圆管截面两铰圆弧纯压拱的平面外稳定性及设计方法

拱的平面外稳定极限承载力设计一直没有成熟的设计方法及规范指导。通过分析两铰圆管截面圆弧钢拱的平面外弹性屈曲性能,指出Timoshenko未考虑翘曲的经典解与有限元分析结果吻合很好。在弹塑性平面外稳定性分析的基础上,借鉴单轴对称截面轴心受压构件的弯扭屈曲设计方法,提出以面外屈曲荷载对应的正则化长细比为参数进行面外稳定性设计的方法。借鉴我国GB 50017—2003《钢结构设计规范》中柱子曲线的表达式,建立纯压两铰圆管截面圆弧拱稳定承载力的实用计算公式及设计曲线。     

钢管桁架拱的稳定性能及应用

首先介绍桁架拱的组成特点、力学特性及工程应用,探讨拱的弹性和非弹性失稳特点及分类.结合桁架拱弹性屈曲模型、荷载作用类型及初始挠度沿轴线的分布形式,指出了桁架拱几种可能的破坏和失稳形式.在钢管桁架拱形结构失稳模态分析的基础上,利用非线性有限元分析方法,对立体管桁架拱进行了面内整体稳定承载力分析,从结构的荷载-位移全过程曲线考察了桁架拱稳定性能的基本规律,从中找到控制桁架拱设计的主要失稳形式.最后,结合南通体育会展中心拱支网壳结构的整体稳定性能进行研究,指出现阶段对桁架拱稳定性分析的基本方法和步骤.     

某工程钢管桁架拱的稳定性分析

以65m大跨度圆弧钢管桁架拱为对象。对承受轴力和平面内弯矩共同作用的钢拱验算平面内整体稳定应力。采用有限元SAP2000软件，以单拱作为研究对象，分析其特征屈曲失稳，施加初始缺陷，同时考虑几何非线性，分析极限值屈曲。按整个钢管桁架组拱，进行与单拱同样的屈曲分析，比较两者计算结果。     

纯压抛物线拱平面内稳定性及设计方法研究

采用大挠度弹塑性有限单元法对全跨竖向均布荷载作用下纯压抛物线拱平面内稳定承载力进行研究,考虑材料非线性、焊接残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和支承条件等因素的影响,得到了热轧圆管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面纯压三铰、两铰和无铰抛物线钢拱的平面内稳定性设计曲线,给出纯压抛物线钢拱的平面内稳定设计公式。以拱的正则化长细比为基本参数,统一了三铰、两铰和无铰纯压抛物线钢拱的平面内稳定设计曲线,可用于全跨竖向均布荷载作用下纯压抛物线钢拱的平面内稳定性设计,同时可供实际设计时使用和制定有关规程时参考。     

平面钢管桁架拱平面外稳定试验研究与有限元分析

对2个跨度为10 m的圆弧形平面圆钢管桁架拱模型进行全跨均布荷载作用下的静力试验研究,分析了平面钢管桁架拱的平面外稳定承载力。引入平面外转动弹簧单元、水平位移弹簧单元,建立弹簧-杆系有限元模型,对试验模型进行非线性有限元分析。试验和有限元分析结果表明：下弦杆无平面外支撑的平面钢管桁架拱,在极限状态时,受压上、下弦杆发生侧向弯曲失稳,并引起整体平面外弯曲失稳破坏;圆钢管相贯节点的平面外转动刚度对试验模型的平面外稳定承载力影响显著。弹簧-杆系有限元分析结果与试验结果较为吻合,可为同类型结构的平面外稳定分析、设计提供参考。     

竖向荷载和水平荷载共同作用下钢管拱平面内稳定承载力设计研究

采用二阶弹塑性有限单元法对竖向荷载和水平荷载共同作用下的圆形截面两铰抛物线钢管拱的平面内稳定承载力进行研究。考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和长细比等因素对钢管拱平面内力稳定承载力的影响。结果表明：残余应力对其竖向承载力影响很小;初始几何缺陷会显著降低中等长细比钢管拱的承载力;矢跨比和长细比是影响钢管拱承载力的重要因素,但拱的竖向承载力并不随矢跨比和长细比的均匀变化而变化。研究竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线钢管拱达到平面内极限状态时的N-M相关关系,并拟合两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关关系统一表达式。提出了竖向荷载为全跨均布和半跨均布荷载,同时考虑水平方向荷载作用的两铰抛物线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。     

钢管混凝土抛物线纯压拱平面外稳定性及设计方法

运用大型通用有限元软件ANSYS,对沿跨度方向受竖向均布荷载的抛物线拱进行平面外稳定性分析,从含钢率、混凝土强度等级、钢材等级、面外长细比以及矢跨比参数等方面,分析了影响钢管混凝土抛物线拱平面外稳定性的主要因素,并通过数据整理拟合,得出了钢管混凝土抛物线纯压拱平面外的简便算法。     

