳模态、失稳传播、杆件失稳、体形偏差、节点刚度和大小以及支座形式，并着重研究了杆件失稳、体形偏差和节点刚度的影响。在此基础上，提出了一个确定空间钢结构的极限承载力的建议步骤。 杆件失稳后引起内力重分布，使失稳区域向外扩展传播，是诱发结构的整体失稳的主要原因。因此，有效的压杆模型是准确计算结构极限承载力的关键。本文详细论述了几种常见的用于计算和模拟轴心受压构件后屈曲行为和滞回行为的力学模型和方法，并且基于塑性铰模型的原理重新推导了一个更加合理的压杆力学模型，并通过对数值算例的分析验证了压杆力学模型的有效性。 对整个空间结构的极限稳定性能来说，实际结构的形状安装偏差(体形缺陷)是一个起主要影响的初始缺陷。本文基于压杆力学模型，分析了单层网壳结构的缺陷敏感性，重新认识了初始几何缺陷的影响，并就如何模拟初始缺陷和初始缺陷如何取值提出了一些建议。 节点刚度是影响结构极限承载力的主要因素之一，但要区分对待不同的结构体系和失稳类型。 如何确定结构极限承载力的验算公式是本文的另一个研究重点。目前基于概率可靠度理论进行结构设计时，承载力的验算一般只针对结构构件，很少涉及整体结构。本文尝试用可靠度理论就如何验算空间钢结构的极限承载力进行了初步探讨，提出了用分项系数表达的空间钢结构极限承载力的验算公式。通过数值算例结果的比较分析表明，基于可靠指标和分项系数得到的空间钢结构的极限承载力设计值是合理的。 最后本文给出了主要的研究结论和今后有待进一步深入研究的工作。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2空间钢结构极限承载力的研究历史与现状

1.2.1计算模型

1.2.2平衡路径的跟踪

1.2.3缺陷的影响与分析

1.2.4试验研究

1.3空间钢结构的极限承载力验算公式

1.3.1 Kollar和Dulacska推荐的钢网壳结构极限承载力验算公式

1.3.2胡学仁推荐的验算公式

1.3.3尹德钰推荐的验算公式

1.3.4技术规程建议的验算公式

1.4存在的问题和本文的任务

1.4.1存在的问题

1.4.2本文的主要工作

第二章空间钢结构极限承载力的分析模型

2.1引言

2.2目前常用的结构计算模型

2.3建议采用的结构计算模型

2.4常用的杆件力学模型

2.4.1压杆的全过程受力曲线

2.4.2压杆模型的计算方法和力学模型

2.5本文建议的压杆模型

2.6数值算例

2.6.1单层网壳结构一

2.6.2单层网壳结构二

2.6.3单层网壳结构三

2.6.4单层网壳结构四

2.6.5网架模型试验

2.7小结

第三章空间钢结构的失稳行为研究

3.1引言

3.2空间结构失稳实例分析

3.3影响结构稳定的因素

3.3.1失稳传播

3.3.2失稳模态

3.3.3杆件失稳

3.3.4节点刚度和大小

3.3.5体形缺陷

3.3.6支座形式

3.4小结

第四章空间钢结构极限承载力的计算方法建议

4.1引言

4.2空间钢结构极限承载力确定方法概述

4.3计算结构极限承载力时需考虑的几个因素

4.3.1如何建立数学模型

4.3.2如何考虑节点刚度

4.3.3如何模拟几何缺陷分布

4.3.4几何缺陷的幅值如何确定

4.3.5平衡路径跟踪方法的选择

4.4空间钢结构极限承载力qcr的确定

4.5数值算例

4.5.1算例一

4.5.2算例二

4.6小结

第五章空间钢结构极限承载力的验算公式建议

5.1引言

5.2影响结构极限承载力不定性的统计分析

5.2.1结构构件材料性能的不定性

5.2.2结构构件几何参数不定性

5.2.3计算模式的不定性

5.2.4结构抗力的不定性

5.3荷载不定性和目标可靠度的选取

5.3.1荷载的不定性

5.3.2目标可靠度的选取

5.4空间钢结构极限承载力的验算公式

5.4.1结构可靠度计算方法简介

5.4.2空间钢结构极限承载力的验算公式建议

5.5算例分析

5.5.1算例一

5.5.2算例二

5.6与网壳规程有关计算网壳极限承载力方法的讨论

5.7小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果