高强度钢拱的平面外失稳机理与设计方法研究

High strength steel arch has great risk of buckling for its lightweight structure and large flexibility, so the buckling problem usually become the main factor in the design of steel arch. This project takes high strength steel arches that have the arch axes of catenary and parabola as the research object, and intends to use theoretical derivation, finite element numerical simulation and model test to carry out the following studies.(1) Based on Castigliano theorem and Rayleigh-Ritz method, the analytical solutions of critical load and critical temperature difference of out-of-plane buckling for high-strength steel arches have different arch axis, different cross-sections and different boundary conditions are derived;(2) Considering residual stress, initial defect, material strength and loading mode, large deflection elasto-plasticity finite element numerical analysis method is adopted, the influence of different design parameters on the elasto-plasticity out-of-plane buckling bearing capacity is analyzed, and the design formula of out-of-plane buckling of high strength steel arch is proposed; (3) The out-of-plane buckling test of high strength steel arch is carried out, the elasto-plasticity out-of-plane buckling mechanism of high strength steel arch is detected, and the design method of out-of-plane buckling of high strength steel arch is established.

高强度钢拱由于其结构轻柔，存在较大的失稳风险，稳定性问题往往成为控制设计的主要因素。本项目以拱轴线为悬链线和抛物线型的高强度钢拱为研究对象，采用理论推导、有限元数值模拟和模型试验的研究方法，展开以下系列研究：(1)基于卡氏定理和Rayleigh-Ritz法，推导不同拱轴线类型、不同截面形式、不同约束条件下高强钢拱的平面外失稳临界荷载和临界温差解析解；(2)考虑残余应力、结构几何初始缺陷、材料强度，加载模式，采用大挠度弹塑性有限元数值分析方法，综合分析不同的设计参数对高强度钢拱的平面外弹塑性稳定承载力的影响，提出高强度钢拱平面外稳定性设计公式；(3)开展高强度钢拱的平面外失稳试验研究，探明高强钢拱的平面外弹塑性的失稳机理，建立高强度钢拱的平面外稳定性设计方法。

拱结构因跨越能力大，承载力强，重量较混凝土结构低等特点，被广泛应用于土木工程各领域。高强钢因其可有效减小结构截面尺寸、减轻自重、提高结构跨越能力以及降低碳排放量等优点，正在逐渐替代普通钢材，开始应用在重大工程项目的关键位置处。本研究采用能量变分法对高强钢拱在局部竖向荷载作用下的面外非线性失稳特性进行了研究，并采用有限元法和试验进行验证，具体如下：.（1）基于能量变分原理，推导了考虑剪切变形的高强钢拱的平面内平衡微分方程，求解方程得到了弹性转动支座钢拱在局部竖向荷载作用下的剪力、轴力和面内弯矩的解析解。基于此，研究了钢拱的失稳前内力行为，以及剪切变形、局部加载段长度、边界转动约束刚度对失稳前钢拱的轴力和面内失稳弯矩的影响。并与ANSYS计算结果进行对比，验证了高强钢拱的平面外失稳临界荷载解析解的准确性。.（2）求解高强钢拱在弯扭屈曲过程中的势能方程，得到了局部竖向荷载下平面外铰接与平面外固结的高强钢拱弯扭屈曲的临界屈曲荷载。通过参数分析，比较了临界弯扭荷载随弹性转动约束的无量纲柔度与局部参数的变化规律。并与ANSYS计算结果进行对比，验证了临界屈曲荷载解析解的准确性。.（3）针对工字型高强钢拱的面外失稳研究，设计了一种高强钢平面外加载实验方案。选取钢材标号为Q225、Q460、Q690，矢跨比为1/5、1/6的工字型截面高强钢拱进行面外承载力试验，并与ANSYS计算结果进行对比，结果表明理论解、数值解、实验的荷载位移曲线吻合较好。.（4）采用ANSYS有限元程序，针对竖向均布力作用下的均匀受压高强钢拱，以及承受端弯矩作用的受弯高强钢拱的平面外稳定性承载力，开展数值分析研究，讨论了高强钢拱几何条件、拱脚条件、残余应力、几何初始缺陷对其平面外稳定承载力的影响，并建立纯压、纯弯及压弯高强钢拱的平面外稳定承载力设计方法。