[发明专利]空间圆管结构极限承载力分析的一次线弹性估算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间圆管结构极限承载力分析的数值方法，具体是一种空间圆管结构极限承载力分析的一次线弹性估算方法。

背景技术

圆管是一种典型的薄壁杆件，具有双轴对称、刚度相对较高等优点，常用作结构体系中的重要承载构件，在建筑工程、桥梁工程和输变电工程等中得到广泛应用。与平面圆管结构通常考虑轴力和单向弯矩的作用不同，空间圆管结构需要考虑轴力与双向弯矩的联合作用。因而，保证空间圆管结构的安全性是十分重要的工程问题，极限承载力是表征整体安全性的重要指标，因而相关研究是空间圆管结构研究的重要课题。

空间圆管结构的极限承载力分析方法主要有解析法和数值法。解析法包括静力法和机动法，静力法利用平衡方程和屈服条件求解极限承载力，能直接给出结构极限承载力的计算式，但需要求解不等式组，仅适用于简单刚架结构；机动法在可能失效模式上通过能量原理求解极限承载力，但对于复杂刚架结构，采用机动法分析时，难以确定所有可能失效模式的问题。数值法可应用于复杂刚架结构的极限承载分析，主要包括弹塑性增量分析法(Elastic Plastic Incremental Analysis,简记EPIA)、数学规划法(Mathematical Programming Analysis,简记MPA)和弹性模量调整法(Elastic Modulus Adjustment Procedure,简记EMAP)。EPIA具有可靠的理论，计算精度高，其有效性已经得到大量模型实验验证，已应用于钢框架和钢管拱桥等圆管结构中，通常被用做检验其他分析方法的精度，但其求解工程结构的极限承载力需考虑复杂的加载过程，计算量大；MPA是依据极限定理求解约束条件下的数学优化方法，然而其非线性约束条件和目标函数会使计算量大，计算效率较低；EMAP原理简单、能避开复杂的弹塑性分析过程，但需要进行多次线弹性迭代分析及调整弹性模量，造成计算过程复杂，工程应用较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间圆管结构极限承载力分析的一次线弹性估算方法，能够结合有限元分析软件通过一次线弹性分析，准确、快速地求解空间圆管结构的极限承载力，为评估空间圆管结构的整体安全性提供了高效的方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：空间圆管结构极限承载力分析的一次线弹性估算方法，包括以下步骤：

(1)建立空间圆管结构分析模型

确定空间圆管结构几何尺寸、材料参数、荷载状况和约束条件，建立空间圆管结构分析模型。

(2)确定失效单元

计算各个单元的单元失效系数，将单元失效系数α^e大于基准失效系数α₀的单元选为失效单元。

(3)一次线弹性估算方法计算空间圆管结构极限承载力

计算空间圆管结构失效单元的弹性应变能U^e和塑性耗散功D^e，采用一次线弹性估算方法计算空间圆管结构的极限承载力P_L为：

其中，R表示空间圆管结构失效单元的个数；e表示单元编号。

所述确定空间圆管结构几何尺寸包括梁长、柱高、截面的外半径R_O和内半径R_I。

所述的材料参数为材料的屈服强度。

所述的单元失效系数α^e由单元承载比r^e和单元承载比的最大值r^max计算得到，其计算模型为

其中，r^e的计算模型为

其中，N、M_y和M_z分别表示截面的轴力、两个方向的弯矩；N_p、M_py和M_pz表示对应上述各内力单独作用下的截面抗力。

所述的基准失效系数α₀为判断结构中单元是否失效的基准值，范围为0.5～0.6。

所述的空间圆管结构单元的弹性应变能U^e为：