薄壁圆柱壳在不均匀沉降下的试验研究

论文摘要

薄壁圆柱壳结构广泛应用于土木工程中,如储罐、筒仓、塔桅、烟囱以及管道等。建造在软土地基上的大型圆柱壳容易产生各种沉降变形,包括壳体的整体均匀沉降、整体倾斜沉降、壳体周边的不均匀沉降以及局部沉降。薄壁结构的稳定性能对沉降变形十分敏感,其中壳体周边的不均匀沉降对壳体稳定最为不利。本文希望通过试验研究考察薄壁圆柱壳在不均匀沉降下的稳定性能。本文设计、制作了一套与壳体结构初始缺陷测量系统相集成的不均匀沉降产生装置。这套不均匀沉降产生装置总共32个沉降点,通过调节32个沉降产生点处的正反螺纹可调套筒产生沉降位移,可以灵活模拟各种谐波沉降和局部沉降；同时,设计、制作了边界模拟装置,通过这套装置制作壳体模型,并很好地形成薄壁圆柱壳模型顶部边界和底部边界,能够很好地模拟浮顶壳体和固顶壳体。浮顶壳体和固顶壳体在这种状态下,可以假定薄壁圆柱壳没有初始应力,只有很小的几何初始缺陷,适用于薄壁圆柱壳的试验研究。本文利用聚酯薄膜和钢材制作试验模型,通过沉降产生装置产生谐波沉降和局部沉降,利用测量系统对试件初始几何缺陷以及试验过程中的试件变形进行精确测量,通过数据采集系统记录试验数据。对试验模型进行了非线性有限元分析,分析中直接引入实测初始几何缺陷,并且有限元结果与试验结果进行了比较。研究发现,谐波沉降作用下,浮顶壳体壳顶径向位移表现为内凹和外凸相间的波状,波数等于沉降谐波数；固顶壳体的变形形状有两种基本形式：贯穿整个高度的剪切变形和壳底局部轴向压力引起的“象脚破坏”。谐波数较小时,屈曲主要表现为贯穿整个高度的剪切变形；谐波数较大时,屈曲模态主要为壳底局部“象脚破坏”。局部沉降作用下,壳体的结构响应与不均匀沉降的周向跨度有关。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.3 壳体结构
• 1.3.1 壳体结构类型
• 1.3.2 壳体屈曲的基本理论
• 1.3.3 壳体结构初始缺陷敏感性
• 1.4 壳体结构试验研究
• 1.4.1 壳体模型的制作方法
• 1.4.2 缺陷测量技术
• 1.4.3 壳体结构不均匀沉降试验研究
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 试验系统
• 2.1 概述
• 2.2 测量系统
• 2.2.1 激光测距仪
• 2.2.2 支承系统
• 2.2.3 计算机控制系统
• 2.2.4 测量系统可重复性
• 2.3 不均匀沉降产生装置
• 2.4 边界模拟装置
• 2.5 本章小结
• 第三章 不均匀沉降下薄壁圆柱壳理论分析小结
• 3.1 概述
• 3.2 谐波沉降作用下浮顶薄壁圆柱壳
• 3.2.1 薄壁圆柱壳分析模型
• 3.2.2 薄壁圆柱壳波状变形
• 3.2.3 无延伸理论
• 3.2.4 修正的Donnell公式
• 3.3 局部不均匀沉降作用下浮顶薄壁圆柱壳
• 3.4 本章小结
• 第四章 聚酯薄膜浮顶壳体试验研究
• 4.1 聚酯薄膜壳体模型
• 4.1.1 聚酯薄膜材料特性
• 4.1.2 聚酯薄膜模型制作
• 4.1.3 边界条件
• 4.2 壳体缺陷傅立叶级数表达
• 4.2.1 初始缺陷
• 4.2.2 模态幅值
• 4.3 试验过程
• 4.3.1 谐波沉降试验过程
• 4.3.2 局部沉降试验过程
• 4.4 试验结果
• 4.4.1 谐波沉降n=2
• 4.4.2 谐波沉降n=3
• 4.4.3 谐波沉降n=4
• 4.4.4 谐波沉降n=5
• 4.4.5 谐波沉降n=6
• 4.4.6 局部沉降α=90°
• 4.4.7 局部沉降α=45°
• 4.4.8 局部沉降试验结果与理论解比较
• 4.5 有限元分析比较
• 4.5.1 有限元模型
• 4.5.2 有限元分析与试验结果比较
• 4.6 带顶部环梁浮顶壳体的模型试验
• 4.6.1 聚酯薄膜模型
• 4.6.2 局部沉降试验结果
• 4.6.3 有限元分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 聚酯薄膜固顶壳体试验研究
• 5.1 聚酯薄膜壳体模型
• 5.1.1 聚酯薄膜模型制作
• 5.1.2 底部边界条件
• 5.1.3 顶部边界条件
• 5.2 试验结果
• 5.2.1 谐波沉降n=2
• 5.2.2 谐波沉降n=3
• 5.2.3 谐波沉降n=4
• 5.2.4 谐波沉降n=5
• 5.2.5 谐波沉降n=6
• 5.3 有限元分析比较
• 5.3.1 谐波沉降n=2
• 5.3.2 谐波沉降n=3
• 5.3.3 谐波沉降n=4
• 5.3.4 谐波沉降n=5
• 5.3.5 谐波沉降n=6
• 5.4 本章小结
• 第六章 金属浮顶壳体试验研究
• 6.1 金属薄壁圆柱壳模型
• 6.1.1 钢材材料特性
• 6.1.2 钢材壳体模型
• 6.2 试验结果
• 6.2.1 谐波沉降n=4
• 6.2.2 局部沉降α=45
• 6.2.3 局部沉降α=90
• 6.3 有限元分析比较
• 6.3.1 谐波沉降n=4
• 6.3.2 局部沉降α=45
• 6.3.3 局部沉降α=90
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 今后展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果