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

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
, 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。
[ 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 der 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。
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,
54
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
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
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
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 =
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)