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螺旋肋方钢管混凝土叠合柱偏压性能参数分析与承载力计算

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螺旋肋方钢管混凝土叠合柱偏压性能参数分析与承载力计算

作者：苏亚男西安理工大学

学位级别：硕士

为了改善薄壁钢管的局部屈曲性能,增强防火和抗腐蚀能力,本文提出了一种新型的螺旋加劲肋薄壁钢管混凝土叠合构件。薄壁钢管的壁厚较薄,对核心混凝土的约束作用较弱。当荷载超过其承压值时,钢管极易发生局部屈曲,从而使钢管与核心混凝... 详细信息

为了改善薄壁钢管的局部屈曲性能,增强防火和抗腐蚀能力,本文提出了一种新型的螺旋加劲肋薄壁钢管混凝土叠合构件。薄壁钢管的壁厚较薄,对核心混凝土的约束作用较弱。当荷载超过其承压值时,钢管极易发生局部屈曲,从而使钢管与核心混凝土分离,为兼顾整体性能,本文在薄壁钢管外侧设置空间弹簧状式的螺旋加劲肋,与钢管形成双重约束,此时作用在钢管上的径向应力是均匀的,钢管与核心混凝土的平均横向粘结强度增大,从而提升整个试件的抗压强度,抑制钢管过早的出现局部屈曲。本文对螺旋肋钢管混凝土叠合柱偏压状态下的受力性能开展了试验、有限元模拟和承载力计算研究,主要结论如下:(1)普通薄壁钢管混凝土柱外鼓屈曲较为严重,设螺旋肋后,屈曲被限制于加劲肋之间,弯曲强度大大降低。设置钢筋等约束后,二者的整体稳定性得到了很大的改善,构件承载力提高了18%;设置竖板后构件屈服荷载提升了13.5%,峰值荷载与极限荷载均提高了10.7%,受力性能显著提高。(2)作为一种新型的空间约束形式,螺旋肋可较好的限制钢管的局部屈曲与横向变形,提高局部抗弯刚度。同时可增强对外部混凝土的约束,保证构件各部分协同受力。但其在竖向刚度方面发挥作用较小,仅当构件进入弹塑性阶段后才开始发挥整体约束作用。(3)考虑新型螺旋肋的增强效果,对相关钢材及约束混凝土的本构模型进行了修正;采用修正后的模型建立了薄壁钢管柱的有限元模型。在此基础上,分析了不同参数对构件偏压性能的影响规律,发现钢管宽厚比与螺距对试件承载力影响较大。最终通过N-M关系曲线,得到偏压作用下受压和受拉破坏界限为偏心率0.9左右。(4)利用有限元计算对四组四边简支弹性薄板的承载能力进行了参数化分析,得到了薄板在单向压缩和拉伸共同作用下的临界屈曲荷载,给出了响应拟合关系曲线;同时通过对构件跨中截面单个单元的应力应变曲线最大点拟合,最终建立叠合柱的偏压承载力计算方法。

关键词：薄壁钢管混凝土螺旋加劲肋偏心受压数值模拟薄板屈曲稳定承载力

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蒙皮效应对钢结构的影响研究

蒙皮效应对钢结构的影响研究

作者：罗永成华南理工大学

学位级别：硕士

钢结构中常被看作围护构件的墙面板和屋面板，当与边缘构件具有可靠连接时，也能参与结构受力，提高结构承载力，减小结构变形。所以，在结构设计中考虑围护体系的应力蒙皮作用可使计算结果更符合实际情况，使结构材料的性能充分发挥。... 详细信息

