平面圓鋼管桁架極限承載力的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、鋼管桁架造型優(yōu)美，截面力學(xué)特性好，是一種應(yīng)用前景看好的結(jié)構(gòu)形式。由于建筑材料的更新?lián)Q代，現(xiàn)在屋面和墻面材料日趨輕質(zhì)化，這就使得支撐屋面和墻面的平面鋼管桁架的兩個(gè)主管都可能受到拉力或壓力，而屋面和墻面系統(tǒng)只能對(duì)平面鋼管桁架的一側(cè)主管提供面外支撐作用，因而其平面外的整體穩(wěn)定往往控制了其極限承載能力。
　　 平面鋼管桁架平面外穩(wěn)定極限承載力分析主要有三種方法，第一種方法是基于空間梁?jiǎn)卧臈U系有限元非線性分析，在這種方法中，在節(jié)點(diǎn)處必須

2、引入連接彈簧單元以反映節(jié)點(diǎn)剛度或柔度對(duì)極限承載力的影響。第二種方法是基于板殼單元的有限元非線性分析，這一方法由于所有實(shí)體均用殼元建模，位移場(chǎng)包括局部變形，無(wú)需引入節(jié)點(diǎn)彈簧單元，得到的分析結(jié)果與實(shí)際情況最為接近，但缺點(diǎn)是建模復(fù)雜、計(jì)算工作量非常大，目前，即使是高性能的計(jì)算機(jī)，也需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，并不適合于工程設(shè)計(jì)，一般僅作為對(duì)第一種方法計(jì)算結(jié)果的校核評(píng)價(jià)。第三種方法是采用設(shè)計(jì)上實(shí)用的計(jì)算長(zhǎng)度法對(duì)受壓弦桿進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。
　　

3、由于桿系模型和計(jì)算長(zhǎng)度法都必須引入節(jié)點(diǎn)剛度的影響，因此，建立一個(gè)合理有效、精度較高且便于應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)剛度模型是這兩種方法能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。根據(jù)鋼管桁架面外失穩(wěn)的基本特征，本文第2章對(duì)K型相貫節(jié)點(diǎn)提出了一種簡(jiǎn)化的解耦剛度模型，需要計(jì)算的剛度分量?jī)H有面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度一項(xiàng)，使得整體分析變?yōu)榉浅：?jiǎn)潔。在第3章的鋼管桁架面外失穩(wěn)參數(shù)分析中，證明了極限承載力主要受面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響，其他剛度分量的影響可以忽略不計(jì)。在第4章，針對(duì)鋼管桁架常用的對(duì)稱K型圓鋼

4、管相貫節(jié)點(diǎn)，按解耦單剛度模型的思想，建立了基于板殼單元的節(jié)點(diǎn)有限元分析模型，對(duì)正交設(shè)計(jì)的25個(gè)對(duì)稱K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行線彈性分析，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。對(duì)25個(gè)節(jié)點(diǎn)剛度進(jìn)行多元回歸分析，得到了對(duì)稱K型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)初始面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的參數(shù)公式。至此，桿系模型和簡(jiǎn)化方法考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的理論基礎(chǔ)已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦鶕?jù)節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)和彈性模量即可確定對(duì)稱K型節(jié)點(diǎn)的面外初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的取值。
　　 為使用計(jì)算長(zhǎng)度法分析受壓弦桿的面外穩(wěn)定

5、，對(duì)平行梁式桁架(warren型)，提出了考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的實(shí)用簡(jiǎn)化分析方法。通過(guò)與桿系模型分析結(jié)果相比較，簡(jiǎn)化分析方法合理可行，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
　　 為了證明本文節(jié)點(diǎn)剛度模型的正確性和精確性，對(duì)一榀平面圓鋼管桁架進(jìn)行了極限承載力試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，桁架的極限承載力狀態(tài)為平面外失穩(wěn)，與采用本文節(jié)點(diǎn)剛度模型的桿系有限元非線性分析結(jié)果非常吻合，桿系模型對(duì)試驗(yàn)過(guò)程模擬精度較高，兩者分析得到的極限承載力和最大位移相差很小。為進(jìn)一步

6、評(píng)價(jià)本文剛度模型的精確度和適用性，在第7章對(duì)4個(gè)不同幾何尺寸的桁架模型分別進(jìn)行板殼有限元以及桿系有限元分析，分析結(jié)果顯示，桿系模型分析結(jié)果與板殼模型相比，極限承載力最大相差不超過(guò)10％，平面外位移最大相差不超過(guò)11.4％。
　　 試驗(yàn)研究和數(shù)值算例均證明，由于本文節(jié)點(diǎn)剛度模型抓住了主要影響因素，忽略了次要影響因素，應(yīng)用簡(jiǎn)便且精度較高。因此，可在對(duì)稱K型相貫節(jié)點(diǎn)的平面圓鋼管桁架桿系有限元分析中，參考采用本文的節(jié)點(diǎn)剛度模型及初始面外