变截面悬挑立体桁架结构平面外稳定分析

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1、第一章绪论3)钢管桁架结构形式简单、美观，且施工方便，可以做成多种曲线形式，例如平板形、圆拱形、圆弧形等。在结构造型方面拥有突出的优势。鉴于以上的优点，此种结构形式倍受建筑师的青睐，在众多的公共建筑中大量使用了钢管桁架结构。如德国的stuttgart机场候机大厅采用了钢管构件铸钢节点的树形支承结构、日本大阪的kansai机场航站楼屋面结构采用了圆管截面的曲线三角形桁架【l】；国内的南京国际会展中心、深圳机场二期、济南遥墙机场以及沈阳桃仙机场均采用了圆钢管组成的倒三角形立体桁架结构IlJ。本文研究对象为变截面悬挑立体桁架结构。悬挑立体桁架结构作为钢管桁架的一种，目前主要应用于

2、开敞式体育场馆的屋盖结构，例如天津松江体育场屋盖结构、天津大学体育场屋盖结构以及江西省体育中心的屋盖结构等等。图1．1天津松江体育场图1-2天津大学体育场屋盖图1．3江西省体育中心屋盖第一章绪论1．1．2研究意义钢材强度高、结构刚度大、自重轻，未来的应用将会逐渐增多。然而结构在施工或正常使用过程中，由于荷载、使用功能和使用环境的变化乃至遭受灾害(如地震、火灾、风灾、水灾、爆炸以及长期的腐蚀)等原因，可能使结构的受力模式、受力性质发生变化或超载，将可能导致钢结构的损伤、失效甚至倒塌破坏。在涉及钢结构的事故中，很多是由于结构发生了整体或是局部失稳而导致的破坏。例如1907年加拿

3、大魁北克一座大桥在施工中破坏，由于缀条式组合压杆失稳发生破坏，导致75人遇难；1978年美国哈特福特92mxllOm体育馆网架由于压杆屈曲而倒塌破坏；1986年波兰考尔佐夫展览与文化中心的两个直径30m、矢高5m的钢管球面网壳，由于雪荷载的非均匀分布导致局部区域失稳，进而发生失稳传播，最后导致整个网壳结构失稳破坏；2003年韩国济州岛一体育场在强台风中倒塌；2004年法国巴黎戴高乐机场候机厅发生屋顶坍塌事故；我国也有不少的钢结构工程事故，1988年一个13．2mxl7．99m网架在施工过程中因腹杆失稳而破坏【jJ。图1．4法国巴黎戴高乐机场屋顶坍塌图在众多的工程事故中，绝大

4、多数是由于局部失稳或整体失稳而导致。这一系列的事故不能不引起人们的重视。由于钢结构建筑自身的一些优点，日前主要应用于大跨度公共建筑，当这些公共建筑发生破坏时，将会导致大量的人员伤亡，对社会产生不利的影响，与此同时也会使民众对钢结构建筑产生一种质疑，从而在一定程度上制约钢结构的发展。我国是世界上地震多发国之一，从2008年至今已发生了四川汶川、甘肃玉树以及云南盈江三次大型地质自然灾害，2011年我国的邻国日本发生了9．0级特大地震，这些自然灾害严重威胁结构的安全性。汶川地震中，四川绵阳市房屋毁第一章绪论坏严重，而位于绵阳南部的绵阳九洲体育馆却成为绵阳市及周边受灾群众的避难场所

5、。为了人民群众的生命安全，像绵阳九洲体育馆这样的大跨度空间结构可能成为地震发生后受难群众的避难所，这就要求对结构的稳定性进行一系列的研究以保证结构的安全使用。图1．5震后的绵阳九州体育馆本文所研究的悬挑立体桁架结构主要应用于大型体育场馆的屋盖结构。体育场馆常作为大型活动的举办地，人员较为密集、流动性较大，结构发生破坏时，会造成大量的人员伤亡，因此需对悬挑立体桁架结构的稳定问题进行研究。随着我国社会进步及技术的发展，我国举办的一系列体育盛会在全国掀起了一股健身锻炼的热潮，伴随这股热潮，在一些省市中相继修建了一批体育场馆。由于悬挑立体桁架结构设计施工方便，造价较低，应用范围较广

6、，因此较多的体育场选择了此类结构形式。悬挑式结构可以分为变截面和等截面两种类型，变截面形式固定端处截面较大，悬挑端截面较小，与结构的实际受力比较吻合，因而在材料的用量方面具有一定的优势，在实际的应用中实例较多，图1．2所示的天津大学体育场屋盖结构就采用了一种变截面结构形式。但是目前在设计过程中还没有一个比较实用的公式可以估算此类结构的平面外临界承载力，因此研究变截面悬挑立体桁架结构的平面外失稳承载力显得十分必要。1．2国内外研究现状由于钢结构中众多的事故都涉及到杆件或是结构的稳定问题，因此稳定性分析倍受关注，一直以来都是钢结构领域里的重要研究课题。钢结构中的各种结构形式，如

7、早期的网架、网壳，近几年逐渐兴起的弦支穹顶、立体桁架等新型结构，4第一章绪论都是钢结构稳定分析的重点结构。由于lq架、网壳结构应用较早，在我国的发展较好，应用较为广泛，相关的稳定分析理论、文献也较多。哈尔滨工业大学沈世钊教授、同济大学董石麟教授、天津大学刘锡良教授以及贵』、I、JT_业大学马克俭教授等均对网架网壳结构稳定问题的发展作出了巨大贡献。对于弦支穹顶及立体桁架结构而言，虽然近些年发展较快，应用实例较多，但是理论远远落后于工程实践，在这些方面还有大量的工作要做。近年来立体桁架结构的广泛应用促进了理论方面的发展