四边形截面圆弧空间钢管桁架拱平面内稳定性及试验研究

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M Pa , 泊松比 0 3, 屈服强度 235M Pa, 屈服后弹性模量
g
0 6m, 腹杆与弦杆外径比 D d /D c = 0 5; ( 2 )
g
= 60,
= 30 , H = 1 5m,
= 30, H = 1 5m, D d /D c = 0 2。
针对以上 4 种 情况, 考察 桁架 拱 在全 跨和 半跨 水 平 均布荷载 作 用下 的 弹 塑 性稳 定 性 能及 失 稳 破 坏 机 理。采用理想弹塑性材 料模型, 弹 性模量 2 06 10
建筑结构学报
Journal of Bu ild ing S tru ctu res
第 31 卷 第 8 期 2010年 8 月 V o l 31 N o 8 Aug 2010
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文章编号: 1000 - 6869( 2010) 08-0054 - 09
四边形截面圆弧空间钢管桁架拱 平面内稳定性及试验研究
图 1 全跨荷载下的荷载 位移曲 线 F ig . 1 L oad-d isp lace m ent curves under full span load
1 稳定承载力理论研究
1 1 弹塑性失稳模式 在平面内竖 向荷 载 作用 下, 矩 形截 面 钢管 桁 架 拱会发生整体 失稳、 弦杆 局部 失 稳以 及局 部与 整 体 的相关失稳。另外, 腹杆作 为抵抗剪 力的 构件, 其 轴 力也较大, 当腹 杆尺 寸较 小时 容 易发 生腹 杆的 局 部 失稳。 以 矩 形截 面 桁 架 拱 为 例, 跨 度 30m, 矢 跨 比 0 30, 弦杆采用 152 6, 腹杆 与弦杆 的壁厚比 0 5,
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Hale Waihona Puke Baidu
为零。全跨荷载作 用时, 考虑 峰值 大 小为 S /500 的
0 引言
拱是一种古 老的 结 构形 式, 是 结构 与 建筑 的 完 美结合。新的 建筑 材料 和新 的 结构 形式 的应 用, 使 拱形结构又 得到 了 不断 发展。 一方 面, 拱 的发 展 经 历了石拱、 砖拱、 混凝土拱 到钢拱; 另 一方 面, 又经 历 了等截 面 拱、 变截 面 拱、 腹 板 开 洞 拱到 桁 架 拱。 目 前, 拱形钢结构 尤其 是空 间钢 管 桁架 拱是 大跨 度 结 构中广 泛采 用 的 一种 结 构 形 式。从 已 有 的 文 献 来 看, 针对实腹式 和腹 板开 洞拱 的 理论 研究 较为 深 入 和广泛
[ 17 -18] [ 1-11]
反对称初始几何缺陷的影响
[ 6]
。
图 1、 2 分别给出了全跨荷载、 半跨荷载作用下的 荷载位移曲线, 4种参数情况分别对应于 曲线 1 ~ 4。 第 1种情况 下由 于 拱的 整体 长细 比 较大, 发生 的是 整体失稳破坏; 第 2种和第 4 种情况由于腹杆刚度很 弱, 在剪力作用 下首 先发 生局 部失 稳 破坏 导致 结构 丧失承载能力; 第 3 种情况下 拱的整 体长细 比较 小, 而节间弦杆的长 细 比较 第 1 种情 况 增大, 节间 弦杆 的屈曲先于结构 整 体屈 曲发 生, 因 此 最终 破坏 形态 为节间弦杆的失稳。
g
F ig . 2
图 2 半跨荷载下的荷载 位移曲 线 Load -d isplacem ent curves under ha lf span load
从图 1~ 2所示的 计算结果 可以 看出, 整 体失稳 时, 极值点后荷载随着变形 的发展 下降缓慢, 而弦杆 局部失稳时则下降稍快。腹 杆失稳 导致拱的 承载能 力迅速下降, 具有 脆性 破 坏的 特征。 拱的 整体 长细 比较大时, 全跨 荷载 作用 下腹 杆失 稳 与整 体失 稳相 比承载力有一定 下 降, 半 跨荷 载作 用 下腹 杆失 稳则 会导致承载力更 大 幅度 地下 降; 当 整 体长 细比 较小 时, 不论全跨荷载还是半跨 荷载, 腹 杆失稳都 会导致 承载力大幅下降, 尤其半跨 荷载作 用时下降 得更 多。 拱在半跨荷载作 用 下的 剪力 比全 跨 荷载 要大, 因此 在尺寸相同的情 况 下, 半 跨荷 载作 用 下腹 杆更 容易 发生局部失稳, 且承载力下降得更多。
Theoretical and experm i ental investigation on in -plane stab ility of spatial circular tube truss -arches w ith quadrangular section
GUO Y an lin , GUO Y ufe,i DOU Chao , LI N B ing ( D epart m en t of C iv il Eng ineer ing , T singhua U n iversity , Beijing 100084, China)
截面宽高 比 0 5。定 义 桁 架拱 的 几 何 长细 比 2S /H (S 为拱轴弧长的一半, H 为截面高度 )。 算例 设 计 考 虑 4 种 情 况: ( 1 ) H = 0 6m, D d /D c = 0 2; ( 3 ) D d /D c = 0 5; ( 4 )
g g
=
= 60, H =
郭彦林, 郭宇飞, 窦 超, 林 冰
( 清华大学 土木工程系, 北京 100084)