轻钢桁架柱轴压性能试验研究

通过10根轻钢桁架柱的轴压试验,研究了不同长细比和扣板间距等参数对轻钢桁架柱轴压承载受力性能的影响。结果表明:在轴向压力作用下,轻钢桁架柱主要发生弯曲屈曲破坏,且在没有任何侧向约束条件下双管柱不适于承受竖向荷载;轻钢桁架柱的承载力随着长细比的增加而显著下降;扣板间距对轻钢桁架柱的承载力影响不大,但要符合分肢长细比的要求;轻钢桁架柱可视为缀板式格构柱,双管柱按照实腹式轴心压杆的方法计算承载力,四管柱采用换算长细比的方法计算其绕虚轴弯曲屈曲破坏的极限承载力。     

铰接式斜撑平面桁架拱的平面外弹性屈曲性能

对设置连续和不连续斜撑的平面桁架拱的平面外弹性屈曲性能进行研究。首先,研究连续斜撑平面桁架拱,得到一个理论上的平面外弹性屈曲荷载的封闭解。通过有限元法分别研究不连续支撑平面桁架拱的两个重要参数——斜撑阈值刚度和相邻支撑间一段拱的平面外弹性屈曲荷载。此外,有限元结果显示,如果平面桁架拱由在腹杆与弦杆间使用相贯节点制作而成且受上弦杆约束,那么受刚度不足的影响,下弦杆的外平面屈曲可以完全避免平面桁架拱产生外平面屈曲,之后桁架拱会完全受上弦杆所约束。     

四边形截面圆弧空间钢管桁架拱平面内稳定性及试验研究

通过大挠度弹塑性有限元分析研究桁架拱在集中荷载、水平均布荷载、轴线均布荷载等不同荷载形式下的失稳与破坏机理,考察截面高宽比、矢跨比、腹杆夹角、腹杆尺寸等几何参数对桁架拱稳定承载力的影响,结果表明在不同参数条件下,桁架拱可能发生弦杆局部失稳、腹杆局部失稳、整体失稳以及局部与整体相关失稳等破坏形式;与拱的整体失稳和弦杆局部失稳相比,腹杆失稳会导致承载力的大幅下降,设计中应保证腹杆不先发生破坏。在理论分析的基础上,设计4榀矩形及梯形截面空间桁架拱模型进行了平面内稳定性能试验研究,分析表明两种截面形式的桁架拱在平面内具有基本相同的刚度和承载能力,其承载力设计可以采用相同公式。最后,基于静水压力作用下桁架拱的面内稳定设计曲线,通过大量的算例分析,提出轴力和弯矩共同作用下四边形截面圆弧形空间钢管桁架拱的整体面内稳定承载力设计方法。     

Elastic interactive buckling strength of corrugated steel shear wall under pure shear force

Different ways have been presented to prevent elastic buckling of steel shear walls. One of these solutions is corrugated shear wall. In this type of wall, shear buckling strength increases without increasing the thickness of the panel. Numerical modeling results indicate that, always, shear buckling strength of corrugated panels is more than the flat panels and with the right choice of the geometric parameters of corrugated panels; without increasing the thickness of the panel, we can improve buckling strength significantly. In the trapezoidal corrugated panels, reducing the width of the subpanels do not always increase buckling strength of the panel, but it changes the panel buckling shape from the local buckling mode to the global buckling. In addition, in panels, with the low width of the subpanels, elastic buckling does not happen in the subpanels. Comparing numerical analysis with the theoretical relations showed that the results of numerical analysis with the relations that include local buckling, global buckling, and shear yielding stress, have a better approximation and in another word, interaction buckling is the combination of the local buckling, global buckling, and shear yielding stress.     

高强度等边单角钢轴压构件稳定设计研究回顾与问题探讨

高强度单角钢轴压构件的稳定性能因其材料的屈服强度等力学性能改变而发生变化,因而在稳定设计及其相关研究中会遇到许多新的问题。针对这一现状,结合我国GB 50017-2003《钢结构设计规范》、美国钢结构设计规范ANSI/AISC 360-05和ASCE 10-97等三部规范,对设计规范中宽厚比限值规定的适用性、高强度角钢宽厚比限值制定的必要性、角钢构件长细比的计算,以及现有角钢轴压构件稳定计算的折减方法等问题进行了探讨和算例分析,基于稳定的基本理论和数据结果的对比分析,解释并给出了上述几个问题的确定性结论和需要注意的方面,为高强度单角钢轴压构件稳定设计方法的研究提供了参考。     

In-plane buckling behavior of slender parabolic concrete-filled steel tubular arches with fixed ends

