楔形梁失稳载荷的计算本科毕业论文.doc
《楔形梁失稳载荷的计算本科毕业论文.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《楔形梁失稳载荷的计算本科毕业论文.doc(48页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、中北大学2010届毕业论文毕业论文楔形梁失稳载荷的计算毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解XX大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷
2、本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 目 录1 绪论11.1 引言11.2 变截面构件的研究现状21.2.1 国内外的理论研究21.2.2 国内外的实际工程应用41.2.3 现行研究的不足51.3 本文研究的主要内容52 楔形截面悬臂钢梁弹性稳定分析62.1 稳定问题的类型62.1.1 平衡分岔失稳62.1.2 极值点失稳82.1.3 跃越失稳92.2 稳定问题的计算方法102.2.1 平衡法112.2.2 能量法
3、112.2.3 动力法122.2.4 稳定计算的近似方法122.2.5 瑞利一里兹法132.2.6 其它数值方法142.3 悬臂钢梁总势能公式153 楔形截面悬臂钢梁临界载荷公式推导及有限元分析193.1 楔形截面悬臂钢梁临界荷载公式推导193.1.1 基本假定及计算简图193.1.2 总势能公式的简化处理203.1.3 自由端上翼缘集中荷载临界值的简化公式223.1.4 小结243.2 ANSYS模型分析对比243.2.1 特征值屈曲分析的步骤253.2.2 建立模型253.2.3 获得静力解263.2.4 获得特征值屈曲解263.2.5 扩展解283.2.6 查看结果293.3算例及有限元
4、结果对比分析303.4 小结354 结论364.1 结论364.2 有待进一步研究的问题36参考文献37致谢40第 IV 页 共II页中北大学2010届毕业论文楔形梁失稳载荷的计算摘要钢结构近年来在我国的应用得到较快发展,这种结构以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、工业化程度高、可重复使用率高、有利于环保等一系列优点,在建筑结构中得到广泛应用。在钢结构构件中,大多数构件同时承受压力和弯矩,且弯矩分布是不均匀的,为了满足强度要求并降低钢材消耗量,采用变截面构件是一种有效的方法,采用变截面构件使得沿构件长度方向应力分布大致相同,从而最大限度的利用材料,保持了外形的轻巧美观。因此,对变截面钢
5、结构分析理论尤其是稳定性理论的发展不仅仅具有理论上的意义,而且具有重要 的实用价值。本文应用能量法及有限元分析对楔形截面悬臂钢梁进行稳定性研究。首先应用瑞利里兹法建立了楔形截面悬臂钢梁的临界荷载简化求解公式,然后通过有限元软件ANSYS对多组楔形截面悬臂钢梁进行模拟分析,来验证本文所建立公式的正确性和有效性。算例表明,本文得出的简化计算公式精度高,方法简捷,便于实际应用,具有很高的工程实用价值。关键词:钢结构,稳定性,有限元,临界荷载,悬臂梁calculation of Wedge-shaped beam buckling loadABSTRACTApplication of steel st
6、ructure has been developed more rapidly in our country recently this kind of structure has been applied widely with the good characteristics of its high strength light weight good anti-vibration performance, rapid construction speed, high level of industrialization,high repeatable use ratio benefit
7、for environmental protection etcPressure and moment are applied to the members of steel structure simultaneously,and the moment distribution is unevenIn order to meet the strength requirements and reduce the consumption amount of the steel,the variable cross-sectional members is used as an effective
8、 wayStress distribution on the tapered cross-sectional components along its length is uniform approximately,and the use of materials is up to maximum,it also maintains aesthetic and light weighted in the shapeSo,the development of the analysis theory especially the stability theory has not only sign
