鋼拱彈塑性穩(wěn)定探討范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了鋼拱彈塑性穩(wěn)定探討參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》2014年第五期

1承載性能分析

1．1重力荷載作用下的全過(guò)程分析重力荷載為沿拱軸均勻分布的豎向荷載。在實(shí)際工程中重力荷載主要包括結(jié)構(gòu)、保溫、吊頂?shù)荣|(zhì)量。圖4為經(jīng)彈塑性大位移分析得到的60m跨鋼拱結(jié)構(gòu)在5種不同矢跨比下的荷載-位移曲線。其中每種矢跨比情況又包含9～12條曲線，除含有鉸支及固支兩種支承條件下無(wú)幾何缺陷的極值型、分枝型以及帶有幾何偏差缺陷拱的平衡路徑外，還包含考慮殘余應(yīng)力影響后的鉸支及固支無(wú)幾何缺陷的極值型、分枝型以及帶有幾何偏差缺陷拱的平衡路徑。圖5為考慮幾何缺陷及殘余應(yīng)力影響后不同矢跨比鉸支及固支結(jié)構(gòu)的極限荷載對(duì)比情況。從圖4、5中可以看出:1)即使不考慮殘余應(yīng)力的影響，各種矢跨比及支承條件的鋼拱在達(dá)到極限荷載前都將進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，材料塑性變形使得結(jié)構(gòu)的變形迅速增大、承載力降低。2)殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)在荷載作用開(kāi)始時(shí)便處于彈塑性工作狀態(tài)，因此殘余應(yīng)力降低了結(jié)構(gòu)剛度，最終顯著降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。表1為根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)得出的殘余應(yīng)力致使結(jié)構(gòu)承載力降低的幅度，可以看出殘余應(yīng)力對(duì)固支拱結(jié)構(gòu)承載力的影響程度隨矢跨比的增大而降低，而對(duì)鉸支拱結(jié)構(gòu)的影響程度與矢跨比的變化關(guān)系不大，總體來(lái)說(shuō)殘余應(yīng)力對(duì)鉸支鋼拱承載力的影響大于固支鋼拱結(jié)構(gòu)。3)幾何缺陷使各種支承條件及矢跨比參數(shù)的鋼拱均表現(xiàn)出極值型失穩(wěn)的特征，而由于殘余應(yīng)力在拱結(jié)構(gòu)上呈對(duì)稱分布，所以殘余應(yīng)力不影響其屈曲模態(tài)。4)并不是所有的無(wú)幾何缺陷結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限荷載前都存在分枝平衡路徑，矢跨比為0．1、0．4的鉸支和固支無(wú)幾何缺陷拱以及矢跨比為0．5的鉸支無(wú)幾何缺陷拱在達(dá)到極限荷載前均處于對(duì)稱變形狀態(tài)，未進(jìn)入分枝路徑。5)在重力荷載作用下，無(wú)論是鉸支拱還是固支拱，均為f/L=0．2時(shí)承載力最高，這與僅彈性分析時(shí)的結(jié)論不同(彈性分析結(jié)果為0．3［3］)。

1．2類(lèi)雪荷載作用下的彈塑性大位移分析類(lèi)雪荷載主要指全跨雪荷載(活荷載)和積灰荷載。類(lèi)雪荷載作用下的彈塑性大位移分析結(jié)果與重力荷載相近，為節(jié)約篇幅，本文僅給出考慮幾何缺陷及殘余應(yīng)力影響后的不同矢跨比鉸支及固支結(jié)構(gòu)極限荷載的計(jì)算結(jié)果(圖6)。從圖6可以看出，類(lèi)雪荷載作用下，結(jié)構(gòu)承載力的變化規(guī)律與重力荷載作用下相同，鉸支拱及固支拱結(jié)構(gòu)的最優(yōu)矢跨比均為0．2。根據(jù)圖6中計(jì)算得到殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的降低幅度見(jiàn)表1。

1．3半跨分布荷載作用下的彈塑性大位移分析半跨分布荷載主要指半跨分布的雪荷載。圖7分別為半跨分布荷載作用下上述5種矢跨比鋼拱結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線，其中每種矢跨比又包含8條曲線，分別對(duì)應(yīng)鉸支拱及固支拱無(wú)缺陷和有缺陷、考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力時(shí)的平衡路徑。圖8為不同矢跨比鉸支拱及固支拱結(jié)構(gòu)考慮殘余應(yīng)力及初始幾何缺陷影響時(shí)極限荷載的對(duì)比情況。分析圖7，8可知:1)在半跨分布荷載作用下，考慮材料強(qiáng)度影響后，各種支承條件和矢跨比的拱結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限荷載前都要進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的彈塑性承載力遠(yuǎn)小于彈性承載力。2)殘余應(yīng)力同樣降低半跨分布荷載作用下鋼拱結(jié)構(gòu)的整體剛度，殘余應(yīng)力致使結(jié)構(gòu)承載力降低的幅度隨結(jié)構(gòu)矢跨比變化情況如表1所示，同全跨載作用一樣，殘余應(yīng)力對(duì)固支拱承載力的影響小于鉸支拱。3)初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力都會(huì)使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力顯著降低，但二者均不能改變結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)。4)半跨分布荷載作用下，無(wú)論鉸支拱還是固支拱，矢跨比為0．2和0．3時(shí)其承載力非常接近，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)矢跨比應(yīng)該為0．2～0．3。圖9為重力、類(lèi)雪、半跨分布荷載作用下鉸支及固支結(jié)構(gòu)考慮初始幾何缺陷及殘余應(yīng)力影響時(shí)的結(jié)構(gòu)極限荷載隨矢跨比變化情況。一般認(rèn)為拱結(jié)構(gòu)在全跨荷載作用下的承載力遠(yuǎn)大于在半跨荷載下，但圖9表明，該結(jié)論并不能用于任何矢跨比的拱結(jié)構(gòu)，當(dāng)f/L＞0．4時(shí)，無(wú)論是鉸支還是固支，半跨荷載作用下拱的承載力都比類(lèi)雪及重力等全跨荷載作用下高。從圖9中還可以看出，固支拱結(jié)構(gòu)承載力顯著大于鉸支拱，半跨荷載作用下固支拱的承載力比全跨荷載下鉸支拱的承載力大。

