受压钢构件失稳控制的理论分析及数值研究

来源 :同济大学土木工程学院 同济大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kuaileyt
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钢结构工程设计中受压钢构件失稳破坏所造成的后果非常严重,利用失稳控制技术提高受压钢构件的稳定承载力并确保其免遭失稳是一个新的研究方向。压电组合构件和套管构件分别通过粘贴压电陶瓷片和附设外钢管等切实可行的措施来保证受压钢构件不发生失稳。按照有无外部能源输入控制系统这种划分标准,压电组合构件和套管构件这两种失稳控制措施分别属于失稳主动控制和失稳被动控制。这两种失稳控制技术均采用特定的技术措施来限制受压构件屈曲变形的自由发展从而避免构件的失稳,由于其控制机理明确,控制效果显著因而具有良好的发展前景。   在运用压电组合构件对受压钢构件进行失稳主动控制研究中,首先阐述了受压钢构件失稳主动控制的设计思路;鉴于本文研究中拟采用的压电陶瓷片,介绍了这种压电材料作为传感元件以及作动元件的优势所在,阐述了它的介电性、弹性力学关系、传感效应、作动效应以及线弹性本构关系压电方程等电学与力学特性;比较选择了合理的压电组合构件力学分析模型,对压电组合构件的位移方程、本构关系方程以及动力学方程进行了理论研究,利用最小势能原理推导得出压电组合构件的静、动力情形下的控制方程,通过求解控制方程得出不同边界条件下压电组合构件的变形、振动频率以及稳定承载力的解析解;应用Timoshenko梁的考虑剪切变形与经典梁理论的不考虑剪切变形这两种假设推导出相关公式并定量分析了剪切变形对于压电组合构件的分析计算的影响;对基体构件为不同材料的压电组合构件中相对厚度比值及相对弹性模量比值的优化选择作了定性研究,初步探讨了一些设计参数对压电组合构件失稳控制效果的影响;最后结合前面章节的理论推导公式编制了相关计算程序并进行了一系列数值计算,通过一些典型的算例定量分析了六组参数数值与条件的不同对压电组合构件的失稳主动控制效果的影响,证实了失稳主动控制中相关设计参数的合理选择能够有效提高受压构件的稳定承载力,从而使构件的失稳得到有效控制。   在运用套管构件对受压钢构件进行失稳被动控制研究中,首先阐述了轴心受压情况下套管构件内核圆钢管与外钢管之间点.线接触的力学模型,参考相关文献选择合理的套管构件内核本构关系,通过具体算例对内核圆钢管不同工况下的轴压承载力进行了数值计算,结果发现相对于普通圆钢管,附设外钢管的套管构件中相同截面内核圆钢管的轴心受压稳定承载力有了大幅提高,并且随着外钢管与内核受压圆钢管抗弯刚度比值的增大,外钢管对内核受压圆钢管屈曲变形的限制约束加强,内核与外钢管一阶模态点接触即将结束时内核轴压承载力显著提高,因而套管构件作为失稳被动控制措施能够使得轴心受压构件失稳得到有效抑制;最后运用通用有限元分析软件ANSYS分析比较了套管构件的应用对网架与网壳等结构稳定承载力的影响,结果发现由于外钢管对内核受压圆钢管屈曲变形的限制约束,套管构件的轴压承载能力增强,将结构中受力相对较为不利处的受压圆钢管替换为套管构件后,能有效改善网架或网壳结构局部应力状况,使网架或网壳整体结构的极限承载力有了显著的提高。
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