计算机模拟复合门式刚架屈曲问题研究

第一章绪论

1.1门式刚架屈曲研究的发展

1.1.1门式刚架介绍

由于现代钢结构建设的迅速发展，门式刚架在工程领域的应用是越来越广泛。门式刚架房屋钢结构起源于美国，经历了数百年的发展，目前已成为一种成熟的设计与施工相对完善的结构体系。其中双层门式刚架钢结构属门式刚架的一个分枝，双层门式刚架的发展速度比较迅速。这种结构型式的主要特点是：轻型、快速、高效。应用节能环保新型建材，实现工厂化的加工制作、现场组装施工、方便快速、节约施工周期；结构外型新颖美观，坚固耐用、质优价宜、经济效益显著；柱网尺寸布置选择空间较大并且灵活、能满足各种环境条件下的施工及使用要求。在工程'领域拥有较大的实用价值。

1.1.2门式刚架的特点和适用范围

刚架结构是梁、柱单元构件的组合体。其形式种类多样，在单层工业与民用房屋的钢结构中，应用较多的为单跨、双跨、或多跨的单、双坡门式刚架。根据需要，可带挑檐或毗屋。门式刚架结构有一下特点:
1.采用轻型屋面，可减小梁柱截面及基础尺寸。
2.在大跨建筑中增设中间柱做成一个屋脊的多跨大双坡屋面，以避免内天沟排水。中间柱可采用钢管制作的上下铰接摇摆柱，占空间小。
3.刚架侧向刚度可籍檩条和墙梁的隅撑保证，以减少纵向刚性构件和减小翼缘宽度。
4.跨度较大的刚架可采用改变腹板刚度、厚度及翼缘宽度的变截面。
5.刚架的腹板允许其部分失稳，利用其屈曲后的强度，即按有效宽度设计，可减小腹板厚度，不设或少设横向加劲肋。
6.竖向荷载通常是设计的控制荷载，地震作用一般不起控制作用。但当风荷载较大房屋较高时，风荷载的作用不应忽视。
7.为使非地震区支撑做得轻便，可采用张紧的圆钢。
8.结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高。构件单元可根据运输条件划分，单元
之间在现场用螺栓连接，安装方便快速，土建施工量小。..............
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第二章无侧移双层门式刚架的静力屈曲

2.1引言

由于轻型门式刚架的重量轻，刚度强，节约钢材等优点，广泛应用于工业厂房，公路（铁路），仓库，飞机库，集贸市场，体育场馆，航空港，商业建筑中，其屈曲行为的研究引起了广大研究者的极大关注。彭兴黔[66]等对门式刚架的导风方法进行了研究，提出门式刚架导风设计的方法。胡进秀等[671分析了线性变截面悬臂柱沿高度线性变化的轴力作用下各个截面的弯矩放大系数，提出了框架-弯矩型支撑这一双重抗侧力结构中框架柱的弯矩放大系数。魏潮文等[68]对门式刚架一般板式柱脚的做法进行了研究,根据其相应的变形模式,求出了柱脚的弹性嵌固系数R,讨论其影响因素,导出了考虑柱脚嵌固度的非对称弹性屈曲解。王恒华等[69]采用通用有限元软件SAP2000,对局部双层四跨门式刚架厂房进行空间和平面非线性静力和施工过程分析,并进行比较,发现某些情况下必须采用空间计算,否则会造成较大误差，且偏于不安全。李天等[7D1采用ANSYS有限元软件对支撑体系进行了空间建模并计算得出支撑内力,通过与平面模型及简化模式计算得到的支撑构件内力进行对比分析,找出了现行设计计算中存在的问题，并给出了相应的合理化建议。
本章主要运用基于Hamilton原理导出的刚架屈曲静力控制方程，对柱脚铰接、固接的双层门式刚架屈曲进行了理论计算。在理论假设的基础上，给出了结构节点的边界条件，从而得到双层门式刚架上柱，下柱，上梁，下梁的屈曲模态方程即挠度方程。通过节点弯矩为零得到刚架平衡方程，用MATLAB软件计算上述的平衡方程，即可获得刚架的屈曲参数，进而得到柱的计算长度系数//的理论值。同时，运用ANSYS对柱顶作用集中荷载的双层门式刚架进行静力计算机模拟，可得刚架柱的计算长度系数//的模拟.值，对比/^的理论值和模拟值得出二者基本吻合。............
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第三章有侧移双层门式刚架的静力屈曲......................................................28
3.1引言........................................................................................................28
3.2柱脚固接刚架的屈曲理论推导........................................................28
第四章无侧移双层门式刚架的动力屈曲...............................................38
4.1引言.....................................................................................................38
4.2双层门式刚架动力屈曲的理论分析..............................................38
第五章双层门式刚架静动力屈曲的计算机模拟...............................48
5.1引言.................................................................................................48
5.2无侧移双层门式刚架静力屈曲计算机模拟...................................49
5.3无侧移双层门式刚架在多种工况下的屈曲计算机模拟.............50
5.4有侧移双层门式刚架在多种工况下的屈曲计算机模拟..............59
5.5双层门式刚架动力屈曲的计算机模拟...........................................62

结束语

门式刚架作为一种高效、实用的建筑结构，在被大量应用的同时，其稳定性的研究也显的非常重要。所以其屈曲问题是力学领域和工程界活跃的研究课题之一，合理地建'立刚架静力、动力屈曲的理论分析模型，不但可以丰富和发展经典的稳定性理论，而且有着重要的工程应用价值。本文理论研究了双层门式刚架的静、动力屈曲，给出了双层门式刚架静、动力屈曲的临界屈曲条件，用MATLAB编程给出其数值解，并运用有限元软件ANSYS对双层门式刚架的静、动力屈曲进行了计算机模拟，分析了多种参数对刚架静、动力屈曲的影响。得到以下主要结论：
1.基于Hamilton原理导出了双层门式刚架屈曲的控制方程，理论研究了无侧移和有侧移双层门式刚架在不同约束条件下的静、动力屈曲问题，结合问题的边界条件求解屈曲控制方程，给出了双层门式刚架静、动力临界屈曲条件的解析表达式以及屈曲时梁、柱的模态方程。用MATLAB编程计算双层门式刚架的临界屈曲条件，得到了屈曲参数，进而可得到柱的计算II度系数//和临界屈曲荷载。计算结果表明：
(1)当无侧移双层门式刚架的梁柱线刚度之比A在0.1-30范围内变化时，理论值与模拟值的误差范围为1%以内，计算长度系数随着A的增大而减小。当A大于30时理论值与模拟值误差超过2%，计算长度系数//理论值随着A的增大而减小且趋近于0.5000，而计算长度系数//模拟值随着A的增大而增大，即在A处于30?40之间时，刚架的计算长度系数出现极值点。
(2)当有侧移双层门式刚架的梁柱线刚度之比A在0.1?8范围内变化时，理论值与模拟值的误差范围为]%以内，计算长度系数//随着A的增大而减小。当A大于10时理论值与模拟值误差超过2%，计算长度系数#理论值随着A的增大而减小且趋近于1.0，而计算长度系数//模拟值随着A的增大而增大，即在A处于10?15之间时，刚架的计算长度系数出现极值点。与无侧移计算长度系数相比较，在相同条件下，有侧移的计算长度系数高于无侧移下的。