【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于桥梁工程领域，具体涉及一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法。
技术介绍
1、21世纪以来，组合结构在我国桥梁工程中得到广泛应用，而钢壳-混凝土组合索塔便是其中之一，索塔大多数为钢壳外包混凝土的形式，得益于其轻质高强的特性，国内已建成多座类似的组合索塔。钢壳是组合索塔结构承载能力的主要来源之一，在组合索塔的设计中，在保证强度的同时还需保障其稳定性，“在钢壳达到屈服应力前不允许屈曲”是结构设计的基本准则，这是由于钢结构在屈服后其自身的刚度将大幅度降低，难以保证不屈曲，因此钢壳屈服是结构弹性设计的标准线。
2、然而，随着桥梁结构抗震概念的出现，桥梁结构的延性也被纳入工程设计的考虑因素，索塔结构正是斜拉桥中主要承受地震荷载的部件，组合索塔的钢壳在受压屈服后将发生屈曲，此时钢壳不再保持面内受力的形态，屈曲导致的面外变形使得钢壳处于面外受力的状态，连接在钢壳上的剪力连接件将承担面外的拔出力。
3、现阶段的桥梁设计中，特别是在考虑材料非线性的抗震设计中，注重点多为强度指标，例如结构延性设计中的强度指标为钢筋与混凝土的应变，然而在钢壳-混凝土组合索塔中，钢壳在延性状态下的屈曲可能导致剪力连接件被拔出，结构无法达到理想中的强度指标而提前破坏。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，根据索塔设计参数可直接计算得到钢壳屈曲后所产生外拔力的大小，用以得到索塔在延性设计下剪力连接件的抗拔需求。
2、本专
3、一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，包括：
4、步骤1：基于薄板大挠度理论获取钢壳的薄板大挠度方程，公式如下：
5、
6、其中，ω为钢壳板的变形函数；f为钢壳的应力函数；为钢壳的柱面刚度；t为钢壳的厚度；e为钢材的杨氏弹性模量；ν为材料的泊松比；x和y是板上坐标；
7、步骤2：获取变形函数ω的基本表达式，所述变形函数ω的基本表达式中，其自变量包括决定屈曲变形所产生的最大挠度值f；
8、所述步骤2具体如下：
9、基于薄板大挠度方程，确定板的变形函数ω，其基本表达式由三角函数组成：
10、
11、其中，f是决定屈曲变形所产生的最大挠度值；m是决定变形形状的参数，为正整数；j、p、k、q是满足板边界条件的调整参数；a和b是板的两边长度；
12、步骤3：在变形函数ω的基本表达式中引入边界条件，获取边界条件下变形函数ω的表达式；基于式i和引入边界条件的变形函数ω获取应力函数f的表达式；
13、所述步骤3具体包括以下步骤：
14、步骤3.1：根据钢壳与混凝土间所采用的剪力连接件的不同，确定边界条件为简支边界条件或固定边界条件，并令x＝a，获取两种边界下的数学表达式：
15、
16、步骤3.2：将满足边界条件的变形函数ω代入(ⅰ)中的第二部分，且令j＝p＝1，k＝q＝0，对应四边简支的情况，如下：
17、
18、步骤3.3：获取钢壳应力函数f三角函数的特解，其形式为：
19、
20、其中a和b是任意常数；
21、步骤3.4：将上述钢壳应力函数f的特解代入式(ⅴ)的左侧，对比等式左右两侧的系数可以得出a和b的表达式：
22、
23、步骤3.5：获得钢壳应力函数f的余解,基于钢壳应力函数f的余解和钢壳应力函数f的特解获得钢壳应力函数f的最终表达式；
24、所述步骤3.5具体包括以下步骤：
25、步骤3.51：补充f的余解，满足：
26、
27、步骤3.52：结合索塔中钢壳的受力特点，钢壳在压弯荷载作用下，可视为单向受压状态，此时受力应满足：
28、
29、其中，px是x方向的轴力荷载；
30、步骤3.53：对式(ⅸ)求积分，求得f的余解表达式为：
31、
32、步骤3.54：结合特解和余解完整的f表达式为：
33、
34、步骤4：将步骤3中的变形函数ω表达式及步骤3应力函数f的表达式代入式(i)，并建立伽辽金方程求解处挠度f的具体表达式；
35、所述步骤4具体包括以下步骤：
36、步骤4.1：将上述应力函数f与变形函数ω代入(ⅰ)中的第一部分，并建立伽辽金方程求解处挠度f的具体表达式，伽辽金方程为：
37、
38、步骤4.2：积分后求解，由于m为正整数，因此积分结果可用条件sin(mπ)＝0,cos(mπ)＝1简化，最终求得：
39、
40、步骤4.4：(xiii)中，其后半部分与钢壳柱面刚度d相关的部分，代表了钢壳在此种边界条件下的屈曲荷载，定义为pc，变形后得到最大挠度值f的表达式：
41、
42、步骤5：将步骤4中f的具体表达式代入步骤2中变形函数ω的基本表达式，获取最终变形函数ω的表达式；
43、步骤5中所述最终变形函数ω的表达式具体如下：
44、
45、将步骤6：以力为平衡条件，对式(i)的前部分方程进行变形，获取薄板大挠度方程面外力平衡方程，并将步骤5中的最终变形函数ω的表达式代入薄板大挠度方程面外力平衡方程中，获得拔出力的分布函数。
46、所述薄板大挠度方程面外力平衡方程具体如下：
47、
48、其中nx、ny和nxy分别是板受到的x，y方向的轴力和剪力；
49、所述将步骤6中的最终变形函数ω的表达式代入薄板大挠度方程面外力平衡方程中，获得拔出力的分布函数具体包括：
50、将完整的变形函数ω代入薄板大挠度方程面外力平衡方程，式(ⅱ)第一部分的前半段：
51、
52、其中，q为所求的拔出力的分布函数。
53、综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
54、本专利技术中，能根据不同剪力连接件和不同板厚情况得到板壳屈曲时所能产生的拔出力大小，进而明确剪力连接件的布置需求，避免了索塔在塑性状态下钢壳与混凝土的拔出分离所导致混凝土失约束问题。此外，将索塔中钢壳屈曲的时刻定义在屈服之后，这也是满足常规的工程设计的标准。
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1.一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤3.5具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，步骤5中所述最终变形函数ω的表达式具体如下：
7.根据权利要求6所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述薄板大挠度方程面外力平衡方程具体如下：
8.根据权利要求7所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种组合索塔中钢壳屈服后失稳外拔力计算方法，其特征在于，所述步骤3.5具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵灿晖，许春荣，梁桓伟，张圣建，李攀，武建立，林昱，陈成，贺江平，季卫红，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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