浅谈轴压套管构件静力稳定性能的理论与试验研究

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1、同济大学土木工程学院博士学位论文轴压套管构件静力稳定性能的理论与试验研究姓名：申波申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：邓长根20070401摘要套管构件由内核与套筒组成，其中内核承受轴向压力，套筒约束内核的屈曲变形，从而提高了内核的轴压承载力，改善了内核的后屈曲性能。套管构件可以应用于新建的网架、网壳等结构中，也可以用于加固已有的受压杆件。本文对套管构件的静力稳定性能进行了理论与试验研究，在此基础上，建议了套管构件中轴压内核轴力—轴向位移的计算模型，为套管构件用于网架、网壳等结构中极限承载力的非线性分析提供了合理的力学计算模型及理论依据。本文首先利用内核、柔性套筒的弹

2、性小挠度二阶平衡微分方程及内核与套筒的交形协调条件，推导了内核与套筒未接触、点接触、线接触、同侧两点接触、异侧两点接触时内核挠度、弯矩、剪力、轴向位移及套筒挠度、弯矩、剪力等物理量的计算公式。在推导的方程中，考虑了内核的初弯曲，认为套筒无初弯曲。以此为基础，通过简化内核一套筒的刚度比、内核的初弯曲，得出了内核无初弯曲且套简为柔性、内核有初弯曲且套筒为刚性、内核无初弯曲且套筒为刚性时内核与套筒上述物理量的计算公式。应用这些公式通过算例分析了刚性套筒约束下内核的稳定性能、变形过程及其初弯曲对它们的影响。在内核无初弯曲的情况下，内核具有多条平衡路径，即：一阶模态屈曲发展出的路径、

3、二阶模态屈曲发展出的路径等。在每个平衡路径中，当内核挠度演变为栉(月≥2)个正弦半波时，内核又具有多条分支平衡路径。内核可以出现与套筒点接触、线接触、同侧两点接触、异侧两点接触的变形，内核可以由低阶屈曲模态连续变化到高阶屈曲模态。当内核仅有一阶屈曲模态初弯曲时，内核的平衡路径与无初弯曲内核一阶模态屈曲发展出的路径类似。当内核具有一阶、二阶混合屈曲模态初弯曲时，在内核—套筒的净间隙较小的情况下，内核可以出现两个半波的变形：在内核—套筒的净间隙较大的情况下，内核的平衡路径与无初弯曲内核一阶模态屈曲发展出的部分路径类似。当内核仅有二阶屈曲模态初弯曲时，内核可以出现两个半波的变形。

4、除了内核初弯曲外，内核一套筒的刚度比值对柔性套筒约束下内核的稳定性能、变形过程也有影响。当内核—套筒的刚度比值较小时，通过算例分析，在内核无初弯曲、仅有一阶屈曲模态初弯曲、有一阶二阶混合屈曲模态初弯曲、仅有二阶屈曲模态初弯曲的情形下．得出内核的变形具有套筒为刚性时的类似上述特点。当内核一套筒的刚度比值为中等大小、较大时，在内核无初弯越的情形下，内核只出现与套筒点接触、线接触的变形，最终在线接触阶段内核与套筒由于变形较大而发生了侧向失稳。在内核仅有一阶屈曲模态初弯曲、有一阶二阶混合屈曲模态初弯曲、仅有二阶屈曲模态初弯曲的情形下。内核的变形形式与无初弯曲内核的类似，其最终破坏模

5、式也是内核与套简的侧向失稳。在理论分析的基础上，采用正交试验方法设计了套管构件的试验。通过试验分析，发现套管构件的轴压承载力较普通轴压杆件有较大的提高，同时验证了上述不同内核—套筒刚度比值条件下内核的变形过程。内核轴向位移、挠度、弯矩的试验结果与理论结果的对比表明，内核的理论变形模式与试验结果吻合较好。在实际应用中，可以通过减小内核外伸套筒长度等办法，避免内核端部出现局部屈曲，从而显著提高内核的受压承载力。根据套管构件的理论与试验分析结果，建议了轴压内核轴力一轴向位移的两种简化计算模型及两种计算模型。后两种计算模型考虑了内核处于与套简未接触、与套简点接触、与套筒线接触这一系

6、列变形过程，这些计算模型的提出为套管构件用于结构中的非线性分析提供了合理的力学模型及理论依据。关键词；套管构件，轴压内核，约束屈曲，点接触，线接触nAbslractABSTRACTThesleevedcolumniscomposedofaninnercoleandasleeve．Theinnercoresupportsaxiallycompressiveload．Thesleeverestrictsthebucklingoftheinnercole，whichadvancestheaxiallycompressivebearingcapacityoftheinnercore

7、andimprovesitspostbucklingbehavior．ThesleevedcolumnCallbeappliedinnewstructuressuchasspacetrussesandlatticedsheHs，alsoCallbeappliedinstrengtheningtheexistentcompressedstrut．Inthispaperthestaticstabilityofthesleevedcolumnisstudiedbytheoryandexperiment．Themodels