（机械设计及理论专业论文）自动化码头低架桥空间桁架结构的稳定性分析.pdf

摘要 摘要 低架桥电动平板小车水平运输系统是高效智能型立体装卸集装箱码头的重 要组成部分，低架桥空间桁架结构承载平板小车、起重小车和集装箱，承受高 速移动重载、冲击荷载、竖向及横向振动、长行程、重复大作业量等复杂恶劣 工况，很容易出现受压杆件的屈曲和整个结构的失稳，该结构的稳定性能直接 影响到整个自动化码头能否正常高效运行。本文采用有限元方法建立空间桁架 结构的梁单元分析模型，分析了低架桥空间桁架结构在集装箱调运复杂工况下 的稳定性能，其主要内容如下： 首先明确高效智能型立体轨道配送系统设计及低架桥空间桁架结构特点、 荷载和运行工况；随后在有限元模型基础上分析了低架桥系统在4 种不同运行 工况下构件的应力应变情况，通过对计算结果进行深入分析和对比，得出最危 险运行工况，并分析该工况下低架桥桁架结构中1 2 种杆件的受压和受弯状况。 在有限元分析的基础上，利用a n s y s 屈曲模块对低架桥系统的不同工况进 行线性的特征值屈曲分析，得到低架桥空间桁架结构最容易失稳的工况，获取 其特征值及屈曲模态，分析低架桥空间桁架结构的失稳形式。同时考虑了三种 不同的弹性支座形式对低架桥稳定性能的影响。 由于工程实际中桁架结构的安装缺陷和非线性因素，考虑几何非线性、材 料非线性因素，并以特征值分析得到的屈曲模态为参照，对线性模型施加初始 缺陷运用弧长迭代法进行非线性屈曲分析，通过载荷位移曲线得到结构更 接近于实际的极限荷载，从而可以得到更偏于安全的设计。 针对低架桥空问桁架结构中1 2 种典型受压受弯的危险构件，本文运用钢结 构设计规范稳定性计算公式进行了局部稳定性校核，结果表明该低架桥空间桁 架结构中杆件设计安全合理，具有良好的稳定性。通过本论文研究可确保低架 桥系统达到钢结构设计稳定性要求，从而提高整个系统的稳定性，可靠性，使 用寿命和运行效率，对低架桥桁架结构的优化设计意义重大。 关键词：空问桁架，稳定性，有限元分析，特征值屈曲，非线性 a b s t r a c t a b s t r a c t l o w - f l a m e b r i d g ef l a te l e c t r o m o t o rc a l h o r i z o n t a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sa s i g n i f i c a n tc o m p o n e n to ft h ei n t e l l i g e n te f f i c i e n ta u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a l s l o w f r a m e - b r i d g et h r e e d i m e n s i o n a lt r u s ss t r u c t u r eb e a r st h e f l a tv e h i c l e ，t h ec r a n e a n dt h ec o n t a i n e r s ，a n di ta f f o r d sc o m p l e xo p e r a t i n gc o n d i t i o n ss u c ha sh i g h s p e e d m o b i l eh e a v y - l o a d i n g , i m p a c tl o a d i n g , v e r t i c a la n dl a t e r a lv i b r a t i o n , l o n gs t r o k e ， r e p e a t e dl a r g ev o l u m eo fw o r k i n g i t sp r o n et oa p p e a rt h eb u c k l i n go fc o m p r e s s i o n c o m p o n e n t sa n di n s t a b i l i t yo ft h ee n t i r es t r u c t u r e , s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u c h s y s t e mh a v ec o n s i d e r a b l ee f f e c t so nt h ew h o l et e r m i n a l se f f i c i e n to p e r a t i o n f i n i t e e l e m e n tm e t h o di sa p p l i e di nt h i sp a p e rt oe s t a b l i s hab e a m - e l e m e n tb a s e ds i m u l a t i o n m o d e l ，a n dt h es t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ec o m p l e xc o n d i t i o n so fc o n t a i n e r t r a n s p o r ta r es t u d i e di nd e t a i la sf o l l o w s ： t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n te f f i c i e n ta u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a ld i s t r i b u t i n g s y s t e m ，s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，l o a d sa n dr u n n i n gc a s e so fl o w f r a m e b r i d g e t h r e e d i m e n s i