大矢跨比变截面椭圆形钢拱结构稳定性分析.pdfVIP

第十四届全国现代结构工程学术研讨会 大矢跨比变截面椭圆形钢拱结构稳定性分析水 李涛1芦燕1韩庆华1，2 (1．天津大学建筑工程学院，天津300072：2．天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072) 摘要：钢拱结构是一种常用的结构形式，由于其跨度较大，一般设计由稳定控制。针对拱形钢结构有专门的设计规程，但 其适用性有限，对于变截面及轴线形式复杂的拱结构没有给出设计的方法与规定，需要做专门的分析，以保证设计 的安全可靠。因此，本文以一大矢跨比变截面椭圆形钢拱结构为实例，考虑了两种荷载工况和缺陷的影响等因素， 并进行了特征值屈曲分析、几何非线性分析和考虑几何非线性和材料非线性的双重非线性分析。分析结果表明：几 何非线性和缺陷对大矢跨比拱的平面内稳定承载力影响不大；满跨均布活载对稳定分析起控制作用；极限荷载的取 值要根据变形的要求来判断，不是荷载位移曲线上的极值点；材料非线性是必须加以考虑的因素。 关键词：椭圆形钢拱，大矢跨比，变截面，整体稳定，非线性分析 一、引言 在竖向荷载作用下，拱结构可以将弯矩转化为轴力，合理的利用材料的性质，提高结构的承载效率， 因此在工程中得到了广泛的应用。钢材具有轻质高强的特点，能以较小的截面实现更大的跨度。钢拱结构 结合了钢材材性和拱结构受力的优点，在屋盖结构中应用较多。但由于其跨度较大，钢材截面较小，长细 比较大，稳定问题突出，在设计中应予以高度的重视。目前，清华大学的郭彦林教授对拱形钢结构做了大 量的研究【l。5】，涉及实腹式、腹板开孔式、格构式等截面形式，以及圆形，抛物线形等轴线形式，在此基础 上形成了一本关于拱形钢结构的技术规程【6】，用于设计。但针对变截面以及复杂轴线形式的拱，没有给出设 计的方法，本文以一大矢跨比变截面椭圆形钢拱结构为实例，考虑了两种荷载工况和缺陷的影响等因素， 并进行了特征值屈曲分析、几何非线性分析和考虑几何非线性和材料非线性的双重非线性分析。 二、工程概况 某收费站工程采用椭圆形变截面钢拱为主要受力体系，拱间布置刚性系杆作为侧向支撑，主拱与支撑 共同构成空间受力体系，其平面布置如图l，主拱跨度22m，通车方向进深lOm。 主拱的具体轴线形式如图2，拱的轴线为椭圆的一部分，椭圆的长轴长为22m，短轴长为loin，拱的矢 高为8m。主拱的支座约束为平面内的铰接约束，允许转动。 主拱截面为工字形截面，具体尺寸及变化位置如表1和图3所示。表l列出了8个典型的截面尺寸， 图3标注了对应表1的截面尺寸类型所在的位置，通过8段渐变来近似模拟变截面梁，主拱分A、B、C、 D四个区，A区和B区部分等分为8段，C区和D区部分等分为4段。 工业建筑2014增刊 第十四届全国现代结构工程学术研讨会 1 主拱 支撑 f ，|厂～I ／ 量 ， ∞ ＼＼ ／ 图1结构平面布置图 图2主拱轴线形式 表1主拱截面尺寸 序号 l 2 3 4 5 6 7 8 截面高度(mm) 200 250 300 350 400 450 500 550 注：主拱各截面具有相同的翼缘宽度、厚度及腹板厚度，分别为150mm、12mm、8mm。 ：∥。 j}》飞7 ≯ 簧 8 ＼ 8