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工字型高强钢拱平面外稳定性理论与试验研究

工字型高强钢拱平面外稳定性理论与试验研究

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作者：潘振宇佛山科学技术学院

学位级别：硕士

拱结构因跨越能力大,承载力强,重量较混凝土结构低等特点,被广泛应用于土木工程各领域。高强钢因其可有效减小结构截面尺寸、减轻自重、提高结构跨越能力以及降低碳排放量等优点,正在逐渐替代普通钢材,开始应用在重大工程项目的关键位... 详细信息

拱结构因跨越能力大,承载力强,重量较混凝土结构低等特点,被广泛应用于土木工程各领域。高强钢因其可有效减小结构截面尺寸、减轻自重、提高结构跨越能力以及降低碳排放量等优点,正在逐渐替代普通钢材,开始应用在重大工程项目的关键位置处。本文采用能量变分法对高强钢拱在局部竖向荷载作用下的面外非线性失稳特性进行了研究,并采用有限元法和试验进行验证,具体如下:(1)基于能量变分原理,推导了考虑剪切变形的高强钢拱的平面内平衡微分方程,求解方程得到了弹性转动支座钢拱在局部竖向荷载作用下的剪力、轴力和面内弯矩的解析解。基于此,研究了钢拱的失稳前内力行为,以及剪切变形、局部加载段长度、边界转动约束刚度对失稳前钢拱的轴力和面内失稳弯矩的影响。并与ANSYS计算结果进行对比,验证了高强钢拱的平面外失稳临界荷载解析解的准确性。(2)求解高强钢拱在弯扭屈曲过程中的势能方程,得到了局部竖向荷载下平面外铰接与平面外固结的高强钢拱弯扭屈曲的临界屈曲荷载。通过参数分析,比较了临界弯扭荷载随弹性转动约束的无量纲柔度与局部参数的变化规律。并与ANSYS计算结果进行对比,验证了临界屈曲荷载解析解的准确性。(3)针对工字型高强钢拱的面外失稳研究,设计了一种高强钢平面外加载实验方案。选取钢材标号为Q225、Q460、Q690,矢跨比为1/5、1/6的工字型截面高强钢拱进行面外承载力试验,并与ANSYS计算结果进行对比,结果表明理论解、数值解、实验的荷载位移曲线吻合较好。(4)采用ANSYS有限元程序,针对竖向均布力作用下的均匀受压高强钢拱,以及承受端弯矩作用的受弯高强钢拱的平面外稳定性承载力,开展数值分析研究,讨论了高强钢拱几何条件、拱脚条件、残余应力、几何初始缺陷对其平面外稳定承载力的影响,并建立纯压、纯弯及压弯高强钢拱的平面外稳定承载力设计方法。

关键词：高强钢拱局部竖向荷载面外失稳剪切变形失稳临界荷载

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