【摘要】：索支撐預(yù)應(yīng)力鋼柱作為一種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件,能夠顯著增強(qiáng)普通細(xì)長(zhǎng)受壓柱的承載性能。此外,纖細(xì)的拉索也使得構(gòu)件整體輕盈美觀,豐富了普通受壓柱的建筑表現(xiàn)。然而以往研究或應(yīng)用索支撐預(yù)應(yīng)力鋼柱時(shí),鋼柱和撐桿截面多設(shè)計(jì)為圓形截面,實(shí)際上箱型截面也滿足對(duì)稱性和截面主軸方向的等穩(wěn)定性,而且便于與其他構(gòu)件相連。本文即是以箱形截面索支撐預(yù)應(yīng)力鋼柱為研究對(duì)象,通過理論分析和模型試驗(yàn)驗(yàn)證后的數(shù)值模擬分析方法對(duì)這類結(jié)構(gòu)構(gòu)件偏心受壓時(shí)的整體穩(wěn)定性能展開研究。本文首先匯總了典型索撐預(yù)應(yīng)力鋼柱的理論解析方法、試驗(yàn)方法與結(jié)果,并以此為基礎(chǔ)驗(yàn)證本文所用有限元模擬方法的正確性。在此基礎(chǔ)上,本文通過大量ABAQUS有限元模擬計(jì)算,對(duì)設(shè)置單層和雙層撐桿的偏心受壓索支撐方鋼管柱進(jìn)行穩(wěn)定性能分析,探討偏心率、長(zhǎng)細(xì)比、初始預(yù)應(yīng)力、初始缺陷、拉索剛度、橫撐桿剛度等因素對(duì)索撐柱承載力的影響,得到偏心受壓索撐柱穩(wěn)定承載能力影響因素的定性分析結(jié)果,并說明軸心受壓與偏心受壓索撐柱穩(wěn)定承載性能的差異。同時(shí),提出關(guān)于偏心率、長(zhǎng)細(xì)比和撐桿長(zhǎng)度與柱長(zhǎng)比值等變量的極限承載力折減系數(shù),用于量化偏心受壓的承載能力相較于軸心受壓承載力的折減比,為日后的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。本文主要研究成果如下:本文研究發(fā)現(xiàn),橫撐桿和預(yù)應(yīng)力拉索的引入使得軸心和偏心受壓鋼柱承載力得到顯著提升。偏心受壓?jiǎn)螌铀鲹晤A(yù)應(yīng)力柱的承載力隨著初始預(yù)應(yīng)力的增加而增強(qiáng),但是較大的初始預(yù)應(yīng)力使得構(gòu)件后屈曲性能趨于不穩(wěn)定。相較于軸心受壓狀態(tài),偏心受壓索支撐鋼柱承載能力對(duì)于初始預(yù)應(yīng)力的變化更加敏感。單層索撐預(yù)應(yīng)力柱對(duì)于初始缺陷的敏感性較強(qiáng),索撐柱的承載力隨初始幾何缺陷的增大而降低,而極限承載力與初始缺陷的關(guān)系曲線呈現(xiàn)線性降低。增加荷載偏心率和長(zhǎng)細(xì)比均會(huì)使得承載力下降,極限承載力隨偏心率和長(zhǎng)細(xì)比的增大大致呈線性降低變化規(guī)律。橫撐桿長(zhǎng)度與拉索直徑對(duì)偏心受壓索撐柱穩(wěn)定性的影響和軸心受壓索撐柱存在本質(zhì)區(qū)別。對(duì)于軸心受壓索撐柱,當(dāng)臨界屈曲模態(tài)為反對(duì)稱時(shí),增加撐桿長(zhǎng)和索徑對(duì)屈曲荷載和強(qiáng)度的影響極為微弱;而對(duì)于偏心受壓索撐預(yù)應(yīng)力柱,即使發(fā)生反對(duì)稱屈曲,也可以通過增加撐桿長(zhǎng)與索徑提升其屈曲強(qiáng)度。對(duì)偏心受壓雙層索撐預(yù)應(yīng)力方鋼管柱進(jìn)行了承載能力影響因素分析,這些因素包括荷載偏心率、撐桿長(zhǎng)、拉索直徑等。分析結(jié)果表明:荷載偏心率的增加會(huì)降低雙層索撐柱承載力,而撐桿長(zhǎng)度和拉索直徑的增加會(huì)增強(qiáng)索撐柱的承載力,這種增強(qiáng)作用受偏心率與受壓狀態(tài)的影響。對(duì)于軸心受壓雙層索撐柱,撐桿長(zhǎng)度和拉索直徑較小時(shí),索撐柱發(fā)生對(duì)稱模態(tài)屈曲,此時(shí)增加撐桿長(zhǎng)或增大索徑能大幅提高承載力,而當(dāng)索撐柱發(fā)生反對(duì)稱模態(tài)屈曲時(shí),撐桿長(zhǎng)度及索徑的增大對(duì)提升承載力的作用不再顯著。而對(duì)于偏心受壓雙層索撐柱,即使發(fā)生反對(duì)稱模態(tài)屈曲,撐桿長(zhǎng)度和索徑對(duì)于提高承載力的作用卻不可忽視。在對(duì)偏心受壓?jiǎn)螌雍碗p層索支撐預(yù)應(yīng)力方鋼管柱進(jìn)行承載能力影響因素分析的基礎(chǔ)上,擬合了考慮偏心荷載作用下的承載能力折減系數(shù)計(jì)算公式�？梢杂糜诠浪憬o定撐桿長(zhǎng)與柱長(zhǎng)的比值、長(zhǎng)細(xì)比和荷載偏心率時(shí),偏心受壓索撐柱相較于軸心受壓柱的極限承載力縮減比例系數(shù)。經(jīng)檢驗(yàn),擬合公式的精確度較好,可用于為偏心受壓索撐預(yù)應(yīng)力方鋼管柱的設(shè)計(jì)提供參考。本文主要以有限元數(shù)值模擬為研究手段,對(duì)單層和雙層索支撐預(yù)應(yīng)力方鋼管柱進(jìn)行研究,分析了偏心率、長(zhǎng)細(xì)比、初始預(yù)應(yīng)力、初始缺陷、拉索剛度、橫撐桿剛度等因素對(duì)偏心受壓索撐柱穩(wěn)定性能的影響,提出了考慮偏心荷載影響的承載力折減系數(shù)。研究成果可為索支撐預(yù)應(yīng)力鋼柱的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用提供參考。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU392.3
【圖文】：

