平面圓鋼管桁架極限承載力的理論與試驗研究.pdf

1、鋼管桁架造型優(yōu)美，截面力學特性好，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主管都可能受到拉力或壓力，而屋面和墻面系統(tǒng)只能對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單元的桿系有限元非線性分析，在這種方法中，在節(jié)點處必須

2、引入連接彈簧單元以反映節(jié)點剛度或柔度對極限承載力的影響。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體均用殼元建模，位移場包括局部變形，無需引入節(jié)點彈簧單元，得到的分析結(jié)果與實際情況最為接近，但缺點是建模復(fù)雜、計算工作量非常大，目前，即使是高性能的計算機，也需要花費大量的計算時間，并不適合于工程設(shè)計，一般僅作為對第一種方法計算結(jié)果的校核評價。第三種方法是采用設(shè)計上實用的計算長度法對受壓弦桿進行穩(wěn)定驗算。
　　

3、由于桿系模型和計算長度法都必須引入節(jié)點剛度的影響，因此，建立一個合理有效、精度較高且便于應(yīng)用的節(jié)點剛度模型是這兩種方法能否實現(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K型相貫節(jié)點提出了一種簡化的解耦剛度模型，需要計算的剛度分量僅有面外轉(zhuǎn)動剛度一項，使得整體分析變?yōu)榉浅：啙?。在?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)動剛度影響，其他剛度分量的影響可以忽略不計。在第4章，針對鋼管桁架常用的對稱K型圓鋼

4、管相貫節(jié)點，按解耦單剛度模型的思想，建立了基于板殼單元的節(jié)點有限元分析模型，對正交設(shè)計的25個對稱K型節(jié)點進行線彈性分析，得到各個節(jié)點的初始面外轉(zhuǎn)動剛度。對25個節(jié)點剛度進行多元回歸分析，得到了對稱K型圓鋼管相貫節(jié)點初始面外轉(zhuǎn)動剛度的參數(shù)公式。至此，桿系模型和簡化方法考慮節(jié)點剛度影響的理論基礎(chǔ)已經(jīng)得到實現(xiàn)，因為根據(jù)節(jié)點的幾何參數(shù)和彈性模量即可確定對稱K型節(jié)點的面外初始轉(zhuǎn)動剛度的取值。
　　 為使用計算長度法分析受壓弦桿的面外穩(wěn)定

5、，對平行梁式桁架(warren型)，提出了考慮節(jié)點剛度影響的實用簡化分析方法。通過與桿系模型分析結(jié)果相比較，簡化分析方法合理可行，具有一定的應(yīng)用價值。
　　 為了證明本文節(jié)點剛度模型的正確性和精確性，對一榀平面圓鋼管桁架進行了極限承載力試驗研究。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，桿系模型對試驗過程模擬精度較高，兩者分析得到的極限承載力和最大位移相差很小。為進一步

6、評價本文剛度模型的精確度和適用性，在第7章對4個不同幾何尺寸的桁架模型分別進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10％，平面外位移最大相差不超過11.4％。
　　 試驗研究和數(shù)值算例均證明，由于本文節(jié)點剛度模型抓住了主要影響因素，忽略了次要影響因素，應(yīng)用簡便且精度較高。因此，可在對稱K型相貫節(jié)點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)點剛度模型及初始面外