论文题目: 腹板开洞工形截面拱的稳定性能及设计方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 土木工程
作者: 黄李骥
导师: 郭彦林
关键词: 腹板开洞拱,稳定性,设计方法,等效,优化
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 腹板开洞拱是一种新型结构,它结合了拱和开洞构件的特点,建筑新颖通透,结构自重小,效率高,但开洞拱或实腹拱均缺乏设计方法指导。本课题以实腹拱和开洞拱两条主线,利用有限元方法系统地研究了两者的稳定性能,利用等效思想解决了孔洞对于拱的结构性能的影响,提出了实腹拱和开洞拱的稳定极限承载力设计方法。首先研究了不作任何位移假定时实腹圆弧拱的弹性屈曲荷载,指出了拱的经典屈曲理论的不足。研究了孔洞对开洞拱的弹性屈曲模态和荷载的影响。提出了一种修正的无量纲化弹性屈曲荷载作为优化准则,以此来评价开洞拱的效率,给出了孔的优化半径和间距。提出了腹板开洞拱的长细比等效方法,把腹板开洞拱等效为由两个T形截面分肢和缀板组成的格构式构件,给出了孔洞的等效尺寸。其次研究了不同参数的实腹拱在几何非线性条件下的屈曲平衡路径和变形过程,定义了考虑几何非线性的弹性极限荷载。建议了实腹拱的变形计算公式。研究了开洞拱的几何非线性屈曲,考察了孔洞对变形的放大效应,指出了剪切对于腹板开洞构件的重要影响,建议了腹板开洞构件的变形计算公式。阐述了拱的非线性屈曲特点,研究了不同参数的实腹拱的弹塑性屈曲性能,总结了不同矢跨比的实腹拱的破坏机理。研究了孔洞对腹板开洞拱的弹塑性屈曲性能的影响,总结了腹板开洞拱的破坏机理,指出了腹板开洞拱所特有的由两个塑性铰组成的单边塑性铰破坏模式。指出了用弹性分析加安全系数代替弹塑性分析的设计方法是不完善的。研究了考虑局部屈曲影响的实腹拱和开洞拱的弹塑性屈曲性能,分析了不同参数对相关屈曲的影响。最后,结合我国钢结构设计规范,定义了拱的正则化长细比,建立了拱的稳定系数与拱的正则化长细比的关系,提出了实腹拱的稳定极限承载力设计方法。对于腹板开洞拱,利用等效思想,提出了腹板开洞拱的稳定极限承载力设计方法。结合前人和本课题的研究成果,总结了腹板开洞拱的设计建议,包括强度设计、变形和刚度设计、整体稳定设计、局部稳定设计和构造等方面。
论文目录:
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 拱
1.1.2 腹板开洞构件
1.2 拱的研究现状
1.2.1 简述
1.2.2 拱的平面内稳定问题
1.2.3 研究拱稳定问题的方法
1.2.4 拱稳定问题的设计方法
1.3 开洞构件的研究现状
1.3.1 概述
1.3.2 强度和刚度计算
1.3.3 截面的优化设计
1.3.4 破坏形式和稳定性能
1.4 研究内容及研究方法
1.4.1 研究内容
1.4.2 研究方法
第2章 有限元理论
2.1 壳单元
2.2 几何非线性
2.3 材料非线性
2.3.1 von Mises 屈服准则
2.3.2 Prandtl-Reuss 塑性流动增量理论
2.3.3 等向强化准则
2.4 迭代方法
2.5 收敛准则
第3章 腹板开洞拱的弹性屈曲及孔洞优化
3.1 拱的经典屈曲理论
3.1.1 平衡条件
3.1.2 变形几何关系
3.1.3 圆弧拱弹性屈曲的基本方程
3.1.4 两铰圆弧拱的弹性屈曲
3.2 实腹圆弧拱的弹性屈曲
3.2.1 在静水压力作用下的弹性屈曲
3.2.2 在其他荷载作用下的弹性屈曲
3.3 腹板开洞拱的弹性屈曲
3.3.1 腹板开洞拱的弹性屈曲模态
3.3.2 孔洞对弹性屈曲荷载的影响
3.4 孔洞的优化
3.4.1 优化函数的确定
3.4.2 孔洞优化值的确定
3.5 腹板开洞拱的等效处理
3.5.1 按抗弯刚度等效
3.5.2 按长细比等效
3.6 本章小结
第4章 考虑几何非线性的腹板开洞拱的屈曲
4.1 考虑几何非线性的实腹圆弧拱的屈曲
4.1.1 初始几何缺陷的考虑
4.1.2 考虑几何非线性的弹性极限荷载的定义
4.1.3 在静水压力作用下的非线性屈曲
4.1.4 在其他荷载作用下的非线性屈曲
4.2 实腹圆弧拱的变形计算
4.3 考虑几何非线性的腹板开洞拱的屈曲
4.3.1 在静水压力作用下的非线性屈曲
4.3.2 在其他荷载作用下的非线性屈曲
4.4 腹板开洞拱的变形计算
4.4.1 腹板开洞拱的变形放大效应
4.4.2 腹板开洞拱的变形计算
4.5 本章小结
第5章 同时考虑几何非线性和材料非线性的腹板开洞拱的屈曲
5.1 拱的非线性屈曲
5.2 同时考虑几何非线性和材料非线性的实腹圆弧拱的屈曲
5.2.1 在静水压力作用下的弹塑性屈曲
5.2.2 在其他荷载作用下的弹塑性屈曲
5.3 实腹圆弧拱的破坏机理
5.4 同时考虑几何非线性和材料非线性的腹板开洞拱的屈曲
5.4.1 在静水压力作用下的弹塑性屈曲
5.4.2 在其他荷载作用下的弹塑性屈曲
5.5 腹板开洞拱的破坏机理
5.6 本章小结
第6章 考虑局部屈曲的腹板开洞拱的屈曲
6.1 实腹圆弧拱的局部屈曲
6.2 实腹圆弧拱的相关屈曲
6.3 腹板开洞拱的局部屈曲
6.4 腹板开洞拱的相关屈曲
6.5 本章小结
第7章 腹板开洞拱的设计建议
7.1 实腹圆弧拱的极限承载力设计
7.1.1 实腹柱的极限承载力设计回顾
7.1.2 实腹圆弧拱在静水压力作用下的极限承载力设计
7.1.3 实腹圆弧拱在其他荷载作用下的极限承载力设计
7.2 腹板开洞拱的极限承载力设计
7.2.1 格构柱的极限承载力设计回顾
7.2.2 腹板开洞拱在静水压力作用下的极限承载力设计
7.2.3 腹板开洞拱在其他荷载作用下的极限承载力设计
7.3 腹板开洞拱的强度设计
7.3.1 开洞截面的正应力
7.3.2 开洞截面的剪应力
7.3.3 强度验算
7.4 腹板开洞拱的刚度和变形设计
7.4.1 实腹圆弧拱的变形验算
7.4.2 腹板开洞拱的变形验算
7.4.3 腹板开洞拱的刚度验算
7.5 腹板开洞拱的稳定性设计
7.5.1 翼缘的局部稳定设计
7.5.2 腹板的局部稳定设计
7.5.3 腹板开洞拱的构造设计
7.6 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 结论
8.2 展望
参考文献
致谢与声明
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2006-06-29
参考文献
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