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《郑州大学》 2003年
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受损伤圆钢管轴压杆件稳定极限承载力分析研究

张猛  
【摘要】: 目前,圆钢管构件已广泛应用于网架、网壳、电力构架和海洋平台等空间结构中。上述这些结构大部分是高次超静定结构,它们受力状态比较复杂。虽然都经过严格的设计计算,以保证其在使用寿命期内有足够的强度,但在安装施工和使用期间,往往因受到冲撞和非正常荷载而产生弹塑性弯曲和凹陷等损伤,此外大气、受污染的水分等腐蚀性介质也可能在管壁上产生腐蚀损伤。这些形式的损伤都将引起杆件承载能力的降低,使结构局部构件的能力和状态产生明显的改变,其整体承载能力和使用寿命也将降低。这样,对于结构的原始设计计算将不再反映经一段使用以后的损伤结构的安全情况。因此,需要对带有损伤构件的结构的安全性进行重新评估,这样才能作出是否应该进行修复、更换损伤构件,或在一定的限制条件下继续使用的正确决定。而且,对于受损伤构件的研究不仅有关人身财产安全,同时也具有很大的经济价值,本文以电力构架中常用的圆钢管构件为研究对象,研究其在一般受损条件下的极限承载能力和稳定性能的变化情况。 在静载作用下,结构构件非线性静力失稳的现象是十分丰富多彩的。基于不同理论和针对问题侧重点的不同,常有多种分类方法。当所研究构件是在弹塑性阶段失稳时,稳定平衡微分方程变成非常系数微分方程,而无法求得其解析解。因此,对于大多数情况都需要采用数值方法进行求解。在构件分析中常用的数值方法大体上可以分成两类。一类是直接对微分方程求解。另一类是用总势能驻值原理或其他类似的有关能量的方法求解。本文研究同时考虑材料非线性和几何非线性的特点,采用数值积分方法,对受损圆钢管轴压杆件的极限承载能力进行分析。根据数值积分原理,编制受损圆钢管轴压杆件极限承载能力的计算程序,并对受损伤的杆件稳定极限承载力问题进行计算分析,讨论不同损伤情况对杆件稳定极限承载力的影响。 数值积分法的种类很多。本文计算中所采用的是泰勒级数法。这种方法的基本原理是:先建立构件任一截面的M—P—φ关系,然后通过对于整个构件内外力平衡和变形协调以及截面内力与变形之间的关系,求得构件极限荷载。该方法的计算过程可分为两大步骤:第一步根据截面内力平衡条件建立弯矩、压力和曲率之间的关系;第二步根据构件的变形曲线建立挠度、转角和曲率之间的关系。一般来说,进行截面分析的应力分布模式,主要有三种形式,分别称为弹性分布、单面塑性分布及双面塑性分布。在利用数值积分法计算杆件稳定极限承载力时,即使只是一个简单的构件也十分费时,有时甚至出现迭代无法收敛的情况。因此,本文在计算中应用了混合迭代手段,引入了M—P—φ近似计算公式,提高了计算效率,扩大了适用范围。本文用程序计算了无损伤圆管轴心受压杆件稳定极限承载力,并和其他一些计算方法和准则做了分析比较,验证了程序的正确性。 由于杆件在加工、运输、安装等过程中不可避免的存在一定的误差,一般都有一 定的初始缺陷。本文利用编制的程序,对常见形式的初始缺陷对受损伤杆件的整体稳 定性能的影响进行了讨论。结果表明:对不同长度的圆钢管轴压杆件,随着损伤凹口 深度的增大,杆件的稳定极限承载力都会降低,杆件越短,承载力降低越多,当损伤 程度很深时,杆件的极限承载力都趋于一个稳定的范围。对于给定长度的杆件,当最 大损伤凹口深度一定时,损伤区域的位置对杆件的稳定极限承载力也有显著的影响, 损伤区域越远离杆端,杆件的稳定极限承载力也降低越多;当损伤区域的位置也给定 后,计算表明损伤区域的分布长度对杆件的极限承载力影响不大,但对杆件的荷载一 侧移关系曲线影响很大。初偏心、初弯曲以及杆件长细比对受损伤圆管构件稳定极限 承载力以及轴力一侧移曲线的影响和无损伤杆件的情况很相似,也就是说随着初弯 曲、初偏心以及长细比的增大,杆件的稳定极限承载力将降低,所不同之处是初始缺 陷对有损伤的杆件的不利影响进一步加大。 对于薄壁圆钢管构件,在轴向压力作用下,局部和整体相关屈曲也是一个不容忽 视的问题。本文简要分析了考虑局部屈曲时的圆钢管杆件截面弯矩一曲率关系,给出 了弯矩一曲率关系的闭合表达式。参照有局部损伤的杆件计算方法可知只需将某些条 件略加修正,同样可用本文的数值积分程序来计算有局部屈曲的圆钢管轴压杆件。由 于时间仓促,本文对此未作深入的讨论。 本文仅仅对受损伤圆钢管构件稳定极限承载力做了初步的分析。事实上,钢结构 稳定研究领域尚有大量研究课题待做,今后需要进一步研究探索的方向有:构件局部 与整体相关屈曲的性能、受损伤构件对其所在结构的性能的影响以及稳定问题的可靠 性研究等。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TU391

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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