冷弯薄壁型钢桁架结构力学性能分析与设计

论文摘要

本文建立了A、B、C、D四组20个不同尺寸、不同腹杆布置形式的冷弯薄壁型钢桁架有限元模型,对冷弯薄壁型钢桁架竖向极限承载能力进行了非线性有限元分析。通过ANSYS分析结果可以得出：桁架破坏特征为桁架端部受压斜腹杆屈曲,产生较大变形,穿透弦杆腹板；支座节点、弦杆和腹杆节点应力都比较大；破坏时,弦杆的应力未达到屈服强度,弦杆中间部位应力较大,随着跨度的增加,弦杆的应力逐渐增大接近其屈服强度。在此基础上,对冷弯薄壁型钢桁架进行了变参数分析。得出了影响桁架竖向承载能力的主要因素是弦杆尺寸、腹杆和弦杆杆件厚度、腹杆截面形式、钢材级别。在其他条件保持不变的情况下,减少弦杆尺寸,极限荷载降低,极限荷载降低的幅度随着跨度的增加而减少。在其他条件保持不变的情况下,随着杆件厚度的减少,极限荷载逐渐和极限荷载下的挠度逐渐减少。在其他条件保持不变的情况下,腹杆截面由卷边C型钢变为同尺寸的U型钢时,极限荷载降低和极限荷载下的挠度减少。当弦杆截面由卷边C型钢变为同尺寸的U型钢时,极限荷载和极限荷载下的挠度减少,但降低的程度不大。当钢材的屈服强度由fy=334.03MPa改变到fy=235MPa时,极限荷载和极限荷载下的挠度分别减少。其次,对桁架进行了线性和非线性屈曲分析,A、C组一阶屈曲是端斜腹杆的屈曲,B、D组一阶屈曲是上弦杆发生屈曲。引入缺陷更新模型,进行材料非线性和几何非线性分析时,考虑缺陷、材料非线性和几何非线性后,桁架的极限荷载降低较大。最后,讨论了钢桁架的设计方法,验证用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》计算冷弯薄壁型钢桁架是安全的,冷弯薄壁型钢桁架比热轧型钢用钢量更省。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 桁架结构基本理论概述
• 1.2.1 桁架结构基本理论
• 1.2.2 冷弯薄壁型钢桁架主要组成形式
• 1.3 冷弯薄壁型钢桁架结构研究现状
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.4.1 本文研究的背景及之前研究存在的问题
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第二章 冷弯薄壁型钢桁架竖向荷载作用下极限承载力分析
• 2.1 引言
• 2.2 有限元分析理论
• 2.2.1 构件单元类型的选择
• 2.2.2 构件单元的刚度矩阵
• 2.2.3 材料的非线性本构关系
• 2.2.4 几何非线性
• 2.2.5 求解及收敛准则
• 2.3 冷弯薄壁型钢桁架有限元模型建立
• 2.3.1 桁架有限元模型
• 2.3.2 桁架的约束、边界条件和荷载的施加
• 2.4 桁架的有限分析结果
• 2.4.1 桁架有限元模型的材性
• 2.4.2 A组桁架有限元模型的结果
• 2.4.3 B组桁架有限元模型的结果
• 2.4.4 C组桁架有限元模型的结果
• 2.4.5 D组桁架有限元模型的结果
• 2.4.6 桁架有限元模型结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 冷弯薄壁型钢桁架承载能力参数分析
• 3.1 引言
• 3.2 弦杆尺寸对桁架承载能力的影响
• 3.3 弦杆和腹杆厚度对桁架承载能力的影响
• 3.4 腹杆截面形式对桁架承载能力的影响
• 3.5 弦杆截面形式对桁架承载能力的影响
• 3.6 钢材级别对桁架承载能力的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 冷弯薄壁型钢稳定分析
• 4.1 引言
• 4.2 桁架线弹性稳定有限元分析
• 4.3 桁架非线性稳定有限元分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 计算算例与热轧型钢桁架的对比
• 5.1 引言
• 5.2 冷弯薄壁型钢桁架计算
• 5.2.1 冷弯薄壁型钢桁架设计条件
• 5.2.2 弦杆验算
• 5.2.3 腹杆验算
• 5.3 热轧型钢钢桁架
• 5.4 冷弯薄壁型钢桁架的构造
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 今后尚待研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文、参与科研和获奖情况
• 致谢