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腹板开洞工形截面拱的稳定性能及设计方法研究

黄李骥  
【摘要】:腹板开洞拱是一种新型结构,它结合了拱和开洞构件的特点,建筑新颖通透,结构自重小,效率高,但开洞拱或实腹拱均缺乏设计方法指导。本课题以实腹拱和开洞拱两条主线,利用有限元方法系统地研究了两者的稳定性能,利用等效思想解决了孔洞对于拱的结构性能的影响,提出了实腹拱和开洞拱的稳定极限承载力设计方法。 首先研究了不作任何位移假定时实腹圆弧拱的弹性屈曲荷载,指出了拱的经典屈曲理论的不足。研究了孔洞对开洞拱的弹性屈曲模态和荷载的影响。提出了一种修正的无量纲化弹性屈曲荷载作为优化准则,以此来评价开洞拱的效率,给出了孔的优化半径和间距。提出了腹板开洞拱的长细比等效方法,把腹板开洞拱等效为由两个T形截面分肢和缀板组成的格构式构件,给出了孔洞的等效尺寸。 其次研究了不同参数的实腹拱在几何非线性条件下的屈曲平衡路径和变形过程,定义了考虑几何非线性的弹性极限荷载。建议了实腹拱的变形计算公式。研究了开洞拱的几何非线性屈曲,考察了孔洞对变形的放大效应,指出了剪切对于腹板开洞构件的重要影响,建议了腹板开洞构件的变形计算公式。 阐述了拱的非线性屈曲特点,研究了不同参数的实腹拱的弹塑性屈曲性能,总结了不同矢跨比的实腹拱的破坏机理。研究了孔洞对腹板开洞拱的弹塑性屈曲性能的影响,总结了腹板开洞拱的破坏机理,指出了腹板开洞拱所特有的由两个塑性铰组成的单边塑性铰破坏模式。指出了用弹性分析加安全系数代替弹塑性分析的设计方法是不完善的。研究了考虑局部屈曲影响的实腹拱和开洞拱的弹塑性屈曲性能,分析了不同参数对相关屈曲的影响。 最后,结合我国钢结构设计规范,定义了拱的正则化长细比,建立了拱的稳定系数与拱的正则化长细比的关系,提出了实腹拱的稳定极限承载力设计方法。对于腹板开洞拱,利用等效思想,提出了腹板开洞拱的稳定极限承载力设计方法。结合前人和本课题的研究成果,总结了腹板开洞拱的设计建议,包括强度设计、变形和刚度设计、整体稳定设计、局部稳定设计和构造等方面。


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