拱結構以其優(yōu)美的造型和良好的受力性能在工程實踐中得到了廣泛的應用,其穩(wěn)定性研究一直受到學界重視。然而,由于設計不當和施工誤差等原因造成拱軸線的偏差,導致拱結構產生一定程度的幾何缺陷,以及暴露于外部腐蝕環(huán)境中,因環(huán)境銹蝕等原因引起的局部損傷,都對拱結構的穩(wěn)定性有很大的影響。有鑒于此,本文推導了考慮初始幾何缺陷條件下的圓弧拱平面內非線性穩(wěn)定理論,并結合實際工程中常見的鋼管拋物線拱,采用有限元模擬的方法對含局部損傷的鋼管拋物線拱在軸壓及壓彎作用下的平面穩(wěn)定承載力問題進行了系統(tǒng)的研究,具體研究內容如下:(1)通過一致缺陷模態(tài)法假定拱軸線偏差引起的幾何缺陷分布方式為反對稱幾何缺陷和正對稱幾何缺陷。通過考慮缺陷的軸向應變和曲率,結合能量法將缺陷考慮到拱面內屈曲的能量方程中,從而得到含幾何缺陷下的平衡微分方程。采用能量變分原理和攝動法求解含幾何缺陷下的平衡微分方程,并且求解了考慮反對稱幾何缺陷和正對稱幾何缺陷的圓弧拱在集中力作用下的非線性穩(wěn)定曲線,追蹤了其在整個受力過程中的變形形態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài),而且計算結果都得到了有限元的驗證。(2)采用大型通用有限元軟件Ansys建立局部損傷鋼管拋物線拱模型,并且結合本文推導的拱結構非線性缺陷穩(wěn)定理論,分析得到拱結構的正對稱和反對稱屈曲模態(tài),再而研究主要損傷參數即:損傷位置、損傷深度、損傷長度對穩(wěn)定系數的影響。(3)針對不同矢跨比和長細比模型,考慮幾何非線性和材料非線性的影響,研究了全跨豎向均布荷載作用下含局部損傷的鋼管拋物線拱平面內非線性穩(wěn)定承載力。結合中國鋼結構規(guī)范中軸壓柱的穩(wěn)定承載力計算方法和Pi等人提出的修正的正則化長細比概念,提出了適合軸壓作用下鋼管拋物線拱的穩(wěn)定系數計算公式。(4)通過不同荷載作用下鋼管拋物線拱的數值模擬,提出了鋼管拋物線拱在壓彎作用下平面內穩(wěn)定設計公式。該公式引入了損傷位置和損傷程度的綜合修正因子η、b,而且還考慮了矢跨比、長細比和初始缺陷等因素影響下軸力和彎矩的修正因子α_(an)和α_(am),能有效對鋼管拋物線拱的穩(wěn)定承載力進行評估,最后通過有限元模型的數值計算結果對該設計公式的正確性進行了驗證。
【學位單位】：廣州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU391
【部分圖文】：

1.1 課題背景及研究意義1.1.1 選題背景在結構工程快速發(fā)展的今天，拱不僅僅是一種受力極為合理的結構形式，而且具有悠久的歷史；其造型美觀、結構輕巧、跨越能力大、承載能力高、美觀和施工制作方便等優(yōu)勢在國內外土木工程、水利工程、機械工程和航天工程等領域都得到了廣泛的應用[1]。根據力學的基本知識，在豎向荷載作用下拱結構支承處產生豎向力和水平推力[2]，將豎向荷載產生的彎矩轉化為軸向壓力，使得拱內彎矩大大減小，具有較高的結構承載效率。在水平推力的作用下，使得拱軸截面上的彎矩，較比同跨度的直梁更小。這就是拱結構以受壓為主的力學特點。我國古代勤勞的人民通過實踐認識到拱的優(yōu)良特性，由著名匠師李春設計和建造的趙州橋（圖 1-1(a)），橋長 64.40 米，跨徑 37.02 米，是當今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。距今已有約 1400 年的歷史，同時也是保存最完善的古代敞肩石拱橋。

