【摘 要】
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过载以及杆件局部出现裂纹是桁架结构破坏的主要原因。过载会导致桁架结构中受压杆件发生失稳,进而引发桁架结构由局部到整体的连续破坏。受压杆件中出现裂纹时,其临界载荷会大幅度下降,桁架结构更容易发生破坏。定量分析桁架结构破坏过程力学行为,为分析桁架结构的剩余寿命,防止桁架结构发生破坏,防灾减灾以及结构加固,提供必要理论基础。桁架中的受压杆件可以视为具有弹性约束和初挠度的压杆,其轴向压力与杆端位移关系是桁
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过载以及杆件局部出现裂纹是桁架结构破坏的主要原因。过载会导致桁架结构中受压杆件发生失稳,进而引发桁架结构由局部到整体的连续破坏。受压杆件中出现裂纹时,其临界载荷会大幅度下降,桁架结构更容易发生破坏。定量分析桁架结构破坏过程力学行为,为分析桁架结构的剩余寿命,防止桁架结构发生破坏,防灾减灾以及结构加固,提供必要理论基础。桁架中的受压杆件可以视为具有弹性约束和初挠度的压杆,其轴向压力与杆端位移关系是桁架结构破坏过程力学行为分析的关键。本文首先以弹塑性压杆作为研究对象,应用大挠度变形理论和直接法分析初挠度、支撑刚度以及二者联合作用时对压杆失稳后的力学行为即压杆轴向压力与位移关系的影响。当桁架中的受压杆件出现裂纹时,直接法分析其轴向压力与杆端位移关系变得十分复杂。本文采用能量法计算具有裂纹的弹性压杆轴向压力与杆端位移关系。该法运用权函数法求解裂纹应力强度因子,利用裂纹应力强度因子与能量释放率之间的关系得到裂纹表面自由能;最后采用功能原理建立具有裂纹的弹性压杆轴向压力与杆端位移之间关系;从而为桁架结构破坏过程力学行为研究奠定基础。求出压杆轴向压力与杆端位移关系后,本文以矩形截面杆的钢桁架为研究对象,采用ANSYS有限元分析软件,研究了静定桁架结构和超静定桁架结构破坏过程的力学行为,分别分析了过载和压杆具有裂纹时桁架结构破坏过程力学行为。其中桁架结构中的受压杆件,利用ANSYS中的非线性弹簧单元替代。计算结果表明:1)与小挠度理论的计算结果相比,采用大挠度理论结构破坏时相同荷载作用时节点位移更小。如超静定桁架结构:基于小挠度理论,当F=18100 N时,关键节点位移为9.59 mm;基于大挠度理论,相同荷载作用下关键节点位移为9.46mm;因此,采用大挠度理论的桁架结构具有更高的承载能力。2)受压杆件出现局部裂纹,结构承载能力降低更易破坏。以无裂纹的静定桁架为参照,当裂纹长度达到板厚20%,F=16600 N时,结构中关键节点位移值由4057.66 mm增至4614.70 mm,增幅13.73%。因此,裂纹的存在降低了结构的承载能力,加速了桁架结构的破坏过程。
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