U形截面圆弧拱平面研究

U形截面圆弧拱平面研究U形截面圆弧拱平面研究 2014/07/17 空间结构杂志2014年第二期1模型验证本文用软件的语言编程进行分析采用梁单元和壳单元建立了两种有限元模型，以便相互验证由于单元和单元都只能施加法向的压力荷载，本文对的进行操作以实现竖向荷载的施加一般来说，壳单元能够模拟荷载作用位置的影响，梁单元只能考虑荷载作用在截面形心的情况本文在用单元建立模型时，通过构建虚拟节点并使之与梁单元的节点位移协调，来考虑荷载作用位置的影响，等效节点荷载施加在虚拟节点上文献给出了无铰拱和两铰拱的边界约束条件，即：无铰拱约束拱脚处全部自由度，两铰拱在无铰拱的基础上释放拱脚处平面内转动的自由度两铰拱采用上述边界约束条件时，应采取有效措施约束拱脚截面的翘曲变形针对截面为的两铰圆弧拱，用两种有限元模型，求解出两种荷载模式下不同矢跨比的拱平面外屈曲模态和屈曲荷载，两种荷载模式下前四阶屈曲形态基本相同，见图，第一阶屈曲荷载的计算结果见表由表可看出两种有限元模型的计算结果吻合良好，从而相互验证了模型的正确性下面分别用单元模型研究支座类型、荷载模式和矢跨比对钢拱平面外屈曲荷载的影响，用单元模型研究隔板、缀板对两铰拱平面外屈曲荷载的影响2支座类型、荷载模式对钢拱平面外屈曲的影响采用单元模型，对实际应用广泛的无铰拱和两铰拱在两种荷载模式作用下的弹性稳定性能进行比较研究，平面外第一阶屈曲荷载计算结果见表（部分数据）和表（部分数据）考虑到第一阶屈曲模态是结构势能最小形态，也是最有可能失稳的形态，所以只列出了第一阶屈曲荷载由表和表可见，径向均布荷载模式的屈曲荷载小于竖向均布荷载模式的屈曲荷载，说明按照径向荷载模式的计算结果进行设计相对保守随矢跨比增大，屈曲荷载大幅降低相同条件下，板厚增加，屈曲荷载增大由表可见，径向均布荷载下两铰拱与无铰拱平面外屈曲荷载最大误差小于，可以认为相同这是因为环向均布径向荷载下的合理拱轴线是圆弧，拱肋只承受轴力由表和表可见，随矢跨比的增加，环向均布竖向荷载下两铰拱平面外屈曲荷载越来越大于无铰拱，这一现象与通常认识不同稳定承载力与结构刚度和支座约束情况有关，还与内力的大小和分布情况有关鉴于径向均布荷载下两铰拱与无铰拱平面外屈曲荷载的计算结果相同，那么，造成这一结果的原因，就只能是内力的大小和分布情况了图是竖向均布荷载下，矢跨比、截面时，无铰和两铰圆弧拱的轴力和弯矩图可见，两铰拱的轴力明显小于无铰拱，且轴力最大处的弯矩也释放了，尽管两铰拱的最大弯矩远大于无铰拱，但其有正有负的分布使其影响不大，轴力大小和分布情况是影响屈曲荷载的主要因素因此，对于理想边界条件，就平面外稳定而言，当矢跨比较大时，两铰拱反而较无铰拱有利当然，两铰拱与无铰拱的支座节点具有完全不同的构造方式，简单假定两者在平面外的约束条件一样是否恰当，满足什么条件两铰拱平面外约束可按无铰对待，等都有待进一步研究，但无论如何，都应引起设计人员的注意。3隔板、缀板对销轴支座拱平面外屈曲的影响形截面钢拱两侧板的上部缺乏约束，同时侧板厚度相对于钢拱的轴向长度又很小，板的计算长度较大，容易局部屈曲文献采用在钢拱内加隔板增强钢拱两侧板的稳定性，同时提高整个结构的承载能力本文提出在形截面开口处加设缀板构成间断闭合截面来增大抗扭刚度采用单元来模拟，有限元模型见图隔板、缀板的厚度取与形截面钢拱的钢板厚度相同，缀板环向宽度取，荷载模式为竖向均布荷载以矢跨比为例，讨论了隔板、缀板间距（，）对两铰钢拱平面外屈曲的影响，屈曲荷载计算结果见表由表可见，随着间距的减小，屈曲荷载增大愈来愈快截面隔板间距比间距屈曲荷载增大，间距比间距增大，间距比间距增大；缀板间距比间距屈曲荷载增大，间距比间距增大，间距比间距增大截面尺寸相同时，加隔板钢拱平面外屈曲荷载大于无隔板无缀板情况，而加缀板钢拱平面外屈曲荷载大于加隔板情况加缀板相对加隔板屈曲荷载提高率见表，荷载提高最大可达左右由表可见，随板厚增加，加缀板相对加隔板屈曲荷载提高率普遍减小；随间距减小，加缀板的荷载提高率不断增大加设隔板、缀板缩短了侧板的计算长度随着间距减小，加隔板的钢拱趋于形成实心矩形截面，材料利用效率低，而加缀板趋于形成箱形截面，材料利用效率高相比于加隔板，加缀板的截面，缀材节省，节省约，节省约，节省约加缀板比加隔板更容易施工，在间距较大下仍有较高的屈曲荷载而且不影响混凝土与钢拱的共同工作加缀板不管从结构稳定性、经济性以及施工可操作性上均优于加隔板的方法4结论（）本文建立的梁单元、壳单元两种有限元模型，相互验证了正确性，并分别用于不同目的的形截面钢铁计算（）对于无铰和两铰拱，径向均布荷载模式的屈曲荷载小于竖向均布荷载模式的屈曲荷载，说明按照径向荷载模式设计计算相对保守（）由于径向均布荷载下的合理拱轴线是圆弧（拱肋只承受轴力），径向均布荷载下两铰拱平面外屈曲荷载与无铰拱相同（）对于理想边界条件，就平面外稳定而言，当矢跨比较大时，竖向均布荷载下两铰拱反而较无铰拱有利由于两铰拱与无铰拱的支座节点具有不同的构造方式，简单假定两者在平面外的约束条件一样是否恰当，满足什么条件两铰拱平面外约束可按无铰对待等都有待研究，也应引起设计人员的注意（）加缀板钢拱平面外屈曲荷载大于加隔板情况随着间距减小，加隔板的形截面趋于形成实心矩形截面，材料利用效率低，而加缀板趋于形成箱形截面，材料利用效率高加缀板比加隔板更容易施工，在间距较大下仍有较高屈曲荷载而且不影响混凝土与钢拱的共同工作加缀板不管从结构稳定性、经济性以及施工可操作性上均优于加隔板的方法（）支座处拱截面的翘曲变形对拱的平面外稳定性影响非常大，关于支座节点的设计分析应作详细研究作者：惠宽堂李瑾樊军建单位：西安建筑科技大学土木工程学院西安有色冶金设计研究院 上一个文章： 建筑结构的抗震性能的完善下一个文章： 超高层装配混合结构力学特性