两铰抛物线钢拱平面内稳定性研究

摘要

拱是一种古老的结构形式，历来受到建筑师和工程师的青睐，钢拱更是由于具有重量轻、强度高、抗震性能好等独有的优点，在土木工程中应用广泛。与钢结构直构件相比，拱表现出的稳定问题十分突出且相当复杂，拱的稳定性是拱结构分析的重点和难点。前人对竖向荷载作用下钢拱稳定性的研究积累了大量的研究成果并且形成了比较系统的理论体系，但是对竖向荷载和水平荷载共同作用下拱的稳定性研究很少，而实际工程中水平方向的风荷载和地震作用也可以经过适当且合理的简化当作水平荷载作用到拱结构上，所以竖向荷载和水平荷载共同作用下拱的稳定性研究具有重要的理论意义和一定的实际意义。
　　本文采用有限元软件ANSYS对同时考虑竖向荷载和水平荷载的两铰抛物线钢拱的平面内稳定性进行研究分析，采用竖向荷载和水平荷载同时加载的方式，对不同参数的两铰抛物线钢拱进行二阶弹性和二阶弹塑性分析，计算中考虑了初始几何缺陷和残余应力的影响。在数值分析的基础上研究了竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线钢拱的平面内失稳破坏机理，分析了弹塑性极限承载力以及弹性极限承载力与弹塑性极限承载力的比值和各参数之间的关系，以竖向荷载和水平荷载共同作用下拱的极限承载力相对于竖向荷载作用时拱的极限承载力降低的百分比为研究对象研究了水平荷载对拱承载力的影响，对竖向荷载形式相同水平荷载形式不同的拱的极限承载力进行了对比分析。
　　本文分析了初始几何缺陷、残余应力、矢跨比和长细比对竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线拱极限承载力的影响。借鉴前人对压弯拱N-M相关关系的研究方法，对不同荷载工况作用下的两铰压弯抛物线钢拱的N-M相关关系进行了研究，并且通过最小二乘法对不同水平荷载集度和竖向荷载集度比值下的N-M相关关系的下包络线进行拟合，得到了相应的N-M相关曲线和N-M相关关系的统一表达式。提出竖向荷载为全跨均布荷载和半跨均布荷载时考虑水平荷载的两铰抛物线压弯钢拱平面内整体稳定承载力设计建议，可供相关设计问题参考应用。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 钢拱平面内稳定问题简介

1．3 钢拱平面内稳定问题的研究现状与存在的不足

1．3．1 研究现状

1．3．2 存在的不足

1．4 研究内容与方法

1．4．1 研究内容与研究对象

1．4．2 研究方法

2 有限元方法和模型

2．1 有限元分析方法

2．1．1 特征值屈曲分析

2．1．2 非线性屈曲分析

2．2 有限元迭代求解方法

2．3 有限元求解收敛准则

2．4 单元类型

2．5 材料本构模型

2．6 几何缺陷和残余应力的施加

2．7 荷载的施加

3 竖向荷载和水平荷载共同作用下拱平面内弹塑性稳定

3．1 概述

3．2 两铰抛物线钢拱平面内失稳破坏机理

3．2．1 竖向全跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．2．2 不同水平荷载集度与竖向荷载集度比值下

3．2．3 竖向半跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．3 两铰抛物线钢拱弹塑性极限承载力

3．3．1 竖向全跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．3．2 竖向半跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．3．3 二阶弹性承载力和二阶弹塑性承载力的比值

3．4 水平荷载对两铰抛物线钢拱竖向弹塑性稳定承载力的影响

3．4．1 竖向全跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．4．2 竖向半跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．5 不同形式水平荷载下两铰抛物线钢拱竖向弹塑性承载力的比较

3．5．1 竖向全跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．5．2 竖向半跨均布荷载和水平荷载共同作用

3．6 小结

4 竖向荷载和水平荷载共同作用下拱稳定承载力设计理论

4．1 概述

4．2 压弯抛物线钢拱平面内稳定承载力影响因素

4．2．1 初始几何缺陷和残余应力的影响

4．2．2 矢跨比和长细比的影响

4．3 两铰抛物线钢拱平面内稳定承载力

4．3．1 研究思路

4．3．2 两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关关系

4．3．3 两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关公式

4．4 两铰抛物线钢拱平面内稳定承载力设计建议

4．5 小结

5 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 存在的不足和展望

参考文献

作者简历

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