碳纤维增强压弯钢构件稳定性研究

论文摘要

现代建筑提倡使用绿色建筑材料,钢结构材料得以广泛利用。钢结构中大多存在压弯构件,此类构件的破坏形式有强度破坏或者失稳破坏,而后者一直备受人们关注。研究失稳破坏问题大多采用数值方法。对于截面相对比较简单,受力情况又不十分复杂的构件,则可以寻求解析方法求解。本文将基于计算压弯构件弹塑性失稳的解析求解思想,推导在轴压和弯矩共同作用下翼缘外表面粘贴碳纤维的H型钢构件和方矩形(空心)截面钢构件及表面全部粘贴碳纤维的圆形截面钢管构件增强前后绕强轴失稳时的极限荷载计算公式,同时给出了有限元数值分析结果。求解中分别对两端简支压弯钢构件失稳时截面受压侧屈服和受压受拉侧均屈服的两种情况进行了讨论。对于H型钢构件和方矩形(空心)截面钢构件来说,又可进一步分别考虑屈服区出现在翼缘和腹板内的情形。而对于圆形截面钢管构件来说,由于管壁较薄,不再考虑塑性区沿壁厚的变化。给出了翼缘外表面粘贴碳纤维且具有初始几何缺陷的压弯H型钢的极限承载力表达式。分析比较了碳纤维对具有初始几何缺陷的钢构件和完善构件增强效果。当两端给定不同弯矩值时,增强后具有初始缺陷的钢构件与未增强的完善构件极限承载力进行对比,获得碳纤维增强效果的结论。理论求解残余应力在稳定问题中的影响相对比较困难,故本文利用有限元软件模拟分析了两端简支具有初始残余应力压弯H型钢构件的失稳问题。详尽讨论了碳纤维增强前后H型钢构件在给定残余应力模式下,极限承载力随两端弯矩改变的变化规律,特别提出了复合材料在端弯矩较大时的增强作用。通过给出具有不同长细比压弯H型钢构件失稳时的极限承载力,截面弹性核高度等参数,得到与钢结构设计规范一致的弯矩与极限承载力相关曲线。做出相应的增强后压弯H型钢构件的极限承载力与弯矩相关曲线,并得到实用的极限承载力实用公式。分别列举其它截面尺寸增强前后H型钢构件极限承载力与弯矩相关曲线来验证简化公式的正确性,并为工程设计提供参考。对碳纤维增强前后就两端在不同弯矩作用下存在冲击荷载、循环荷载的H型钢构件进行了非线性动力屈曲分析,分别给出了增强前后钢构件的冲击后的极限屈曲荷载和循环水平极限荷载值,最后讨论了边界条件,碳纤维厚度和弹性模量对存在动力荷载作用下H型钢构件的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 FRP的概念
• 1.2.2 弹塑性稳定问题
• 1.2.3 完善钢构件的失稳问题数值研究
• 1.2.4 粘贴碳纤维的钢构件失稳问题数值研究
• 1.2.5 压弯钢构件的解析解研究
• 1.2.6 压弯钢构件的动力屈曲研究
• 1.3 本文的研究方法、目标及内容
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 压弯钢构件稳定分析的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 基本假定
• 2.3 Jezek法理论应用
• 2.3.1 压弯矩形钢构件受压侧出现塑性
• 2.3.2 压弯矩形钢构件受压受拉侧均出现塑性
• 2.4 压弯H型钢构件弹塑性失稳计算
• 2.4.1 未增强压弯H型钢构件失稳公式
• 2.4.2 增强后压弯H型钢构件失稳公式
• 2.5 压弯方矩形（空心）截面钢构件弹塑性失稳计算
• 2.5.1 未增强压弯矩形（空心）截面钢构件失稳公式
• 2.5.2 增强后压弯矩形（空心）截面钢构件失稳公式
• 2.6 增强后压弯圆形管构件弹塑性失稳计算
• 2.6.1 增强后压弯圆形钢管构件受压侧出现塑性
• 2.6.2 增强后压弯圆形钢管构件受压和受拉侧均出现塑性
• 2.7 本章小结
• 第3章 压弯钢构件弹塑性失稳分析
• 3.1 引言
• 3.2 钢构件截面尺寸选择
• 3.3 压弯H型钢构件失稳结果讨论
• 3.3.1 未增强压弯H型钢构件失稳解析解讨论
• 3.3.2 增强后压弯H型钢构件失稳解析解讨论
• 3.4 压弯方矩形（空心）截面钢构件失稳结果讨论
• 3.4.1 未增强压弯方形（空心）截面钢构件失稳解析解讨论
• 3.4.2 增强后方形（空心）截面钢构件失稳解析解讨论
• 3.5 ANSYS计算模型
• 3.5.1 材料模型
• 3.5.2 单元选择
• 3.5.3 建模内容
• 3.5.4 圆形钢管构件的数值分析结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 具有初始缺陷的压弯钢构件失稳分析
• 4.1 引言
• 4.2 两种初始缺陷
• 4.2.1 初始几何缺陷
• 4.2.2 残余应力
• 4.3 具有初始几何缺陷的压弯H型钢构件失稳计算
• 4.3.1 未增强压弯H型钢构件失稳公式
• 4.3.2 增强后压弯H型钢构件失稳公式
• 4.3.3 考虑初始几何缺陷的压弯H型钢构件失稳结果分析
• 4.4 具有初始缺陷的压弯H型钢构件有限元模型
• 4.4.1 初始几何缺陷模型
• 4.4.2 初始残余应力模型
• 4.4.3 具有残余应力碳纤维增强前后的钢构件有限元模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 压弯H型钢构件极限承载力实用公式
• 5.1 引言
• 5.2 压弯构件稳定计算公式
• 5.2.1 压弯构件在弯矩平面内的弹性稳定计算公式
• 5.2.2 压弯构件在弯矩平面内的弹塑性稳定计算公式
• 5.2.3 我国钢结构设计规范中的稳定计算公式
• 5.3 压弯H型钢构件稳定计算的相关曲线
• 5.4 碳纤维增强压弯H型钢构件稳定计算的相关曲线
• 5.5 本章小结
• 第6章 压弯H型钢构件的动力失稳分析
• 6.1 引言
• 6.2 动力响应计算的数值方法
• 6.2.1 结构的动力方程
• 6.2.2 动力计算的有限元模型
• 6.3 冲击荷载作用下未增强压弯H型钢构件的稳定性分析
• 6.4 冲击荷载作用下增强后压弯H型钢构件的稳定性分析
• 6.5 循环荷载作用下增强后压弯H型钢构件滞回性能分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录 FORTRAN求解计算流程示意图
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