9、ificance in theory but also the important utility value This thesis makes a stability research on the tapered steel cantilever with the energy method and finite element analysisFirstly,solving formulae of simplified critical load of the tapered steel cantilever are attained with the Rayleigh-Ritz me
10、thodSecondly,a series of the taper steel cantilevers are taken the simulation analysis with the finite element software ANSYS to verify the correctness and validity of the formulae established by this paper The numerical calculation results show that the simplified formula given in this paper is acc
11、urate and convenient,it can be easily used in practice and it has significant utility value in engineeringKey words:steel structure;stability;finite element:critical load;cantilever中北大学2010届毕业论文1 绪论1.1 引言钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省,结构面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点,与混凝土结构相比它是环保型和可再次利用的,也是易于产业化的结构,发达国家在房屋建筑
12、中广泛采用钢结构。我国自钢产量突破亿吨及实行合理利用钢材和积极采用钢结构的政策以来,建筑钢结构得到迅速发展,中国建筑技术政策(199620l0年)的公布,对钢结构的发展是一个有力的推动,开创了钢结构在建筑中应用的新时期。当前,我国一改过去钢材不足的局面,转而成为钢材生产大国;摆在日程上的问题早已不是少用钢材,而是积极合理的扩大钢结构在建筑中的应用1。在钢结构构件中,大多数构件同时承受压力和弯矩,且弯矩分布是不均匀的,为了满足强度要求并降低钢材消耗量,采用变截面构件是一种有效的方法,采用变截面构件使得沿构件长度方向应力分布大致相同,从而最大限度的利用材料,保持了外形的轻巧美观,因此许多年来,楔形
13、变截面构件在实际工程中被广泛地应用。列出常见的几种变截面构件2如图1.1、图1.2、图1.3和图1.4所示。图1.1(a)所示两端简支变翼缘截面的构件,在其两端距离为硝的范围内改变截面尺寸,端部的截面如图1-1(b)所示,中部的截面如图1.1(c)所示。图1.2(a)所示两端简支的阶形构件,在其两端长度为硝的范围内,改变截面的高度和翼缘尺寸,端部和中部截面尺寸分别如图1.2(b)和图1.2(c)所示。图1.3(a)所示两端简支的楔形构件,端部截面和中部截面分别如图1.3(b)和图1.3(c)所示。图1.4(a)所示一端固结的楔形悬臂构件,截面形式沿腹板高度线性变化,构件截面尺寸如图1.4(b)
14、所示。 (a) (b) (c)图1.1变翼缘的阶形受弯构件(a) (b) (c)图1.2变高度和变翼缘的阶形受弯构件(a) (b) (c)图1.3变高度的楔形受弯构件(a)(b)图1.4变高度的楔形悬臂受弯构件钢材和其它建筑结构材料相比,强度要高得多。在同样的荷载条件下,钢结构构件截面小,截面组成部分的厚度也小因此,稳定问题在钢结构设计当中是一个突出的问题。只要构件及其局部有受压的可能,在设计时就应考虑如何防止失稳。因此,随着变截面钢构件的广泛应用,此种结构的分析理论尤其是稳定性理论的发展不仅仅具有理论上的意义,而且具有重要的实用价值。1.2 变截面构件的研究现状1.2.1 国内外的理论研究对
15、变截面构件的研究多集中在其极限承载力和构件的计算等方面,并多采用将常截面构件的设计公式扩大到楔形杆,使其分析简化;一般讲,有两种基本的研究方法3:一种是研究单个楔形杆件的稳定状态,例如,压杆稳定、侧向稳定、压弯杆性能,另一种是对构件进行整体分析。在国外,虽然变截面钢构件曾在一段时期应用于不同的结构工程中,并且在1955年以前就已有分析方法4,5,但到1966年,CRC和WRC才成立了联合工作委员会,研究和提供楔形杆的设计资料和建议。从那以后,许多结果才得以发表,在这些分析研究的同时,进行了一些平行的试验研究,主要是对那些腹板和翼缘均为楔形的楔形工字梁和槽钢,按悬臂压弯杆进行了试验,研究了这些杆
