腹板开洞工形截面拱的平面内弹性极限承载力研究

【摘要】：腹板开洞拱形结构因造型美观、节省材料、减轻自重等,正越来越受到工程界的关注和应用。但由于腹板上洞口的存在产生应力集中现象,同时引起腹板抗剪性能的削弱以及腹板的屈曲形式发生变化等,导致目前这种结构的理论和应用研究远滞后于工程实践。本文正是基于这种结构的科研和工程现状,在前人工作的基础上对腹板开洞工形截面钢拱的极限承载力和变形的变化规律进行了研究分析。 基于有限元的结构稳定计算理论,利用ANSYS计算软件,针对弹性材料、考虑几何非线性特点,选用壳181单元建立了三维有限元计算模型,并把支座类型、截面尺寸、孔径、孔数、拱高等设为变量,经过反复编制、调试,最终形成了整个计算过程的MAC文件,据此进行了系统的计算和分析。 首先进行了弹性无孔洞钢拱的特征值计算,分析出了不同约束、不同荷载作用下的平面内第一个失稳模态的屈曲荷载和与其相应的屈曲模态。在此基础上计算了弹性无孔洞钢拱在不同荷载、不同约束、不同截面尺寸等条件下的极限承载力和顶点竖向位移。计算了开洞弹性钢拱的极限承载力和顶点竖向位移随洞口尺寸、开洞数量、截面尺寸等的变化情况,并对以上各种计算数据进行了分析、对比和曲线拟合,找出了极限承载力和顶点竖向位移随各种影响因素的变化规律,并对开洞前后的整体、局部屈曲变形进行了比较和分析,得到了弹性无洞、开洞钢拱的极限承载力随截面宽、厚比(高、厚比)的增大在均布荷载作用下呈线性递增趋势,在跨中集中荷载作用下呈高次多项式变化规律等结论。这对该类结构的设计和应用起到重要的指导性作用。