钢结构中常被看作围护构件的墙面板和屋面板，当与边缘构件具有可靠连接时，也能参与结构受力，提高结构承载力，减小结构变形。所以，在结构设计中考虑围护体系的应力蒙皮作用可使计算结果更符合实际情况，使结构材料的性能充分发挥。本文在前人研究（包括试验研究、有限元理论研究以及适合实际工程应用的简化设计计算方法等）的基础上，做了以下几个方面的工作：首先本文参考前人的研究，建立了一系列不同蒙皮尺寸、不同蒙皮厚度以及不同类型边缘构件连接的蒙皮单元模型，通过有限元分析，验证了蒙皮单元在面内剪力作用下首先发生对角斜向板带屈曲的假定。同时结合薄板的屈曲理论，分析得出蒙皮板斜向板带屈曲后平均刚度与初始平均刚度的比值，并以之作为实际工程中蒙皮板刚度的利用率;其次，以薄平钢板在面内受剪时的相关理论为基础，分析了薄板在单纯剪力作用下的屈曲行为和受力状态，并以我国常见的压型钢板为例，详细介绍了将压型钢板等效为正交各项异性平板的方法。最后本文以一个单层轻钢厂房结构作为算例，在屋面以及两边山墙处布置蒙皮板，将前文得出的蒙皮板屈曲后平均刚度利用率代入到结构模型中进行计算，比较不考虑蒙皮作用和考虑蒙皮作用时整体结构的变形和应力分布，证明了考虑蒙皮效应可以有效地控制结构位移，使结构变形协调以及构件受力分布合理。综上所述，本文分析了蒙皮单元在荷载作用下的受力状态与变形，尝试在整体结构计算中如何有效的模拟应力蒙皮作用。本文得出一些有价值的结论，可供实际工程设计参考。

关键词：蒙皮效应薄板屈曲屈曲后强度

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基于视觉定位的纸塑复合袋差速纠偏方法研究

基于视觉定位的纸塑复合袋差速纠偏方法研究

作者：朱晓凡湖北工业大学

学位级别：硕士

纸塑复合袋具有复用性强、强度高、透气性好且抗氧化能力强等特点,被广泛应用于食品、药品和工业品的运输包装或销售包装。目前,纸塑复合袋的加工基本实现自动化,但其缺陷的检测仍需人工完成。纸塑复合袋在套袋和传输工位上会发生偏移,... 详细信息

纸塑复合袋具有复用性强、强度高、透气性好且抗氧化能力强等特点,被广泛应用于食品、药品和工业品的运输包装或销售包装。目前,纸塑复合袋的加工基本实现自动化,但其缺陷的检测仍需人工完成。纸塑复合袋在套袋和传输工位上会发生偏移,从而导致缝纫和印刷缺陷。随着国民经济对纸塑复合袋需求的增长,对其生产过程中的倾斜缺陷进行检测和矫正具有重大意义。本文主要完成以下工作:(1)分析纸塑复合袋成型工艺,指出纸塑复合袋生产中存在位置偏移和倾斜的缺陷,明确纠偏需求。针对纸塑复合袋本身易变形且不连续传送的难点,提出了基于视觉定位的纸塑复合袋差速纠偏方法,根据该方法原理设计了纠偏系统,完成了纠偏装置设计及关键硬件选型。(2)根据纸塑复合袋为矩形的特点,通过提取纸塑复合袋四条边线来获取纸塑复合袋的位置和倾角,对纸塑复合袋视觉定位方法进行了研究。针对常用的滤波算法会导致纸塑复合袋边线模糊的问题,提出了基于方差的差异化滤波算法,通过方差大小提取纸塑复合袋边线,并在滤波时对其进行保护,从而清晰呈现纸塑复合袋的边线;为减少直线提取时间,采用一种新的目标点提取方法对传统Hough变换直线提取算法进行改进,提高了直线提取的效率和精度。(3)研究纸塑复合袋在纠偏过程中的运动和受力,据此完成纸塑复合袋纠偏控制系统。运用速度的分解和叠加方法,求解了纸塑复合袋在纠偏过程中的运动轨迹方程,并根据运动特点制定纠偏策略。为防止纠偏时纸塑复合袋产生褶皱,运用屈曲分析工具对其进行有限元仿真,得到各姿态纸塑复合袋对应的最大皮带压力。运用S型加减速算法对纠偏速度进行控制,并以纠偏用时最短为目标,利用遗传算法求解了纠偏速度曲线的最佳参数,达到平稳控制纠偏过程的目的。(4)设计纠偏系统软件并完成纠偏实验。融合纸塑复合袋定位、皮带压力控制和纠偏速度控制,设计了纸塑复合袋纠偏系统软件。利用纠偏系统软件及装置对纸塑复合袋进行纠偏实验,得到结论:实际纠偏轨迹符合理论轨迹方程;最佳皮带间距为60cm;4s内可纠正30mm的偏移量,纠正后纸塑复合袋最大位置偏移为3.562mm,最大倾角为1.515°,纠偏效果良好,满足工业需求。