16、件的弹性稳定及其支撑系的要求,进行了楔形工字梁压弯杆的非弹性稳定研究,并且量测了焊接楔形杆中的残余应力6-9。从这次大规模的研究以后,又有一部分外国学者进行了楔形构件的研究,2000年,国外学者EMirambell和AVZarate对楔形工字梁进行了局部屈曲的研究10,他们通过有限元软件Abaqus进行了大量的计算,得到了同时考虑多个参数影响的楔形变截面梁腹板局部屈曲的计算公式。在国内,西安建筑科技大学在变截面构件的研究方面进行了很多工作,主要集中在楔形构件的计算长度,以及楔形构件局部稳定方面的研究。东南大学一些学者采用直接能量变分法和有限元方法对变截面梁在弹塑性阶段的稳定极限问题进行了研究分
17、析。苏州科技学院进行了变截面钢梁的优化设计研究3 。1998年,陈绍蕃教授对楔形变截面门式钢架柱、梁的稳定计算长度进行了分析,并提出了计算方法11同年,陈绍蕃教授又进一步论述了轻型变截面门式钢架钢柱稳定计算公式的特点及楔形柱在钢架平面内、平面外的计算长度系数和等效弯矩系数的确定方法12,2000年,同济大学的李国强教授在建立和求解TimoshenkoEuler楔形单元平衡微分方程的基础上,利用求得的有限元方程计算了不同边界条件下楔形轴心压杆的弹性临界荷载和计算长度系数。分别研究了楔率和剪切变形对压杆计算长度的影响,并由此得到了相应的实用公式和曲线13,2000年,童根树等学者对变截面楔形工字钢
18、简支构件平面外弹性稳定进行了研究,分别研究了在轴心受压,偏心受压及只受端弯矩作用三种受力条件下楔杆的平面外稳定14。2002年,西北农林科技大学的学者根据对变截面构件的研究,建立了一种宽度自适应的变截面梁单元模型,并用能量法导出了楔形变截面梁单元的刚度矩15。2003年,哈尔滨工业大学土木工程学院部分学者利用ANSYS对空腹楔形压弯构件进整体稳定分析,得出不同孔洞大小、间距和楔率情况下的M和N相关曲线,分析了孔洞、间距和楔率的影响16。2003年,浙江大学一些学者通过数值积分方法研究了楔形截面压弯构件平面内弹塑性弯曲失稳问题,然后以大头截面为计算截面,建立了变截面压弯构件的轴向荷载和端弯矩之间
19、的相关关系。并提出了以大头截面为计算截面的压杆稳定性计算公式,给出了配套的变截面压杆计算长度系数公式和表格。对变截面压杆与等效的等截面压杆的弹塑性工作性能进行了比较,发现后者总是在悬臂柱的固定端截面开始出现塑性,而变截面压杆的塑性区在离固定端一定高度的地方出现,这一差别导致弹塑性失稳的变截面压杆比等效的变截面压杆承载力要高17。其它方面的研究报告,在国内很少见。1.2.2 国内外的实际工程应用变截面钢梁应用于桥梁工程,在文献中查到的该类型公路桥有三座:捷克易北河玛丽安桥、西班牙塞维利亚的Alamillo桥、哈尔滨太阳桥。捷克易北河玛丽安独塔斜拉桥18。此桥坐落于捷克共和国布拉格市以北100km
20、拉贝河畔乌斯季市的易北河上。该桥桥位选在河左岸一处巨大悬崖的对面。在右岸,桥梁和已建成的基础设施连接,即一座跨越铁路线的公路桥河一个环形交通枢纽。主跨123.3m,采用带有悬臂的钢箱梁,梁高3.0m,悬臂长10.95m,桥面板为正交异性板,在主梁的顶面设有3.5m宽人行道和自行车道。为了支承主跨的重量,桥塔按具有很大抗弯刚度的要求进行设计,底座以上塔高75m,塔下部7.5m高采用预应力混凝土,其余的67.5m采用钢结构,钢结构部分分成27个节段,每节段长2.5m。钢板厚1250mm。塔柱采用箱形截面,纵、横向加劲肋布置在箱内,并留出检查和维修空间。斜拉索采用双索面结构,斜拉索15对,按扇型布置
21、。斜拉索锚固在塔上部的壁板中及箱梁的腹板上。每根索由若干根平行钢铰线组成,采用三重防腐保护。西班牙塞维利亚的Alamillo桥19。Alamillo桥是一座位于La Cartuja岛北部的公路桥,建于1992年,建成后成为了塞维利亚这座古老城市的标志性建筑。Alamillo桥由SantiagoCalatfava先生设计,全长250m,主跨200m,桥宽32m,顺桥向每隔一段设一道箱形悬臂梁,索距12m,斜塔倾角为58,塔高142m,是世界上第一座大跨度无背索斜塔斜拉桥。哈尔滨太阳桥20,主桥跨径布置为:14m(西过渡孔)+ 60m(边跨)+140m(中跨)+14m(过渡孔)=228m(桥梁总长
22、)。桥梁总宽15.5m,有效宽度12m。主梁(含0号节段)全长200m,共分27个节段,标准节段长度8m,梁高2.4m,为扁平流线形正交异性桥面板钢箱梁,底面为圆弧形。主塔为钻石造型,倾角60,塔高93.526m,采用变截面钢箱结构,有索区塔截面由2个8边形组合而成。无索区为2个分离式8边形,主塔内分阶段填充C30微膨胀混凝土。1.2.3 现行研究的不足尽管国内外学者对变截面钢结构体系已开展了一系列的研究,取得了丰硕的成果,并把变截面体系理论应用到实际工程中,但还存在一些不足,例如:(1)对楔形截面悬臂钢梁的稳定性研究还比较薄弱;(2)目前对楔形截面悬臂钢梁稳定计算的方法过程繁杂,不利于实际操
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 楔形 失稳 载荷 计算 本科 毕业论文
链接地址:https://www.31doc.com/p-3938932.html