o n a lt r u s ss t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nw eg e tt h ew o r s t o p e r a t i n gl o a dc o n d i t i o nb yc o m p a r i n g t h es t r e s sa n ds t r a i nc i r c u m s t a n c e su n d e rf o u r k i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sb a s e do nt h ea n s y st h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l u n d e r t h ew o r s tc o n d i t i o n ，a n da l s ow ea n a l y s i s12d i f f e r e n tk i n d so fc o m p o n e n t sw h i c h b e a r i n gp r e s s u r ea n db e n d i n gs i t u a t i o n t h ea r t i c l eh a sd e r i v e dt h et r u s ss t r u c t u r es t a b i l i t ya n a l y s i sc l a s s i c a le q u a t i o n b a s e do nt h eu s eo fl i n e a re u l e r i a ns t a b i l i t yt h e o r y o b t a i nb u c k l i n ge i g e n v a l u ea n d b u c k l i n gm o d a lb yt h el i n e a re i g e n v a l u ef l e x u o s i t ya n a l y s i so ft r u s ss t r u c t u r eu n d e r f o u rk i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n su s i n gt h ea n s y s b u c k l i n gm o d u l et og e tt h em o s t l i k e l yt oi n s t a b i l i t yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n a l y s i st h eb u c k l i n gf o r m su n d e rt h i s c o n d i t i o n ，a n dc o n s i d e rt h r e ek i n d so fe l a s t i cs u p p o r t s a f f e c tt ot h es t a b i l i t yc h a r a c t e r a st h en o n l i n e a rf a c t o r sa n di m p e r f e c t i o no fe r e c t i o ni nt h et r u s ss t r u c t u r e ，t h e p a p e r c o n s i d e r st h e g e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y m a t e r i a l n o n - l i n e a rf a c t o r s ，a n d e i g e n v a l u ea n a l y s i so ft h eb u c k l i n gm o d ef o rt h er e f e r e n c e ，t h e nu s i n gt h ee l e m e n t a n a l y s i sp r o g r a ma n s y st om a k ean o n l i n e a ra n a l y s i so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gw i t h i i a b s t r a c t 一 _ 一 黜- l e n g t hi t 刚i o n t h r o u g h t h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e t og e tt h ee x t r 锄el o a d a t m es 锄et i m e ，i tw 笛c o i l t r a s t c dw i t ht h el i n e a re i g e n v a l u e f l e x u o s i t yf e s u l t s ，mo r d e f t o 趾a l y z em eu s e s 。