关键词：纸塑复合袋差速纠偏直线提取薄板屈曲遗传算法

施工缺陷对混凝土空心薄壁桥墩截面宽厚比限值影响研究

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施工缺陷对混凝土空心薄壁桥墩截面宽厚比限值影响研究

作者：姚利翔重庆交通大学

学位级别：硕士

空心薄壁桥墩是山区公路桥梁中常见的结构形式,通常采用滑膜、爬模或翻模等方法施工。在实际施工中,时常出现桥墩偏位、爆模或混凝土强度不够等问题。随着桥墩高度的增加,其稳定性也成为结构安全的重要问题。因此开展影响薄壁空心墩的... 详细信息

空心薄壁桥墩是山区公路桥梁中常见的结构形式,通常采用滑膜、爬模或翻模等方法施工。在实际施工中,时常出现桥墩偏位、爆模或混凝土强度不够等问题。随着桥墩高度的增加,其稳定性也成为结构安全的重要问题。因此开展影响薄壁空心墩的整体稳定和局部稳定的相关因素研究具有十分重要的工程意义。本文将空心薄壁高墩简化为上端自由、下端固结的中心受压杆件,研究施工缺陷对桥墩整体稳定影响;将薄壁桥墩视为由板构成的空心结构究,进一步探究薄壁桥墩在发生板局部屈曲下的临界厚度和极限宽厚比。本文的研究内容主要包括三个方面:(1)从受压杆件的挠曲微分方程出发,利用纤维屈服准则推导下端固结、上端自由杆件考虑初弯曲的临界荷载。(2)分别采用板的各向同性和正交异性推导局部失稳的临界荷载,结合整体失稳临界应力公式,将薄壁空心墩视为薄板组成的构件,以桥墩优先发生整体失稳作为控制条件,推导出等截面桥墩的临界厚度和极限宽厚比公式。(3)采用ANSYS有限元模型建立壳单元模型,加入初弯曲后对薄壁高墩的局部稳定进行第一类稳定分析,通过公式试算与有限元模型的结果做出对比,验证公式的正确性,结果表明:(1)正交异性板理论下的公式计算值与有限元分析结果吻合度很好,临界宽厚比公式是可行的。正交异性板更加符合实际工程。(2)桥墩高度增加时,薄板临界宽度会变小,初始缺陷的影响程度加大,临界荷载随着大幅度减小。(3)桥墩初始偏移变大,薄壁高墩的临界厚度相应变小,且公式计算值与有限元结果吻合性更好,这主要是由于正交异性板更加符合实际工程,计入了材料的弹塑性影响。

关键词：空心薄壁桥墩初始缺陷薄板屈曲宽厚比临界荷载

螺旋加劲薄壁方钢管混凝土叠合柱轴压性能及承载力计算

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螺旋加劲薄壁方钢管混凝土叠合柱轴压性能及承载力计算

作者：韩嘉毅西安理工大学

学位级别：硕士

为了提高钢管混凝土构件的工程适用性,推出薄壁钢管混凝土,其经济优势显著提高。然而,钢管薄壁化导致其局部屈曲问题更为突出。针对这一问题,本文提出一种新型约束—螺旋加劲肋,该肋沿钢管外壁螺旋分布,形成的空间约束体系能限制钢管屈... 详细信息

