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双拱空间钢管结构体型优化及泡沫填充构件研究

张琳  
【摘要】: 双拱形空间钢管结构是应用大跨度空间结构设计理念并结合仿生学而提出的一种新型结构,该结构具有刚度大、用钢量省、传力路径明确及节点设计简单等优点。双拱结构已经应用于被称为“中国第一河口大闸”的曹娥江挡潮泄洪闸门的结构设计中。计算表明比普通的闸门结构节省了约30%的用钢量。 本文就基于已建的曹娥江双拱钢管闸门对双拱结构进行了研究。首先就这种结构的渊源进行探讨,介绍了双拱空间结构的概念是如何提出的,与传统的实腹梁以及普通桁架结构进行比较,体现出了双拱结构的优势,并介绍了双拱形空间钢管结构在曹娥江挡潮泄洪闸门中的应用情况。之后对双拱结构的参数及形状进行了优化,包括布置榀数、双拱的线型及双拱的厚跨比等,考虑荷载、端跨比、跨度及弦杆等因素的影响。同时根据优化的结果,制定了可查询的设计表格,给设计人员提供了初步设计的依据。进一步将双拱结构引入到平板闸门与人字闸门的设计中,并对应用时的参数进行了分析。同时将双拱结构与三峡枢纽永久船闸进行了比较,初步估计可节约15%—20%的用钢量。 为了提高双拱结构的强度及稳定性,本文首次将泡沫铝填充与双拱结构结合起来。首先研究了泡沫铝填充下单根圆管的短柱轴压、长柱轴压及三点弯曲。总的来说填充泡沫铝对梁的影响比柱的影响要大,这给应用于受弯的双拱结构提供了可能性。然后从静力角度对典型的曹娥江闸门的双拱节点进行泡沫铝填充研究。结果发现,当节点进入到塑性阶段时,泡沫铝对节点的受力有了比较大的改善,将空节点的极限承载力提高了15%,同时也改变了节点的破坏形态,这说明泡沫铝对双拱的构件起到了很好的支承作用,在双拱进入屈服后承担了比较大的作用力。最后从船体与闸门发生碰撞冲击角度对双拱结构闸门整体进行了泡沫铝填充研究。泡沫铝填充使双拱闸门整体的刚度得到了很大的提高,对闸门起到了很好的保护作用。


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