结构安定性数值分析方法及其工程应用研究

论文摘要

安定性是对结构在复杂加载条件下塑性行为的研究,为预测复杂加载尤其是循环或变化重复荷载作用下结构的响应提供了强有力的分析工具。现有的安定数值分析方法主要是以数学规划思想为基础,计算量大、求解效率低,且难于应用到实际工程中。本文针对目前安定研究领域中存在的问题,结合钢材的室内棘轮安定试验,提出了一种便于实施且求解效率较高的基于能量原理的安定下限近似数值计算方法,并将其应用于不同的工程实践中,拓展了安定理论的应用范围。本研究的主要内容与成果如下:（1）室温下对DH36钢进行了考虑加载波形、加载速率、应力比、平均应力、应力幅历史影响的单轴棘轮安定试验,揭示了该材料应力循环下棘轮安定行为特性,为文中安定性数值分析方法的实施提供了试验依据。（2）结合DH36钢棘轮安定行为的试验结论,将基于能量原理的杆件结构安定分析思想拓展到连续体结构的安定分析中,给出了一种可以求解连续体结构安定下限近似解的数值分析方法。这种方法以结构吸收的塑性能作为安定判断准则,通过特殊的加载方式,使结构形成求下限解所需的最佳残余应力场。它避开了传统的数学规划方法,具有物理概念清晰、易于实施、计算效率高的优点。（3）将安定理论引入到考虑波浪荷载往复作用的深水半潜式海洋钻井平台撑杆结构的极限强度分析中。基于半潜平台的整体三维模型,建立了撑杆的细化局部模型,对压-弯受力情况下的撑杆进行了考虑加载角度、外壳厚度、加劲肋厚度、加劲肋间距四种设计参数的安定性数值分析。计算结果表明,安定极限随着撑杆外壳厚度和加劲板厚度的增加而增加,随着加劲板间距的增大而减小,α=0°情况下的整体安定极限值比?=90°情况下的安定极限值大。（4）将安定性数值分析方法应用于交通工程结构的承载力评价中,对循环交变车辆荷载作用下的结构承载力进行了考虑多种因素的安定分析。结果表明,安定极限是介于塑性极限和弹性极限之间的较为的合理承载力评价参数值,可在保证结构安全性的前提下,较大限度地发挥材料的潜能。（5）对沉井后背土体的扰动情况进行了现场测试以及理论分析,然后将基于能量原理的安定性数值方法引入后背土体位移分析中,给出了预测后背土体位移的安定分析步骤。数值结果在用原位测试数据对比验证后,分析了顶力位置、土体弹性模量、沉井后背墙厚度、顶力大小对沉井后背土体位移的影响。结果表明,后背土体位移随着顶力位置上移及顶力增大而增大;随着土体弹性模量的增大而减小;随着沉井后背墙厚度减小而增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 安定分析理论
• 1.2.2 安定分析方法
• 1.2.3 安定分析的应用
• 1.3 存在的问题
• 1.4 研究内容
• 1.5 主要创新点
• 1.6 技术路线
• 1.7 论文结构
• 第2章 DH36钢安定行为试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验条件
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验设备
• 2.3 棘轮安定的界定
• 2.4 试验内容、结果及讨论
• 2.4.1 DH36钢常规力学性能试验
• 2.4.2 加载波形对DH36钢安定行为的影响
• 2.4.3 加载速率对DH36安定行为的影响
• 2.4.4 应力比对DH36钢安定行为的影响
• 2.4.5 应力幅历史对DH36钢安定行为的影响
• 2.4.6 应力幅不变，平均应力对DH36钢安定行为的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于能量原理的安定性数值分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 残余应力和残余应变
• 3.3 加载方式
• 3.3.1 变值加载
• 3.3.2 循环加载
• 3.3.3 非循环加载
• 3.4 安定性及下限定理
• 3.5 安定下限分析的数学规划方法
• 3.6 能量原理在安定性数值分析中的运用
• 3.6.1 杆件结构的能量法
• 3.6.2 连续体结构的能量法
• 3.7 算例验证
• 3.7.1 厚壁圆筒的安定分析
• 3.7.2 带有圆孔形缺陷方板受双向拉伸作用时的安定载荷分析
• 3.8 本章小节
• 第4章 深水半潜式海洋钻井平台局部结构安定分析
• 4.1 引言
• 4.2 半潜式海洋钻井平台结构特征
• 4.3 计算荷载
• 4.4 半潜式平台整体结构强度分析
• 4.4.1 平台结构尺寸及计算海况条件
• 4.4.2 计算工况
• 4.4.3 建立整体模型
• 4.4.4 计算结果
• 4.5 撑杆局部结构的安定分析
• 4.5.1 撑杆结构局部建模
• 4.5.2 多种工况下的安定分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 交通荷载作用下的结构承载力分析
• 5.1 引言
• 5.2 交通荷载作用下粒状材料的安定现象
• 5.3 弹塑性模型
• 5.3.1 Mohr-Coulomb屈服准则
• 5.3.2 Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则
• 5.4 路面结构承载力分析
• 5.4.1 交通荷载对路面结构的作用机理
• 5.4.2 简化模型
• 5.4.3 计算结果及讨论
• 5.5 地铁隧道近距离下穿铁路干线
• 5.5.1 计算模型
• 5.5.2 两种循环荷载作用下的铁路地基承载力分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 顶管施工荷载作用下的沉井后背土体扰动安定分析
• 6.1 引言
• 6.2 现场监测
• 6.2.1 工程简介
• 6.2.2 测点布置
• 6.3 仪器安装
• 6.4 现场实测数据
• 6.4.1 顶力
• 6.4.2 土压和土体水平位移
• 6.5 后背土体受扰动理论分析
• 6.5.1 矩形沉井受力分析
• 6.5.2 沉井后背土体受力分析
• 6.5.3 沉井后背土体的应力和位移
• 6.6 后背土体位移数值计算
• 6.6.1 计算假定
• 6.6.2 分析步骤
• 6.6.3 三维建模
• 6.7 计算结果及分析
• 6.7.1 与实测结果对比
• 6.7.2 参数影响分析
• 6.8 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历攻读博士学位期间学术成果及参与的科研工作