钢管桁架压杆稳定性分析及节点偏心性能研究

作     者：娄俊杰 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭彦林

授予年度：2004年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：钢管桁架 稳定性分析 失稳模式 计算长度系数 节点偏心 

摘      要：近年来,采用焊接相贯节点的钢管桁架结构广泛应用于空间大跨度结构中,有关管结构的计算理论和设计方法主要是针对相贯节点的承载性能进行的,在稳定设计方面还是沿用传统的桁架理论,对压杆进行稳定计算时计算长度系数取得过大,忽略了节点刚度的影响。钢管桁架中,当处于最不利状态的压杆失稳时,其他构件也将会随同弯曲,对失稳构件起到约束作用。因此,构件的稳定分析应当考虑其他构件对它的约束作用,这种约束作用要从结构的整体分析来确定。针对这一问题本文选取平面矩形钢管桁架结构为研究对象,主要做了以下几方面的研究工作: 首先,针对平面钢管桁架受压弦杆的面外和面内两种失稳模式,分析了两种失稳模式的影响因素,建立了失稳模式与弦杆自身面外与面内刚度比及弦杆与腹杆面外和面内的线刚度比的关系,得到了适合工程设计人员使用的失稳模式判别方法; 其次,根据结构稳定的整体性特点,选择桁架的三节间构件群作为研究对象,将相邻构件对失稳构件提供的约束等效为转动弹簧约束,推导了计算临界荷载的特征方程,经过对该方程的简化,建立了构件的计算长度系数与约束构件的等效抗弯刚度系数之间的关系,并使用有限元方法对结果进行了修正,得到了适于工程设计人员使用的稳定性计算方法。由于构件的轴力作用会影响其提供的约束刚度,该方法在计算转动约束刚度时考虑了轴力作用,这是以往的计算方法中没有考虑的。 为施工方便,一般K型相贯节点留有间隙,导致了节点偏心的存在,在弦杆和腹杆的端部产生附加弯矩。针对这一问题,本文使用有限元方法对钢管桁架结构进行计算分析,在考虑几何非线性和材料非线性条件下采用壳单元分析了桁架结构的整个承载过程,得到了节点偏心对极限承载力的影响规律及结构的破坏过程,据此提出了合理的设计建议;在本文的最后一部分,选取了三种采用梁单元建立的有限元模型,通过对比分析轴力和弯矩的分布情况,得到了能考虑偏心影响的简化计算模型。