拱形钢结构平面外稳定理论及设计方法研究

Steel arch structures are widely applied in the construction of long-span building structures and bridge engineering. For its curved axial and thrust at ends, stability problems of steel arch structure are significant and become a controlling factor in design. In particular, unlike that of straight beams and columns, the out-of-plane stability theory and strength design method of steel arch structure are not well established and available for practical use worldwide. Chinese code 'Technical Specification for Steel Arch Structure' JGJ/T 249-2011 requires supplement and improvement with further investigations in aspect of out-of-plane stability design. This project is to conduct a fully research on spatial stability behavior and design theory of steel arch structures by theoretical analysis and experimental research. First, influence of geometric and loading parameters including initial imperfections on overall buckling, local buckling, and interactive buckling is to be studies from range of elastic buckling theory to ultimate strength analysis, as well as from isolate steel arches to steel arch structure systems, then systematic spatial stability theories and design methods of steel arch structure are to be established, including stability design of arches, rigidity and strength design of lateral braces, and optimization of brace arrangement and structural system performance, which will definitely contribute to the supplement of 'Technical Specification for Steel Arch Structure'.

拱形钢结构在大跨建筑结构及桥梁工程中广泛应用。由于曲线轴线及推力结构的特点，其稳定问题十分突出且相当复杂，成为设计的控制因素。特别是其平面外稳定的研究难度大，现有成果远不足以指导工程设计。世界范围内还没有像梁柱直构件那样形成一套完善实用的稳定承载力设计方法，我国《拱形钢结构技术规程》JGJ/T 249-2011在平面外稳定性设计方面有待补充和完善。本项目将通过理论分析与试验研究，从弹性屈曲理论研究到稳定承载力分析，从独立钢拱结构到带支撑的拱形钢结构体系，考察几何轴线形式、拱脚边界、荷载类型及初始缺陷等对其平面外整体稳定、局部稳定及相关稳定性能的影响，揭示其失稳和破坏机理，系统地建立有/无面外支撑钢拱的空间稳定承载力计算、面外支撑的刚度和强度计算、面外支撑布置和结构体系优化的成套设计理论，为在《拱形钢结构技术规程》中补充平面外设计与计算理论提供依据。

目前世界范围内拱形钢结构平面外稳定性的研究工作尚不够充分。从稳定理论角度讲，虽部分问题有解，但总体上系统性和实用性较差，如何应用于实际工程设计，还需进行系统深入的工作。各国设计规范对拱的稳定计算尤其是平面外稳定性，或存在欠缺，或定得很粗略；我国《拱形钢结构技术规程》JGJ/T 249-2011中关于平面稳定性设计的部分还有待加强和完善，以指导工程设计。本项目旨在通过系统地理论和试验研究，进一步形成完整的拱形钢结构平面外稳定设计理论和方法，促进我国钢拱结构稳定设计理论的发展。. 本项目针对拱形钢结构平面外稳定问题，主要开展了以下研究工作：（1）针对实腹式截面钢拱，通过理论和试验研究，从均匀受压、受弯到压弯钢拱，同时考虑了局部失稳与整体失稳的相关屈曲，系统地建立了一套平面外稳定理论及承载力设计方法。（2）在钢管桁架拱方面，考虑整体失稳、弦杆局部失稳和腹杆局部失稳等多种失稳形态，提出相关失稳影响系数，以及桁架拱在轴力和弯矩共同作用下的稳定设计方法。（3）针对腹板开孔钢拱，通过理论分析及试验研究，掌握了孔洞对钢拱稳定承载力的削弱作用，考察其失稳形式和破坏机理，确定设计时应遵循的开孔取值范围和稳定承载力设计原则，以保证整体承载力不受到过大削弱。（4）对于有面外侧向支撑的钢拱，提出了保证支撑点起到充分约束作用的支撑门槛刚度的取值方法以及限制钢拱平面外失稳的支撑布置要求，建立了支撑间拱段的稳定承载力设计方法。. 通过上述研究，本项目提出了拱形钢结构系列平面外稳定性理论及设计方法，其中在受弯及压弯实腹式钢拱稳定性、考虑相关失稳影响的钢管桁架拱稳定性、面外支承钢拱的支撑刚度和支撑间拱段稳定性，以及腹板开孔钢拱中孔洞对承载力的削弱作用等方面的研究，在国际上具有先进性。上述研究成果丰富了拱形结构的稳定理论及设计方法，同时对于我国国家标准《拱形钢结构技术规程》JGJ/T249-2011的修订和完善具有推动作用。