1．4風(fēng)荷載作用下的彈塑性大位移分析風(fēng)荷載的體形系數(shù)按照現(xiàn)行GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定取值。圖10分別為風(fēng)荷載作用下上述5種矢跨比鋼拱結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線，其中每種矢跨比均包含8條曲線，分別對(duì)應(yīng)鉸支拱及固支拱無(wú)缺陷和有缺陷、考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力時(shí)的平衡路徑。為考察結(jié)構(gòu)承載力隨矢跨比變化的情況，將5種矢跨比考慮殘余應(yīng)力及初始幾何缺陷的鉸支拱及固支拱結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線繪制于圖11中。通過(guò)分析得到以下結(jié)論:1)考慮材料的彈塑性性能后，結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線不是單純的上凹曲線。在施加荷載的前階段，曲線是上凹，結(jié)構(gòu)位移增加速率小于荷載增加速率，當(dāng)結(jié)構(gòu)某些截面的塑性區(qū)發(fā)展到一定程度后，結(jié)構(gòu)位移增加速率大于荷載增加速率，曲線變成上凸，對(duì)于矢跨比f(wàn)/L＜0．2的結(jié)構(gòu)，曲線的上凸形狀一直保持至結(jié)構(gòu)破壞，而當(dāng)矢跨比f(wàn)/L＞0．3時(shí)，經(jīng)過(guò)一長(zhǎng)度不等的強(qiáng)化階段，曲線又變成上凹形，直至結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，計(jì)算無(wú)法進(jìn)行為止。2)當(dāng)矢跨比f(wàn)/L＞0．1時(shí)，固支拱結(jié)構(gòu)的變形比鉸支拱小，但當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)或者截面塑性區(qū)發(fā)展到一定程度后，固支結(jié)構(gòu)的變形會(huì)迅速增加，并超過(guò)鉸支結(jié)構(gòu);當(dāng)f/L=0．1時(shí)，固支拱結(jié)構(gòu)從開(kāi)始加載直至結(jié)構(gòu)破壞，變形都比鉸支拱大。3)考慮殘余應(yīng)力降低了受風(fēng)荷載作用拱結(jié)構(gòu)剛度，并降低了結(jié)構(gòu)承載力，但降低幅度不大;考慮初始幾何缺陷會(huì)增大受風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形，并降低結(jié)構(gòu)承載力，但降低幅度也不大。因此可以認(rèn)為風(fēng)荷載作用下拱結(jié)構(gòu)對(duì)各類(lèi)缺陷均不敏感。4)無(wú)論是鉸支還是固支，在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形都隨矢跨比的增大而增大，強(qiáng)度承載力隨矢跨比的增大而降低。

2結(jié)論

1)在重力、類(lèi)雪、半跨分布荷載作用下，鋼拱結(jié)構(gòu)的破壞屬于失穩(wěn)破壞，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定破壞模態(tài)與荷載類(lèi)型、結(jié)構(gòu)幾何形狀及初始幾何缺陷有關(guān)。2)在風(fēng)荷載作用下，鋼拱結(jié)構(gòu)的破壞屬于強(qiáng)度破壞。3)殘余應(yīng)力會(huì)降低鋼拱結(jié)構(gòu)的整體剛度，并降低其承載力。4)初始幾何缺陷不僅會(huì)增大鋼拱結(jié)構(gòu)的變形，而且會(huì)改變其失穩(wěn)模態(tài)，并降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。5)風(fēng)荷載作用下，矢跨比為0．1的固支拱結(jié)構(gòu)剛度小于鉸支拱，矢跨比大于0．1的固支拱結(jié)構(gòu)的剛度均大于鉸支拱。6)并非所有拱結(jié)構(gòu)在全跨荷載作用下的穩(wěn)定承載力都比半跨荷載作用下高，這不僅取決于具體的荷載類(lèi)型，還與拱結(jié)構(gòu)的矢跨比有關(guān)。7)綜合考慮各種荷載工況、支承條件及初始缺陷對(duì)承載力的影響，鉸支及固支鋼拱的優(yōu)化矢跨比取值為0．2～0．3，對(duì)于風(fēng)荷載為控制工況的地區(qū)，在建筑功能允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用較小的矢跨比。

作者：李佳欣張勇單位：北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院