拱結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的造型和良好的受力性能在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用,其穩(wěn)定性研究一直受到學(xué)界重視。然而,由于設(shè)計(jì)不當(dāng)和施工誤差等原因造成拱軸線的偏差,導(dǎo)致拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(duì)拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大的影響。有鑒于此,本文推導(dǎo)了考慮初始幾何缺陷條件下的圓弧拱平面內(nèi)非線性穩(wěn)定理論,并結(jié)合實(shí)際工程中常見(jiàn)的鋼管拋物線拱,采用有限元模擬的方法對(duì)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(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過(guò)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(duì)稱幾何缺陷和正對(duì)稱幾何缺陷。通過(guò)考慮缺陷的軸向應(yīng)變和曲率,結(jié)合能量法將缺陷考慮到拱面內(nèi)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(dòng)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(duì)稱幾何缺陷和正對(duì)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(gè)受力過(guò)程中的變形形態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài),而且計(jì)算結(jié)果都得到了有限元的驗(yàn)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(jié)合本文推導(dǎo)的拱結(jié)構(gòu)非線性缺陷穩(wěn)定理論,分析得到拱結(jié)構(gòu)的正對(duì)稱和反對(duì)稱屈曲模態(tài),再而研究主要損傷參數(shù)即:損傷位置、損傷深度、損傷長(zhǎng)度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響。(3)針對(duì)不同矢跨比和長(zhǎng)細(xì)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(nèi)非線性穩(wěn)定承載力。結(jié)合中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中軸壓柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算方法和Pi等人提出的修正的正則化長(zhǎng)細(xì)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(shù)計(jì)算公式。(4)通過(guò)不同荷載作用下鋼管拋物線拱的數(shù)值模擬,提出了鋼管拋物線拱在壓彎作用下平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計(jì)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(zhǎng)細(xì)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(duì)鋼管拋物線拱的穩(wěn)定承載力進(jìn)行評(píng)估,最后通過(guò)有限元模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)該設(shè)計(jì)公式的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，而且具有悠久的歷史；其造型美觀、結(jié)構(gòu)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(shì)在國(guó)內(nèi)外土木工程、水利工程、機(jī)械工程和航天工程等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。根據(jù)力學(xué)的基本知識(shí)，在豎向荷載作用下拱結(jié)構(gòu)支承處產(chǎn)生豎向力和水平推力[2]，將豎向荷載產(chǎn)生的彎矩轉(zhuǎn)化為軸向壓力，使得拱內(nèi)彎矩大大減小，具有較高的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以受壓為主的力學(xué)特點(diǎn)。我國(guó)古代勤勞的人民通過(guò)實(shí)踐認(rèn)識(shí)到拱的優(yōu)良特性，由著名匠師李春設(shè)計(jì)和建造的趙州橋（圖 1-1(a)），橋長(zhǎng) 64.40 米，跨徑 37.02 米，是當(dāng)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(shí)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(duì)鋼拱平面內(nèi)穩(wěn)定性影響研究混凝土、石材成為拱橋建設(shè)的主要材料，1997 年建成了重慶萬(wàn)縣長(zhǎng)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(guó)的鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量的不斷提高[3]，拱這一集美學(xué)和良好性能的結(jié)構(gòu)，煥發(fā)出了無(wú)限的生機(jī)，鋼結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)如雨后春筍般在祖國(guó)各地建造落成，幾乎每個(gè)大一些的城市都會(huì)見(jiàn)到鋼結(jié)構(gòu)拱的存在，鋼拱結(jié)構(gòu)在工民建領(lǐng)域中的應(yīng)用既有體育場(chǎng)（圖 1-2(a)），還有航站樓（圖 1-2(b)）等。

(a) 美國(guó) Edas 大橋 (b) 澳大利亞悉尼大橋圖 1-3 國(guó)外拱結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用(a) 上海盧浦大橋 (b) 重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋圖 1-4 國(guó)內(nèi)拱結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用綜上所述，無(wú)論是在工民建或橋梁工程領(lǐng)域，鋼拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用都是非常普遍的。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技快速的發(fā)展，新材料和新技術(shù)的不斷應(yīng)用，鋼拱結(jié)構(gòu)的跨徑不斷增大，
【參考文獻(xiàn)】

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10 賴煉;白光耀;;大跨度鋼管砼拱橋考慮初始幾何缺陷對(duì)極限承載力影響的計(jì)算機(jī)模擬[J];廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年S1期

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本文編號(hào)：2842790