摘要: 通过大挠度弹塑性有限元分析研究桁架拱在集中荷载、 水平均布 荷载、 轴线均布 荷载等不同 荷载形式下 的失稳与 破 坏机理, 考察截面高宽比、 矢跨比、 腹杆夹角、 腹杆尺寸等几 何参数对桁 架拱稳定 承载力的影 响, 结 果表明在不 同参数条 件 下, 桁架拱可能发生弦杆局部失稳、 腹杆局部失稳、 整体失稳以及局部与整体相关失稳等 破坏形式; 与 拱的整体失稳和弦 杆 局部失稳相比, 腹杆失稳会导致承载力的大幅下降, 设计 中应保证腹 杆不先发 生破坏。在理 论分析的基 础上, 设计 4 榀 矩 形及梯形截面空间桁架拱模型进行了平面内稳定性能试验 研究, 分析表明两 种截面形 式的桁架拱 在平面内具 有基本相 同 的刚度和承载能力, 其承载力设计可以采用相同公式。最后, 基于静水 压力作用 下桁架拱的 面内稳定设 计曲线, 通过大 量 的算例分析, 提出轴力和弯矩共同作用下四边形截面圆弧形空间钢管桁架拱的整体面内稳定承载力设计方法。 关键词: 桁架拱; 四边形截面; 静载试验; 面内稳定; 稳定承载力; 设计方法 中图分类号: TU 393 302 TU 317 1 文献标志码: A
, 同时也有一定的试验 研究
[ 9, 12-16]
; 但对 于
桁架 拱 稳 定 性 能 理 论 研 究 的 文 献 资 料 还 比 较 少 , 而试验研究 方面则 鲜有 报道。所以, 研究 桁 架拱的稳定性 能及 受力 破坏 机 理, 总 结出 桁架 拱 系 统的稳定承载力理论以 及适合工 程实践 应用的设 计 公式或建议, 对工程设计具有指导意义。 目前, 工程 上普 遍 应 用的 空 间 钢管 桁 架 拱有 4 种截面形式: 正三 角 形, 倒 三角 形, 矩形 与 梯形。 本 文以四边形 ( 矩形和倒梯形 ) 截面的 两铰圆弧形空 间 钢管桁架拱为 研究 对象, 通过 大 量的 数值 分析 与 试 验研究, 一方面 揭示 其失 稳机 理 与构 件截 面及 轴 线 几何参数之间 的关 系; 另 一方 面 在了 解其 破坏 与 失 稳机理的前提下, 通过大 量算例 的有限元 数值分 析, 比较压弯拱与 纯压 拱之 间的 内 在联 系, 最 终建 立 压 弯钢管桁架拱稳定承载力的设计方法。
Abstract : Th e buck ling m odes and failu re m echan ism of circu lar tru ss-arches w ith quad rangu lar sect ion s under d ifferent load cases includ ing horizon tal un ifor m load, axially un ifor m ly d istribu ted load and concen trated load were investigated, and the in fluence of d ifferen t geom etric para m eters of th e tru ss-arches su ch as sectional h eight - to -w id th rat io , rise - to -span ratio , web-m e mb er in cluded angle and sect iona l d m i ens ion on th e failure mod e and bearing capacit ies were also d iscussed, wh ich shows that loca l buck ling of chord m embers , loca l buck ling of w eb m e mb ers, globa l bu ck ling and in teractive bu ck ling may occur under d ifferen t cond itions, and co m pared w ith g lob al bu ck ling and chord-m e mb er local buck ling , the buck ling of web m embers largely decreases bearing capac ity of the whole truss -arch, wh ich shou ld b e preven ted in design. The tests of fou r tru ss -arch mode ls w ith rectangu lar and trap ezo ida l sections were carried out , wh ich ind icates tru ss arches w ith the two types of sections m en tion ed above have almost th e sa m e stiffness and b earing cap acity, and th ey can share the sa m e des ign for mu la . F in ally , the d es ign formu la for p red icting th e bearing capacity of circu lar truss -arch es w ith quadrangu lar sections under comb ined comp ression and mom en ts w as proposed, based on both the quant ities of num erical an alyt ical resu lts as well as the stab ility cu rve o f th e truss -arches on ly sub jected to hyd rostat ic pressu re . K eywords : tru ss -arch; quad rangu lar section; static test ; in-p lan e stab ility ; b earing capac ity ; des ign m ethod
基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50478013) 。 作者简介: 郭彦林 ( 1958 ), 男, 陕西富平人, 工学博士, 教授。 E-m ai: l gy@ l ts inghua edu cn 通讯作者: 窦超 ( 1984 ), 男, 陕西咸阳人, 博士研究生。 E-m ai: l douc06 @ m ails thu edu cn 收稿日期: 2009年 5月