平面索拱的雙重非線性分析.pdf

1、索拱結(jié)構(gòu)作為一種新型的空間結(jié)構(gòu),是上弦剛性拱和下弦柔性拉索通過撐桿在若干點相連形成的組合結(jié)構(gòu)。索拱結(jié)構(gòu)的研究是空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域熱點課題之一?？臻g索拱結(jié)構(gòu)一般是由數(shù)榀平面索拱結(jié)構(gòu)縱橫交錯布置而成,平面索拱結(jié)構(gòu)的力學性能起著至關(guān)重要的作用,因此對平面索拱結(jié)構(gòu)進行研究是十分必要的。本文基于非線性有限元理論對平面索拱進行考慮其幾何和材料雙重非線性的精確分析,確定其極限承載力,對于索拱結(jié)構(gòu)體系的工程設(shè)計與應(yīng)用具有重要的參考價值。 本文回顧了索

2、拱結(jié)構(gòu)的組成、分類、特征及應(yīng)用與研究現(xiàn)狀,并且簡要描述了曲梁的研究進展及分類,旨在將曲梁理論引入劍索拱結(jié)構(gòu)的研究中。 平面索拱結(jié)構(gòu)屬于半剛性結(jié)構(gòu),研究其極限承載力需要考慮幾何和材料雙重非線性?；谔撐灰圃?利用位移應(yīng)變關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系形成非線性單元切線剛度矩陣。采用普朗特-路斯塑性流動增量理論,形成塑性區(qū)模型的彈塑性矩陣。對于結(jié)構(gòu)的非線性分析,采用Newton-Raphson荷載控制法。使用C++語言編寫了平面索拱結(jié)構(gòu)的雙重

3、非線性分析程序。 采用多項式位移模式,用TL格式建立可以考慮幾何和材料雙重非線性的曲梁單元。推導了曲梁單元的切線剛度矩陣、等效節(jié)點荷載及坐標轉(zhuǎn)換矩陣等。與曲梁單元類似,也采用TL格式推導了桿和索單元的切線剛度矩陣和坐標轉(zhuǎn)換矩陣。通過算例分析驗證了自編程序的彈性曲梁單元、彈塑性曲梁單元、桿單元及索單元的正確性,并用平面索拱結(jié)構(gòu)算例驗證了自編程序的正確性。 利用本文程序?qū)ζ矫嫠鞴敖Y(jié)構(gòu)的極限承載力進行了詳細分析,討論了形狀比、

4、拉索面積和拉索張拉力對結(jié)構(gòu)的承載力、撐桿應(yīng)力和拉索應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：在半跨荷載作用下,各參數(shù)對平面索拱結(jié)構(gòu)的極限承載力影響均不大。形狀比一定,對不同高跨比對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響進行了討論,結(jié)果表明：無論全跨荷載還是半跨荷載作用下,高跨比對結(jié)構(gòu)的整體剛度沒有影響；但在全跨荷載作用下,高跨比對結(jié)構(gòu)的極限承載力影響較大。形狀比的大小影響結(jié)構(gòu)整體剛度；在全跨荷載作用下,形狀比能夠較大幅度提高結(jié)構(gòu)的極限承載力。增大拉索面積能提高結(jié)構(gòu)整體剛度、