大跨度多弧形钢拱结构的受力性能研究

论文摘要

拱,作为建筑上一个出色的成就,被广泛用于桥梁、水利工程及建筑结构中。较同跨度梁,拱的弯矩较小,还能节省材料、提高刚度、跨越较大的空间,因此拱结构更多地运用于建筑工程中。尤其近十几年来,大跨空间结构的兴起,更是为大跨拱式体系提供了广阔的发展舞台。西安建筑科技大学体育馆正是采用了钢拱作为主要受力体系,拱间沿长轴布置刚性系杆作为侧向支撑系统的结构方案,形成了比较新颖、美观、实用的大跨多弧形钢拱网格结构。本文对上述大跨钢拱结构进行现场原位生产鉴定性试验,校核该结构设计荷载下的可靠度,评价其施工质量。随后利用ANSYS有限元分析软件,建立结构主体部分模型,对钢拱结构的静力性能、稳定性能及地震响应进行了较为系统、深入的研究。具体包括:(1)详细介绍了本次现场原位生产性试验的全过程,包括试验方案的拟订,试验过程的描述,试验数据结果和试验结论。(2)在特征值屈曲分析的基础上,通过几何非线性分析成功跟踪了单拱的极限屈曲和分叉屈曲全过程平衡路径。考察了单拱的初始缺陷敏感性。(3)对整体模型结构进行了详细的内力分析、并对试验值和理论计算值相互比较和印证。随后进行整体结构的特征值屈曲分析和几何非线性分析,并考察了初始几何缺陷的影响。分析表明,结构对初始缺陷较为敏感,缺陷的存在会导致结构稳定承载能力显著降低。(4)分析了结构的自振特性,利用时间历程法研究了结构在常遇地震作用下的抗震性能,得到了整体结构的地震作用下内力分布规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 拱结构的兴起
• 1.1.2 拱结构的发展
• 1.1.3 拱结构的特点
• 1.2 拱的稳定
• 1.2.1 拱稳定理论的发展
• 1.2.2 拱稳定的分类及其特点
• 1.2.3 钢拱的稳定及拱屋架稳定影响因素
• 1.2.4 拱结构的研究现状
• 1.3 本文所研究的大跨钢拱结构的介绍
• 1.3.1 工程简介
• 1.3.2 本文大跨钢拱结构的一些特点
• 1.3.3 现场原型检测试验的相关介绍
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 大跨钢拱结构试验
• 2.1 大跨钢拱试验的试验目的和主要内容
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验前的准备工作
• 2.2.2 大跨钢拱架结构试验过程
• 2.2.3 试验现象的描述
• 2.3 部分试验结果及其分析
• 2.3.1 钢拱架的竖向位移
• 2.3.2 钢拱架的水平位移
• 2.3.3 钢拱架应力应变
• 2.4 本章小结
• 第三章 有限元分析的基本原理
• 3.1 有限单元法的原理概述
• 3.1.1 结构的离散化
• 3.1.2 选择位移模式
• 3.1.3 分析单元的力学特征
• 3.1.4 整个结构平衡方程的建立
• 3.1.5 求解未知节点位移和计算单元内力
• 3.1.6 计算单元为应变和应力
• 3.2 有限元分析
• 3.2.1 ANSYS分析软件的简要概述
• 3.2.2 建模单元的选取
• 3.2.3 有限元模型的建立
• 3.2.4 结构分析的内容及相关介绍
• 3.3 本章小结
• 第四章 大跨钢拱结构单榀有限元分析
• 4.1 单榀钢拱结构初步分析
• 4.2 单榀钢结构稳定性分析
• 4.2.1 大跨钢结构稳定性分析的相关概念
• 4.2.2 单榀钢结构的特征值屈曲分析
• 4.2.3 单榀钢结构的几何非线性分析
• 4.2.4 初始缺陷
• 4.3 本章小结
• 第五章 大跨钢拱结构整体有限元分析
• 5.1 荷载的取值与荷载工况组合
• 5.2 试验荷载工况的内力分析
• 5.3 各种荷载工况下的内力分析
• 5.4 整体结构的稳定性分析
• 5.4.1 特征值屈曲分析
• 5.4.2 整体结构的几何非线性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 整体结构的地震响应分析
• 6.1 概述
• 6.2 结构的自振特征
• 6.2.1 自振特征基本原理
• 6.2.2 钢拱结构自振频率分析结果
• 6.3 钢拱结构振型分解反应谱分析
• 6.3.1 组合振型数的确定
• 6.3.2 振型分解反应谱结果
• 6.4 钢拱结构时程分析
• 6.4.1 地震波的选取
• 6.4.2 地震波的输入
• 6.4.3 时程分析结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录