为了提高钢管混凝土构件的工程适用性,推出薄壁钢管混凝土,其经济优势显著提高。然而,钢管薄壁化导致其局部屈曲问题更为突出。针对这一问题,本文提出一种新型约束—螺旋加劲肋,该肋沿钢管外壁螺旋分布,形成的空间约束体系能限制钢管屈曲和横向变形。本文基于螺旋肋约束钢管混凝土轴压试验,开展了有限元参数分析及叠合构件轴压承载力理论研究,得到以下结论:(1)普通薄壁方钢管混凝土柱的轴压破坏模式:核心混凝土压碎,钢管外鼓屈曲,螺旋肋约束钢管混凝土轴压柱的破坏模式:外混凝土沿螺旋肋延伸开裂,螺旋肋之间的钢管局部屈曲,屈曲程度较普通构件明显改善。(2)螺旋肋约束叠合柱轴压性能,受其外混凝土工作状态影响较大。单一螺旋肋和螺旋肋-竖板(焊接)约束形式限制混凝土开裂效果差,从而削弱构件刚度和承载力;螺旋肋-钢筋构成的空间约束体系,可延缓薄壁钢管屈曲,限制整体横向变形,保证构件各部位协同工作,相较普通构件,其承载力和延性分别提升18%,8%。(3)螺旋肋-钢筋约束构件的轴压性能最优越,其受力机理为:混凝土与钢管被加劲肋划分为若干螺旋带状结构,叠合柱所受轴向荷载被螺旋肋所呈角度转化为螺旋肋切向的剪力和法向的压力,在压-剪作用下,混凝土斜向开裂,钢管轻微屈曲。(4)通过有限元参数分析得出:该叠合构件受螺距影响较大,减小螺距,钢管受螺旋肋约束效应增强,受力行为趋向于环向加劲肋,螺距越大,对构件竖向刚度贡献越高,其受力行为朝竖向加劲肋发展。改变螺旋肋宽厚比和钢筋直径对构件性能影响较小。提出设计建议:螺旋肋宽厚比取11～15,钢管宽厚比取165～220,螺距取1～1.2柱高,钢筋直径取1/10钢筋间距(间距不大于1/3管径)。(5)基于能量法,求解螺旋肋-钢筋约束下的钢管屈曲承载力;并根据试验及模拟结果,分别提出考虑外混凝土强度折减系数α,及核心混凝土材料增强系数η的外包混凝土和核心混凝土承载力计算公式。最终利用叠加原理,提出螺旋肋-竖向钢筋约束下的钢管混凝土轴压柱的弹性屈曲承载力计算公式。

关键词：薄壁方钢管混凝土螺旋加劲肋轴心受压数值模拟薄板屈曲能量法

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矩形板屈曲问题的若干新解析解研究

矩形板屈曲问题的若干新解析解研究

作者：王海阳大连理工大学

学位级别：硕士

矩形板在面内受压或温升作用下容易发生屈曲而导致结构的失效,当板的厚度与另外两个方向的尺寸相比越小时,也越容易发生屈曲。传统的解析求解矩形板屈曲问题的方法常以位移为变量,通过处理高阶偏微分方程进行求解,当边界条件复杂时,这... 详细信息

矩形板在面内受压或温升作用下容易发生屈曲而导致结构的失效,当板的厚度与另外两个方向的尺寸相比越小时,也越容易发生屈曲。传统的解析求解矩形板屈曲问题的方法常以位移为变量,通过处理高阶偏微分方程进行求解,当边界条件复杂时,这类方法往往难以运用。本文以经典薄板理论、一阶剪切理论为基础,通过引入新的变量,将矩形板的屈曲问题导入到哈密顿体系,运用分离变量、辛本征展开等数学手段,不需处理高阶偏微分方程,因此降低了问题的求解难度。对于复杂边界,采用辛-叠加方法首先将原问题进行拆分并将原有边界进行简化(如固支边简化为简支边、自由边简化为滑支边),再通过叠加的方式强制满足原有边界条件,从而解析地得到原问题的临界屈曲载荷、屈曲模态等结果。具体地,本文使用了辛-叠加法对单、双向载荷作用下的邻边自由(其他边为固支或简支边界)、四边自由矩形薄板的屈曲问题以及四边固支正交各向异性矩形薄板的热屈曲问题进行了求解,所得到的结果与有限元分析结果吻合的很好。通过收敛性分析,验证了辛-叠加法在求解矩形板屈曲问题时的高效性。同时,本文根据一阶剪切理论推导出了中厚板屈曲问题的哈密顿体系,并在此体系下求解了四边简支中厚板的屈曲问题且给出了具体算例。本文所使用的方法无需假定试函数,数学推导严格,因此是理性、解析的求解方法,所得结果可作为其他理论及数值方法比较的基准。将辛-叠加法进一步扩展,也可解析求解复杂边界条件下的中厚板屈曲问题。