幾何缺陷和局部損傷對鋼拱平面內穩(wěn)定性影響研究混凝土、石材成為拱橋建設的主要材料，1997 年建成了重慶萬縣長江大橋，是世界最大跨度大的上承式鋼筋混凝土拱橋（圖 1-1(b)）。隨著我國的鋼材產量和質量的不斷提高[3]，拱這一集美學和良好性能的結構，煥發(fā)出了無限的生機，鋼結構拱結構如雨后春筍般在祖國各地建造落成，幾乎每個大一些的城市都會見到鋼結構拱的存在，鋼拱結構在工民建領域中的應用既有體育場（圖 1-2(a)），還有航站樓（圖 1-2(b)）等。

(a) 美國 Edas 大橋 (b) 澳大利亞悉尼大橋圖 1-3 國外拱結構在橋梁工程中的應用(a) 上海盧浦大橋 (b) 重慶朝天門長江大橋圖 1-4 國內拱結構在橋梁工程中的應用綜上所述，無論是在工民建或橋梁工程領域，鋼拱結構的應用都是非常普遍的。隨著社會經濟和科技快速的發(fā)展，新材料和新技術的不斷應用，鋼拱結構的跨徑不斷增大，
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 陳寶春;陳康明;趙秋;;中國鋼拱橋發(fā)展現(xiàn)狀調查與分析[J];中外公路;2011年02期

2 郭彥林;林冰;郭宇飛;;壓彎圓弧拱平面內穩(wěn)定承載力設計方法的理論與試驗研究[J];土木工程學報;2011年03期

3 郭彥林;郭宇飛;竇超;林冰;;四邊形截面圓弧空間鋼管桁架拱平面內穩(wěn)定性及試驗研究[J];建筑結構學報;2010年08期

4 段雪煒;徐偉;;重慶朝天門長江大橋主橋設計與技術特點[J];橋梁建設;2010年02期

5 易壯鵬;趙躍宇;;圓弧拱考慮一般缺陷的面內屈曲[J];應用力學學報;2009年04期

6 郭彥林;林冰;郭宇飛;;焊接工字形截面拋物線拱平面內穩(wěn)定性試驗研究[J];建筑結構學報;2009年03期

7 陳淮;葛素娟;;吊桿破斷對鄭州黃河二橋主橋靜力性能的影響[J];中外公路;2008年04期

8 范穎芳;周晶;張學志;朱彤;;拱肋損傷的肋拱橋靜力模型試驗研究[J];武漢理工大學學報;2008年03期

9 黃李驥;郭彥林;;實腹圓弧鋼拱的平面內穩(wěn)定極限承載力設計理論及方法[J];建筑結構學報;2007年03期

10 賴煉;白光耀;;大跨度鋼管砼拱橋考慮初始幾何缺陷對極限承載力影響的計算機模擬[J];廣西大學學報(自然科學版);2006年S1期

相關博士學位論文 前5條

1 黃永輝;鋼管混凝土拱橋拱肋病害機理與影響分析及吊桿更換技術研究[D];華南理工大學;2010年

2 嚴建科;結構缺陷和損傷對桁架拱橋極限承載力的影響研究[D];長安大學;2010年

3 易壯鵬;幾何缺陷對拱結構力學性能的影響[D];湖南大學;2007年

4 程鵬;兩鉸圓弧拱非線性彎曲理論和彈塑性穩(wěn)定[D];浙江大學;2005年

5 黃李驥;腹板開洞工形截面拱的穩(wěn)定性能及設計方法研究[D];清華大學;2005年

相關碩士學位論文 前3條

1 葉宇思;局部損傷對鋼管拱平面內彈塑性穩(wěn)定性能的影響研究[D];廣州大學;2017年

2 陳天平;局部腐蝕對鋼管拱肋極限承載力的影響的試驗研究與有限元分析[D];廣州大學;2016年

3 李曉倩;鋼管混凝土拋物線拱平面內穩(wěn)定性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

本文編號：2842790