外包角钢加固套管构件理论分析与有限元研究

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随着空间网架结构的日益复杂,施工过程中结构的安全控制也越来越重要,特别是关键受压杆件的稳定性问题,控制不当极易造成结构的连续性倒塌。作为限制失稳技术之一,套管加固技术常用来控制受压杆件的稳定性问题,但是施工的不便捷性限制了它在杆件加固领域的推广。基于此,本文提出了一种新型的套管构件,即外包角钢加固套管构件,该方案简单易操作,网架安装结束后可拆卸。对此套管构件,本文主要研究内容如下:借助有限元软件ABAQUS建立了该套管构件的简化模型,并与试验结果进行对比,发现两者荷载位移曲线与破坏模式吻合均较好,验证了有限元模型的正确性,因此可将该有限元模型用于套管构件后续参数分析。对套管构件可能发生的两种破坏模式,即整体失稳破坏与内核外伸段端部失稳破坏进行理论分析,分别推导出其承载力计算公式。对于整体失稳破坏构件,得到其弹性屈曲承载力计算公式,并运用等效刚度法求得内核存在外伸段构件的等效刚度,通过引入系数β1与β2,得到套管构件极限稳定承载力;对于内核外伸段端部失稳构件,建立内核与外约束构件间点接触的力学分析模型,得到内核与外约束构件端部挤压力、外伸段挠度以及端部弯矩表达式,并建立端部失稳破坏准则。采用试验验证过的有限元模型进行参数分析,探讨了内核外伸段长度、内核长度、内外管厚度、外束箍数目和截面尺寸等参数对构件承载力和破坏模式的影响,证明该加固方法具有良好受力性能。在参数分析的基础上,总结出两种破坏模式的失效机理,并拟合出Φ60杆件发生两种破坏模式的分类界限。结合有限元分析数据,确定了套管构件发生整体失稳破坏时承载力计算公式中系数β1β2的表达式,得到稳定承载力计算公式,可用于指导工程设计;对于内核外伸段端部失稳构件,理论分析得出的端部挤压力、端部弯矩和极限承载力与有限元结果吻合较好,理论公式具有较高的精确度且结果偏于安全,因此可用于内核外伸段端部失稳构件的设计验算。
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