大跨度箱形变截面钢拱结构的受力性能研究

摘要

北京首都国际机场3号航站楼是为了迎接2008年奥运会而进行的扩建项目.地面交通中心(GTC)是其重要组成部分之一,屋盖采用大跨箱形变截面圆弧钢拱结构.本论文以该工程为背景,对箱形钢拱结构的静力性能、稳定性能及地震响应进行了较为系统、深入的研究.首先回顾拱结构的应用发展过程以及理论研究背景,然后简单介绍了首都机场扩建工程的基本情况、GTC屋盖结构的形成与结构方案,以及实际工程中所考虑的荷载取值.结合实际工程的拱脚节点,将主拱简化为双铰拱.对该一次超静定结构,求解其在竖向均布荷载作用下的静力解,推导了拱的平面内屈曲和平面外屈曲的基本公式,并通过算例比较了面内屈曲和侧倾的理论解和数值分析结果.将整体结构中的13榀拱,根据其跨度大小和所处位置分成四组,对每组中跨度最大的拱进行单拱结构的分析.在内力分析、特征值屈曲分析的基础上,通过几何非线性分析成功跟踪了单拱的极限屈曲(跳跃屈曲)和分支屈曲全过程平衡路径.考察了单拱的初始缺陷敏感性,并将变截面拱与相应的等截面拱进行了比较.比较了整体结构的几种方案,确定采用不设缝的箱板结构作为本文分析的对象.对该方案进行了详细的内力分析、特征值屈曲分析和几何非线性分析,并考察了初始几何缺陷的影响.分析表明,结构对初始缺陷十分敏感,缺陷的存在会导致结构稳定承载能力显著降低.此外,对承受不对称荷载作用的结构,引入特征值屈曲模态作为初始几何缺陷进行缺陷敏感分析时,应考虑缺陷分布形式与外荷载之间的关系,否则所选择的缺陷形式可能反而对结构是有利的.分析了结构的自振特性,利用反应谱法和时间历程法研究了结构在常遇地震作用下的抗震性能,得到了整体结构的动内力分布规律.同时比较了这两种方法所得到的结果.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1概述

1.2拱的稳定

1.3本文的工程背景

1.3.1北京首都国际机场3号航站楼

1.3.2地面交通中心(GTC)

1.3.3荷载取值

1.4本文的主要工作

参考文献

第二章拱内力与屈曲荷载的解析解

2.1概述

2.2圆弧双铰拱的静力解

2.3拱的稳定

2.3.1拱的平面内屈曲基本方程

2.3.2拱的平面外屈曲基本方程

2.4算例

2.4.1面内屈曲

2.4.2侧倾

2.5本章小结

参考文献

第三章单拱稳定的数值分析

3.1概述

3.2主拱截面尺寸

3.3拱A的梁单元模型分析

3.3.1静力计算结果

3.3.2线性屈曲分析

3.3.3几何非线性分析

3.3.4平面外分支屈曲

3.3.5缺陷对稳定性的影响

3.3.6与等截面拱的比较

3.4拱A的板单元模型分析

3.5其他拱的计算结果

3.6本章小结

参考文献

第四章整体结构的内力与稳定分析

4.1概述

4.2结构方案比较

4.2.1结构方案简介

4.2.2构件截面尺寸

4.2.3计算结果比较

4.3内力分析

4.4线性屈曲分析

4.5几何非线性分析

4.6本章小结

参考文献

第五章整体结构的地震响应分析

5.1概述

5.2结构自振特性分析

5.2.1基本理论

5.2.2自振特性

5.3结构地震响应的反应谱分析

5.4结构地震响应的时间历程分析

5.4.1地震波的输入

5.4.2时程分析结果

5.5反应谱分析和时间历程分析结果比较

5.6本章小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1本文主要结论

6.2进一步工作的展望

致谢