轴压圆钢管稳定加固理论和数值分析

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本文针对任意初应力作用下的两端铰支轴压圆钢管构件,以弹性稳定理论和小挠度二阶平衡微分方程为基础,推导了一套较为完整的外钢管粘结和无粘结加固理论公式,并依据此理论进行了弹塑性数值积分和有限元分析,最后提出了全长粘结加固的实用计算公式。 ⑴分别推导了(全长/局部)粘结加固轴压圆钢管和(全长/局部)无粘结加固轴压圆钢管时的承载力公式。在进行粘结加固分析时,首先求得构件加固前后的轴向荷载-位移曲线,利用弯矩和位移的关系,分析出加固所能达到的极限荷载和加固前内钢管所受初始外荷载的关系,最后得出了弹性状态下轴压加固构件的稳定系数;无粘结加固则考虑内外钢管可能存在一定间隙,且分外钢管分担和不分担轴压力两种情况,求得了内外钢管接触前后总挠度、弯矩、轴向位移等表达式,最后按截面边缘纤维屈服原则得到了内外钢管极限承载力计算公式。 ⑵在理论分析的基础上,本文对全长粘结加固轴压圆钢管进行了弹塑性数值积分。首先导出理想圆管加固前后弯矩-轴力-曲率关系的解析表达式,随后给出有初始缺陷(初弯曲和残余应力)构件加固时进行数值积分分析的原理和步骤,并依据此法编制了分析程序进行平衡路径跟踪分析。 ⑶利用ANSYS软件,考虑构件的初弯曲和残余应力,分别对(全长/局部)粘结加固轴压圆钢管,用弹簧单元模拟内外钢管之间粘胶层的相对变形,对(全长/局部)无粘结加固轴压圆钢管,用接触单元模拟内外钢管之间法向约束、轴向和环向摩擦滑移或无摩擦滑移等复杂情形,进行了一系列弹塑性有限元分析。 ⑷在前面理论分析、数值计算和有限元模拟的基础上,首先将数值积分法和有限元分析的结果进行比较对照,然后综合考虑了不同受载情况下初应力比、长细比、径厚比、外钢管厚度及残余应力对压杆极限承载力的影响,对理论公式进行推广,将有关数据导入公式求得有关参数,提出了全长粘结加固轴压圆钢管的计算公式,为圆钢管结构稳定加固设计施工提供了依据。
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