几何缺陷对拱结构力学性能的影响

摘要

本文就几何缺陷对拱结构静力、动力和稳定性能的影响展开了全面而深入的研究，全文共分七章。第一章绪论对拱结构中几何缺陷影响的研究进行了综合评述；第二章主要对拱结构中任意分布的几何缺陷进行了随机描述；第三章从虚功原理和广义变分原理出发研究了径向均布荷载和集中荷载作用下铰支、固支和弹性支撑三种边界条件下圆弧拱存在几何缺陷时的稳定性能；第四章分析了大跨度拱桥在考虑几何缺陷时的稳定性能；第五章从运动稳定理论出发研究了存在几何缺陷的拱结构的动力稳定性能；第六章对含几何缺陷浅拱的动力跳跃特性进行了分析和研究；第七章研究了含几何缺陷浅拱的内共振、分岔和混沌等非线性动力学行为。最后是结论和展望。 1．本文首次对拱结构中任意分布的几何缺陷进行了随机描述，得到了按出现可能性大小排列的缺陷分布方式及其大小。将拱结构的节点坐标偏离视为随机变量，由随机理论得到拱的支撑边界确定而节点坐标偏差保持随机情况下结构的条件相关矩阵，对其进行特征值求解得到的特征向量和特征值即可作为缺陷的分布方式与缺陷幅值标准差。这种求解拱结构随机几何缺陷的方法同样适用于其它结构中随机分布几何缺陷的分布方式及大小的求解。 2．本文首次利用虚功原理和广义变分原理推导了铰支、固支和弹性支撑三种边界条件与径向均布荷载和跨中集中荷载作用下含几何缺陷圆弧拱的计算公式。由拱截面任意一点的薄膜应变和弯曲应变中考虑几何缺陷影响，通过系统总能量的变分求得含缺陷拱的轴、径向平衡微分方程，并求得圆弧拱屈曲前和屈曲时作用荷载和轴向压力的关系以及径向位移的表达式。还以径向均布荷载作用固支圆弧拱为例对拱结构中拱轴线形偏差、荷载非完全均匀分布和端支座沉陷等一般缺陷进行了分析，得到了荷载和轴向压力关系以及径向位移的求解方法。 3．本文从结构的两类稳定理论出发，对大跨度拱桥考虑几何缺陷时的稳定性能进行了分析。几何缺陷的分布方式采用一致和随机两种模拟方式，对各种缺陷分布下拱桥结构的线弹性、弹性大变形和弹塑性大变形的稳定安全系数进行了分析计算。分析了大跨度拱桥在考虑几何非线性、材料非线性和初始几何缺陷情况下的极限承载能力，探讨了几何缺陷的分布方式和缺陷大小对非线性稳定性能的影响程度，得出了缺陷的最不利方式以及保证稳定性的缺陷幅值范围。 4．本文从运动稳定理论出发提出了一种通过Lyapunov指数对含几何缺陷结构动力稳定性进行判别的方法。该方法中每一荷载步均考虑结构的几何、材料非线性，通过周期荷载和其它一般动力荷载作用下几何缺陷对拱结构影响的计算分析，验证了这种方法的可行性，可为动力荷载作用下结构的动力稳定性能进行判定。 5．本文就几何缺陷对阶跃和脉冲荷载作用下正弦浅拱的动力跳跃特性进行了系统的研究，用从系统总能量出发在相平面内建立Lyapunov判定函数的解析方法得到浅拱不发生动力跳跃的充分条件，还采用基于Galerkin离散和龙格-库塔法的半解析方法研究了浅拱发生跳跃时的动力屈曲特性。首次就几何缺陷对粘弹性浅拱的动力稳定性能影响进行了分析，得到了含几何缺陷粘弹性浅拱的动力临界荷载和屈曲特点。 6．本文首次利用多尺度摄动法和Melnikov函数积分法对含几何缺陷的浅拱进行了非线性动力学分析。建立了任意线形浅拱在任意分布荷载作用下的非线性动力模型，以含二阶谐波缺陷的正弦浅拱为例对缺陷浅拱的内共振模式与条件进行了分析，探讨了各种分岔类型并对各种分岔条件进行了数值模拟，通过混沌出现条件的解析预测，得到了分岔时的混沌性质以及产生混沌的参数条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2几何缺陷对拱结构影响的研究进展

