抛物线拱结构稳定性及抗震性能分析

摘要

拱形结构是一种受力比较合理的结构形式。与弯剪结构相比，拱结构具有跨度大、承载力高、截面尺寸小、变形小的优点，因此拱结构在机械、宇航工程和土木等领域应用广泛。但随着跨度的不断增大，拱截面尺寸也越来越大、形状也更加复杂多样，拱设计得是否合理，直接影响着拱的承载能力、稳定性和自重，因此合理地设计出具有足够稳定性的拱结构有着非常重要的意义，本文以倒梯形抛物线拱结构为例，利用有限元法对拱结构进行弹塑性稳定性分析;另一方面，因为大跨度拱结构动力特性比较复杂，地震响应影响因素众多，所以利用有限元法对拱结构进行抗震分析。
　　 以倒梯形抛物线拱结构为例，运用有限元软件ANSYS，对承受径向均布荷载、竖向均布荷载和跨中集中荷载的倒梯形抛物线拱进行平面内及平面外稳定承载力研究。使用弧长法对拱结构平面内屈曲荷载—位移平衡路线及平面外屈曲荷载—位移平衡路线进行全过程跟踪研究。分析抛物线拱结构在不同矢跨比和拱脚条件下发生弹塑性屈曲的规律，分析中考虑材料非线性、矢跨比和初始几何缺陷等因素的影响。
　　 拱结构的自振特性是由系统结构的类型、刚度、质量分布、材料性质和连接构造等多种因素决定，矢跨比和连接构造不同的拱结构其自振特性也有很大差异，因此对抛物线拱结构进行模态分析，通过改变抛物线拱结构的矢跨比和支承形式，分析其对结构自振周期的影响。
　　 利用反应谱法和时程分析法对抛物线拱结构进行地震响应分析，计算过程中分别对拱结构施加水平横向、水平纵向、水平横向加竖向和水平纵向加竖向地震波，讨论不同矢跨比、连接构造对位移响应的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 钢拱稳定性国内外研究现状

1．2．1 钢拱平面内稳定性能研究

1．2．2 钢拱平面外稳定性能研究

1．3 抗震设计的发展

1．4 抗震设计方法概述

1．4．1 弹性静力法

1．4．2 非线性静力Pushover分析方法

1．4．3 反应谱法

1．4．4 时程分析法

1．5 本文研究内容

第2章 拱稳定问题求解方法

2．1 影响拱稳定的因素及分类

2．2 第一类稳定问题理论分析

2．2．1 梁单元的非线性几何方程

2．2．2 梁单元刚度矩阵推导过程

2．2．3 第一类稳定问题的特征方程

2．3 第二类稳定问题分析

2．3．1 几何非线性分析

2．3．2 材料非线性分析

2．4 本章小结

第3章 拱结构弹塑性稳定性分析

3．1 ANSYS稳定性分析理论

3．1．1 概述

3．1．2 ANSYS非线性屈曲分析步骤

3．1．3 单元选择与缺陷的施加

3．2 跨中集中荷载作用下拱的弹塑性屈曲分析

3．2．1 几何初始缺陷的影响

3．2．2 矢跨比及支承形式的影响

3．2．3 跨中集中荷载作用下拱的荷载-位移变化规律

3．3．全跨径向均布荷载作用下拱的弹塑屈曲分析

3．3．1 几何初始缺陷的影响

3．3．2 矢跨比及拱脚形式的影响

3．3．3 径向均布荷载作用下拱的荷载-位移变化规律

3．4 全跨竖向均布荷载作用下拱的弹塑屈曲分析

3．4．1 几何初始缺陷的影响

3．4．2 矢跨比及拱脚形式的影响

3．4．3 竖向均布荷载作用下拱的荷载-位移变化规律

3．5 本章小结

第4章 大跨度空间拱结构抗震性能分析

4．1 大跨度空间拱结构自振特性分析

4．1．1 模态分析的基本理论

4．1．2 拱结构自振特性分析

4．1．3 自振特性的影响因素

4．2 大跨度空间拱结构反应谱分析

4．2．1 反应谱法的原理

4．2．2 ANSYS谱分析过程

4．2．3 地震反应谱的确定

4．2．4 反应谱分析结果

4．3 大跨度空间拱结构时程分析

4．3．1 概述

4．3．2 时程分析法

4．3．3 地震波的选择

4．3．4 时程分析结果

4．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果