关键词：薄板屈曲正交各向异性材料一阶剪切理论 Hamilton体系辛-叠加方法

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薄壁空心桥墩截面构造研究

薄壁空心桥墩截面构造研究

作者：严成俊重庆交通大学

学位级别：硕士

薄壁空心墩是高墩大跨桥梁的重要下部构件,其稳定也是桥梁结构安全的重要问题,因而对薄壁空心墩的整体稳定和局部构造开展研究具有重要工程应用价值。本文将成桥和施工阶段的薄壁空心墩简化为不同边界条件下的中心受压杆件,开展整体稳... 详细信息

薄壁空心墩是高墩大跨桥梁的重要下部构件,其稳定也是桥梁结构安全的重要问题,因而对薄壁空心墩的整体稳定和局部构造开展研究具有重要工程应用价值。本文将成桥和施工阶段的薄壁空心墩简化为不同边界条件下的中心受压杆件,开展整体稳定研究;将薄壁空心墩视为薄板组成的构件,对薄壁空心墩的局部稳定开展研究,探究已知板宽下的临界厚度和极限宽厚比。本文主要进行了以下研究工作:⑴从杆件的挠曲微分方程出发,采用贝塞尔微分方程推导了下端固结上端自由和下端固结上端水平约束两种边界条件下,等截面和变截面桥墩在竖向分布荷载单独作用时的临界荷载。⑵在竖向分布荷载与集中荷载的共同作用的情况下,根据荷载等效原则,将竖向分布荷载等效为作用于墩顶的集中力,桥墩在等效力和集中力的作用下失稳。推导了集中力的临界荷载,并对公式的表达形式进行了统一化。分别采用算例对等截面和变截面公式进行了验算,结果表明公式满足工程实际的需求。⑶分别采用板的各向同性和正交异性理论推导了板在弹性阶段和弹塑性阶段的失稳临界应力计算公式,结合整体失稳临界应力公式,将薄壁空心墩视为薄板组成的构件,以桥墩优先发生整体失稳作为控制条件,推导了等截面、变截面、单箱双室截面的薄壁空心桥墩在满足条件下的宽厚比及已知板宽情况下的临界厚度。⑷对薄板失稳临界应力公式推导过程中涉及到的翘曲系数和约束系数进行进一步的讨论,给出了薄壁空心墩在宽厚比限值计算过程中约束系数和翘曲系数的计算公式及对应参数的取值。⑸采用ANSYS建立壳单元模型对薄壁空心墩进行第一类稳定分析,通过试算获取局部失稳的临界厚度,并和公式计算值对比,验证公式的正确性,结果表明:(1)各向同性板理论和正交异性板理论下的公式计算值与有限元分析结果具有较好的吻合度,采用文中公式来计算薄壁空心墩的临界厚度时可行的。(2)随着桥墩高度的增加,薄板的临界厚度减小。这主要是由于随着桥墩高度的增大,临界应力随之减小,从而导致临界厚度也减小。(3)按正交异性板理论计算的结果比各向同性板理论的结果更接近有限元分析的结果,公式的精度更高。这主要是由于正交异性板理论计入了材料的弹塑性。

关键词：薄壁空心墩截面构造局部稳定薄板屈曲