1.2.1几何缺陷的主要分析方法

1.2.2含几何缺陷一般结构的力学性能研究概况

1.2.3大跨度拱桥的发展概况及研究现状

1.2.4含几何缺陷拱桥力学性能研究的基础与进展

1.3本文的研究内容及创新之处

1.3.1本文主要研究内容

1.3.2创新点

1.4本文涉及的几个概念

第2章几何缺陷的描述

2.1实际拱桥中的几何缺陷

2.1.1拱桥在施工过程中产生的几何缺陷

2.1.2拱轴线偏差对内力的影响

2.1.3实际拱桥的拱肋施工允许偏差

2.2几何缺陷的一致描述

2.3拱结构几何缺陷的随机模拟

2.3.1拱结构边界确定而本身随机的条件随机场

2.3.2条件随机场及条件相关矩阵的展开

2.3.3指数相关随机场分析

2.3.4计算示例

2.4 小结

第3章圆弧拱考虑几何缺陷的面内屈曲特性

3.1圆弧拱结构考虑几何缺陷的变形几何关系

3.2均布荷载作用下几何缺陷对圆弧拱稳定性的影响

3.2.1均布荷载作用铰支圆弧拱的稳定性

3.2.2均布荷载作用固支圆弧拱的稳定性

3.2.3均布荷载作用弹性支撑圆弧拱的稳定性

3.3集中荷载作用下几何缺陷对稳定性的影响

3.3.1集中荷载作用铰支圆弧拱的稳定性

3.3.2集中荷载作用固支圆弧拱的稳定性

3.3.3集中荷载作用弹性支撑圆弧拱的稳定性

3.4圆弧拱的一般缺陷分析

3.5 小结

第4章大跨度拱桥考虑几何缺陷的稳定性分析

4.1拱结构稳定理论的发展

4.1.1拱结构的两类稳定问题

4.1.2拱桥稳定分析时几何缺陷的考虑

4.2大跨度拱桥极限承载能力分析理论

4.2.1几何非线性的基本理论

4.2.2材料非线性分析

4.2.3非线性方程求解方法

4.3大跨度拱桥的非线性稳定分析

4.3.1大跨度拱桥基本概况

4.3.2本构关系

4.3.3有限元模型的验证

4.3.4几何缺陷的分布

4.3.5恒载+全跨均布活载作用下考虑缺陷的稳定性分析

4.3.6恒载+半跨均布活载作用下考虑缺陷的稳定性分析

4.4小结

第5章含几何缺陷拱的动力稳定性分析

5.1动力稳定性的基本概念

5.1.1 Lyapunov稳定性定义

5.1.2运动稳定问题的分类

5.1.3运动稳定问题的分析方法

5.1.4 Lyapunov指数的概念

5.2结构动力稳定性判别准则

5.2.1 B-R准则

5.2.2 Hsu C.S能量准则

5.2.3 Simitses势能准则

5.3运动稳定理论在结构动力分析中的应用

5.3.1一次近似理论在动力方程中的应用

5.3.2周期荷载作用下结构的Lyapunov指数

5.3.3一般荷载作用下结构的Lyapunov指数

5.4状态矩阵的获取与Lyapunov指数的计算

5.4.1状态矩阵的获取

5.4.2双重非线性动力响应分析

5.4.3 Lyapunov指数的计算过程

5.5算例

5.5.1周期荷载

5.5.2脉冲荷载

5.5.3阶跃荷载

5.5.4地震荷载

5.6 小结

第6章含几何缺陷浅拱的动力跳跃特性

6.1浅拱的运动学控制方程

6.2浅拱动力跳跃失稳的机理及研究方法

6.2.1浅拱跳跃失稳的机理

6.2.2浅拱动力跳跃的研究方法

6.3脉冲荷载作用下几何缺陷浅拱的动力跳跃特性

6.3.1浅拱的平衡位形及局部稳定性

6.3.2 正弦浅拱的稳定性充分条件

6.3.3存在K阶谐波缺陷时的平衡位形和局部稳定性分析

6.3.4二阶谐波缺陷的影响

6.3.5三阶谐波缺陷的影响

6.4阶跃荷载作用下几何缺陷浅拱的动力跳跃特性

6.4.1阶跃荷载作用浅拱动力跳跃特性的分析原理

6.4.2正弦浅拱的动力稳定的充分条件

6.4.3任意线形浅拱的动力跳跃性分析

6.4.4二阶谐波缺陷的影响

6.5含几何缺陷粘弹性浅拱的动力跳跃特性

6.5.1粘弹性浅拱的动力学方程

6.5.2研究方法与缺陷分布

6.5.3材料粘弹性的影响

6.5.4二阶谐波缺陷的影响

6.5.5三阶谐波缺陷的影响

6.6小结

第7章含几何缺陷浅拱的非线性动力学分析

7.1浅拱的非线性动力学模型

7.2含缺陷浅拱的摄动分析

7.3方程的稳态解及其分岔

7.3.1方程稳态解的分布情况

7.3.2解的稳定性及分岔条件

7.3.3数值计算

7.4浅拱的混沌分析

7.4.1混沌解析预测的Melnikov方法

7.4.2浅拱混沌振动的解析预测

7.5小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录