第 1 章 緒論第 1 章 緒論1.1 研究背景鋼結(jié)構(gòu)由于其自身剛度大強(qiáng)度高自重輕[1]、韌性及塑性好[2]、材料環(huán)保可回收[3]等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)裝配車間、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)車站、會(huì)展中心等作為標(biāo)志性建筑[3]。鋼結(jié)構(gòu)性能的研究、造型的豐富和形式的拓展勢(shì)不可擋。(a)代代木體育館 (b)法國(guó)梅斯蓬皮杜中心

(e) 斜拉結(jié)構(gòu) (f) 預(yù)應(yīng)力索撐柱結(jié)構(gòu)圖 1-2 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)[7]Fig.1-2 Prestressed steel structures[7]預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)通常分為預(yù)應(yīng)力基本構(gòu)件、平面預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。本構(gòu)件有預(yù)應(yīng)力撐桿柱、預(yù)應(yīng)力拉桿和預(yù)應(yīng)力實(shí)腹梁等[22]。平面預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)包含預(yù)應(yīng)預(yù)應(yīng)力拱架和預(yù)應(yīng)力框架等[23]；空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼、預(yù)應(yīng)墻、張弦結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、吊掛斜拉結(jié)構(gòu)等組成[5]。在鋼結(jié)構(gòu)的承重體系中引入以使得平面預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系得到 10%-20%的經(jīng)濟(jì)效益，使空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系節(jié)省 材料[24，25]。1.1.2 預(yù)應(yīng)力索撐柱受壓柱是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的一種基本構(gòu)件，在工程實(shí)際范圍有著極為普遍的應(yīng)用受壓混凝土柱而言，受壓鋼柱長(zhǎng)細(xì)比較大，因此容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。為了提高受壓定性能，可在其中引入預(yù)張力索和撐桿形成一種新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，本文稱之為預(yù)應(yīng)力鋼柱 （簡(jiǎn)稱為 索撐柱 ）。索支撐預(yù)應(yīng)力柱的基本構(gòu)成如圖 1-3 所示，主要壓柱、橫撐桿和拉索三部分構(gòu)成，其中沿柱高設(shè)置的橫向撐桿在預(yù)張力索的作用下形成側(cè)向彈性支承，能夠縮短構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，從而約束中心柱的壓縮和屈曲變形

第 1 章 緒論性能。由于這些優(yōu)勢(shì)，索支撐預(yù)應(yīng)力柱備受建筑師們的青睞，自上世紀(jì) 70 年代以來，不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)索支撐預(yù)應(yīng)力鋼柱展開大量理論研究，設(shè)計(jì)師也將其推廣于工程實(shí)際中[30]。在工程應(yīng)用中，索支撐預(yù)應(yīng)力柱除了可以作為一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件（圖 1-4（a））單獨(dú)受力外，還可以與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件配合使用形成一些新型結(jié)構(gòu)體系（圖 1--4（b））。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2759293