受壓鋼構(gòu)件失穩(wěn)控制的理論分析及數(shù)值研究.pdf

1、鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中受壓鋼構(gòu)件失穩(wěn)破壞所造成的后果非常嚴(yán)重，利用失穩(wěn)控制技術(shù)提高受壓鋼構(gòu)件的穩(wěn)定承載力并確保其免遭失穩(wěn)是一個新的研究方向。壓電組合構(gòu)件和套管構(gòu)件分別通過粘貼壓電陶瓷片和附設(shè)外鋼管等切實可行的措施來保證受壓鋼構(gòu)件不發(fā)生失穩(wěn)。按照有無外部能源輸入控制系統(tǒng)這種劃分標(biāo)準(zhǔn)，壓電組合構(gòu)件和套管構(gòu)件這兩種失穩(wěn)控制措施分別屬于失穩(wěn)主動控制和失穩(wěn)被動控制。這兩種失穩(wěn)控制技術(shù)均采用特定的技術(shù)措施來限制受壓構(gòu)件屈曲變形的自由發(fā)展從而避免構(gòu)件的失穩(wěn)

2、，由于其控制機(jī)理明確，控制效果顯著因而具有良好的發(fā)展前景。
　　 在運(yùn)用壓電組合構(gòu)件對受壓鋼構(gòu)件進(jìn)行失穩(wěn)主動控制研究中，首先闡述了受壓鋼構(gòu)件失穩(wěn)主動控制的設(shè)計思路；鑒于本文研究中擬采用的壓電陶瓷片，介紹了這種壓電材料作為傳感元件以及作動元件的優(yōu)勢所在，闡述了它的介電性、彈性力學(xué)關(guān)系、傳感效應(yīng)、作動效應(yīng)以及線彈性本構(gòu)關(guān)系壓電方程等電學(xué)與力學(xué)特性；比較選擇了合理的壓電組合構(gòu)件力學(xué)分析模型，對壓電組合構(gòu)件的位移方程、本構(gòu)關(guān)系方程以及動

3、力學(xué)方程進(jìn)行了理論研究，利用最小勢能原理推導(dǎo)得出壓電組合構(gòu)件的靜、動力情形下的控制方程，通過求解控制方程得出不同邊界條件下壓電組合構(gòu)件的變形、振動頻率以及穩(wěn)定承載力的解析解；應(yīng)用Timoshenko梁的考慮剪切變形與經(jīng)典梁理論的不考慮剪切變形這兩種假設(shè)推導(dǎo)出相關(guān)公式并定量分析了剪切變形對于壓電組合構(gòu)件的分析計算的影響；對基體構(gòu)件為不同材料的壓電組合構(gòu)件中相對厚度比值及相對彈性模量比值的優(yōu)化選擇作了定性研究，初步探討了一些設(shè)計參數(shù)對壓電組

4、合構(gòu)件失穩(wěn)控制效果的影響；最后結(jié)合前面章節(jié)的理論推導(dǎo)公式編制了相關(guān)計算程序并進(jìn)行了一系列數(shù)值計算，通過一些典型的算例定量分析了六組參數(shù)數(shù)值與條件的不同對壓電組合構(gòu)件的失穩(wěn)主動控制效果的影響，證實了失穩(wěn)主動控制中相關(guān)設(shè)計參數(shù)的合理選擇能夠有效提高受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力，從而使構(gòu)件的失穩(wěn)得到有效控制。
　　 在運(yùn)用套管構(gòu)件對受壓鋼構(gòu)件進(jìn)行失穩(wěn)被動控制研究中，首先闡述了軸心受壓情況下套管構(gòu)件內(nèi)核圓鋼管與外鋼管之間點.線接觸的力學(xué)模型，參

5、考相關(guān)文獻(xiàn)選擇合理的套管構(gòu)件內(nèi)核本構(gòu)關(guān)系，通過具體算例對內(nèi)核圓鋼管不同工況下的軸壓承載力進(jìn)行了數(shù)值計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對于普通圓鋼管，附設(shè)外鋼管的套管構(gòu)件中相同截面內(nèi)核圓鋼管的軸心受壓穩(wěn)定承載力有了大幅提高，并且隨著外鋼管與內(nèi)核受壓圓鋼管抗彎剛度比值的增大，外鋼管對內(nèi)核受壓圓鋼管屈曲變形的限制約束加強(qiáng)，內(nèi)核與外鋼管一階模態(tài)點接觸即將結(jié)束時內(nèi)核軸壓承載力顯著提高，因而套管構(gòu)件作為失穩(wěn)被動控制措施能夠使得軸心受壓構(gòu)件失穩(wěn)得到有效抑制；最后運(yùn)用通