现有规范采用“等效梁柱法”计算长细比不超过80的钢管混凝土拱的平面内稳定承载力,而实际工程中有近20%拱桥拱肋长细比超过上述限值,即大长细比钢管混凝土拱。因此,利用ABAQUS建立了有限元分析模型,在基于现有试验数据验证模型可靠性的基础上,对大长细比抛物线形钢管混凝土无铰拱在竖向均布荷载作用下的平面内稳定性能进行了分析,研究了长细比、矢跨比、含钢率、混凝土强度和钢材强度对拱肋平面内稳定承载力的影响;基于参数分析结果,对现有平面内整体稳定系数公式进行修正,提出了大长细比抛物线形钢管混凝土拱平面内稳定承载力设计公式。结果表明：拱肋稳定承载力随长细比增大显著降低,随矢跨比和含钢率增加近似线性提高。其中,矢跨比对大长细比拱肋影响更为显著,而含钢率对采用高强钢的拱肋影响更大;所提出的设计公式计算结果与有限元分析结果吻合良好,有限元分析结果与公式预测结果比值的均值为1.02~1.08,标准差为0.039~0.051,变异系数为3.74%~4.72%。     

钢管轻集料混凝土中长柱轴压性能的试验研究

通过对20根具有不同长细比和混凝土强度等级的钢管轻集料混凝土中长柱进行轴压试验,研究了钢管轻集料混凝土中长柱在轴心压力下的宏观变形特征、轴力-应变关系、破坏模式和破坏机理,并与钢管普通混凝土的轴压性能进行了对比。研究结果表明:长细比是影响钢管轻集料混凝土中长柱承载力的主要因素,在相同条件下,长细比越大,试件的承载力越低;核心混凝土强度对钢管轻集料混凝土试件的稳定系数有一定影响,在截面参数相同的情况下,核心混凝土强度较高的试件稳定系数比混凝土强度较低的试件要高;在本研究的范围内,钢管轻集料混凝土的稳定系数要高于长细比相同的钢管普通混凝土。     

轴心受压钢管混凝土柱局部屈曲理论分析

在核心混凝土为刚性基底假设基础上,利用薄壁圆管壳小挠度屈曲理论及满足边界条件的屈曲位移函数推导了在核心混凝土支承作用下圆钢管轴对称及非轴对称局部屈曲系数计算式;同时在考虑几何非线性及核心混凝土为刚性基底假设基础上,利用薄壁圆管壳大挠度变形理论推导了核心混凝土支承作用下圆钢管轴对称变形及非轴对称变形的荷载-挠度曲线关系,证明了在核心混凝土支承作用下圆钢管没有空钢管所具有的后屈曲荷载,说明由于核心混凝土的存在,圆钢管对初始缺陷不再敏感,指出了现有规程在验算圆钢管混凝土局部屈曲时沿用空钢管屈曲理论的计算方法的不合理性。     

卷焊圆管、方管轴压杆的脆性屈曲

钢管截面构件受压时为脆性屈曲,可靠指标β与普通压杆理应有所不同,但目前国内有关设计规范(程)对此都没有反映。本文采用弹塑性梁柱理论、数值积分法计算了卷焊圆管、方管截面轴压杆完整的荷载-位移曲线,分析了纵向焊接残余应力、初弯曲、板件宽厚比(径厚比)对钢管压杆屈曲及屈曲后性能的影响,提出了圆管、方管截面轴压杆稳定承载力计算方法。     

均匀受压工字型等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性和极限强度

采用大挠度弹塑性有限单元法对均匀受压等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性和极限强度进行研究,考虑了材料非线性、残余应力、初始几何缺陷和矢跨比的影响,得到了均匀受压工字型等截面三铰圆弧钢拱的平面内稳定性设计曲线,并与国内外钢结构设计规范轴心受压构件的稳定曲线进行了对比,得出了轴心受压构件的稳定曲线不能直接用于拱的稳定性设计的重要结论。     

冷弯薄壁圆钢管轴压构件稳定性设计直接算法

通过对冷弯薄壁圆钢管的截面特点进行分析,针对轴压构件所用钢材级别及柔度范围的不同,分别推导了近似柔度λ0的计算公式。该公式简捷直观,能避免繁琐的试算过程,可直接计算出满足稳定性要求的截面尺寸,使设计结果更趋合理。     

均匀受压圆弧拱平面外弹塑性稳定设计方法

作为建立压弯钢拱平面外稳定承载力设计方法的第一步,综合考虑拱截面形式、初始几何缺陷、残余应力、矢跨比及拱脚条件的影响,通过弹塑性有限元分析,对均匀受压圆弧拱的平面外稳定承载力进行了数值分析,获得了平面外稳定设计曲线。研究表明：保向力作用下钢拱的平面外初始刚度及稳定承载力明显低于向心力作用下的相应结果,是一种较为不利的工况;相比几何初始缺陷和残余应力,矢跨比和拱脚条件对均匀受压圆弧拱平面外稳定承载力影响较大;通过引入拱正则化长细比,统一了不同矢跨比和拱脚条件的均匀受压圆弧拱的平面外稳定设计曲线的表达式;对于热轧圆钢管截面、焊接箱形截面、焊接工字形截面圆弧拱,可以采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》中的b类、c类和d类截面的柱子曲线计算其平面外稳定承载力。