f n o n l i n e a re x t r e m el o a dt h e o r yc a ng e td o s e r e x t r e i i l el o a dt 0 舭枷a lr e s u l ti nt h es t a b i l i t ya n a l y s i so f t h et r u s ss t r u c t u r e a c c o r d i n gi tw e c a i lg e t f i n a l l y t h ep a p e xc h e c k st h el o c a ls t a b i l i t yo f12k i n d s o fr i s k 1 n p o n e n t s b e 撕n gm c 胛s w c 趿db e n d i n gs i t u a t i o nb yu s i n g t h es t e e ls 眦咖d e s l 印 s p e c i f i c a t i o n i tc 雒b ed r a w nf r o mt h ea n a l y s i s r e s u l t st h a tt h ec o m p o n e t s ，b l g g c s t 妣s sw o n ，tc x c e e d 龇m a x i m 啪s t r e s su n d e rs t a t i ca n a l y s i s ；t h ed e s i g no f 也e 舢s 蛐i ss 嘶w e c a ne n s u r et h a tt h es t a b i l i t yo fl o w - b r i d g es y s t 鼬蝴刺 w i m 让佗s t 耐s 讯l c t i 】r ed e s i 盟r e q u i r e m e n t st h r o u g ht h er e s e a r c h , a n d i tp f o d 髓a r e 鼢l c ev 批f o re n h 跹d n gt h eo v e r a l ls y s t e ms t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , s 咖1 1 t c ， o p e r a t i o n a le 伍c i e n c y a n dt h eo p t i m i z a t i o no f s t r u c t u r a ld e s i g n - k e yw o r d s ：眦e d i m e n s i o n a lt r u s s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t a b i l 咄e i g 洲a l u e f l e x u o s i t y , n o n l i n e a r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：睫五铃 p c 7 年弓月刀e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 疋玉趁 0 q 年弓月加e t 第l 章绪论 第1 章绪论 本章节首先回顾了钢结构稳定性的基本概念，阐述了稳定性基本概念、稳 定理论和桁架结构稳定性研究历史及现状，介绍了课题来源背景和意义，列举 了典型的桁架结构形式、特点和发展前景，论述了本文的研究对象低架桥 空间桁架结构的特点，最后，给出了本文的内容安排。 1 1 结构稳定性发展史 1 i 1 稳定性的基本概念和失稳类型 钢结构的稳定问题普遍存在于钢结构设计中，凡是结构的受压部位，在设 计时都必须考虑其稳定性。对压杆或构件而言，稳定性能是指构件由于受横向 干扰力的作用，从原来位置发生轻微的偏离后，仍能回复原状并承受荷载的能 力。在弹性范围内，除非干扰已引起某些屈服，压杆或构件在干扰撤去后可以 完全恢复到原来受载时的位置，即说明结构是稳定的。 结构的稳定性是结构平衡状念的稳定性，任何结构的平衡状态都可能有三 种形式：稳定的平衡状态，不稳定的平衡状态和随遇平衡状念。 受一定荷载作用的结构处于稳定的平衡状态，当该荷载达到某值时，若 增加某一微小增量，则结构的平衡位移发生很大变化，结构由原平衡状态经过 不稳定的平衡状态而到达一个新的稳定的平衡状态，这一过程就是失稳，相应 的荷载称为临界荷载。通常认为结构失稳的实质是一种转变：首先，存储在结 构中的应变能形式发生了转变，如由压缩应变能转变为弯曲应变能；其次，结 构的变形形式也发生了转变，由弹塑性变形转变为几何变形，即使撤除所施加 的荷载，这种几何变形也无法恢复。 关于结构的强度、刚度和稳定性比较清晰的解释为：强度表示结构中的材 料能够承受的最大应力，刚度表示其抵抗变形的能力，失稳表示结构不再能够 保持原来的平衡状态继续承受附加载荷。强度和稳定性代表结构的承载能力极 限状态，即结构不再有继续承受荷载、抵抗进一步变形的能力，刚度达到0 状 态。借助刚度概念，强度和稳定性的概念达到统一：在材料和截面层次上的刚 度为0 即为传统的强度极限状态；在构件和结构层次一卜的刚度为0 即为稳定极 第1 章绪论 限状态。具有正刚度的结构、构件在荷载作用下失稳的原因就是荷载的负刚度 效应【2 1 。 假设结构在平衡状态附近做无限小偏离后，如果结构仍能恢复到平衡状态， 则这种平衡状态为稳定的平衡状态；如果结构在微小扰动作用下偏离其平衡状 态后，不能再恢复到原平衡状态，反而继续偏离下去，则这种平衡状态为不稳 定的平衡状态；如果结构在微小偏离其平衡状态后，既不能再恢复到原平衡状 态，也不继续偏离下去，而是在新的位置形成新的平衡，则这种平衡状态为随 遇平衡状态，随遇平衡状态往往是从稳定平衡状态向不稳定平衡状态过渡的一 种中间状态。平衡状态的稳定性一般可以由图1 1 所示的小球在不同位置的平衡 来说明，显然小球在a b c 点的平衡分别为稳定、不稳定和随遇平衡状态【2 】。 图1 1 平衡状态的三种情形 j：一 c 钢结构的失稳形式是多种多样的，但按照结构在逐渐加载过程中平衡形式 是否发生质变，可分为以下三类：平衡分岔失稳、极值点失稳、跃越失稳。 1 ) 平衡分岔失稳( 亦称第一类失稳) ：结构所受荷载达到稳定临界荷载后， 平衡形式变为不稳定，在临界荷载点出现平衡状态的分岔。如完善的( 即无缺 陷的、挺直的) 轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳，还有理想 的受弯构件以及受压的圆柱壳等。 2 ) 极值点失稳( 亦称第二类失稳) ：平衡状态不发生分岔现象，即平衡形式 不发生质变，但当荷载达到极限荷载后，荷载必须逐渐下降才能维持内、外力 平衡。例如偏心受压的杆件。 3 ) 跃越失稳：对于曲面板壳、网壳结构，当凸面所受荷载达到稳定临界 荷载后，板壳面由凸面变为凹面，达到新的平衡。扁壳和扁平的网壳结构也可 能发生跃越失稳。 根据不同的分类法，结构的稳定问题还可分为：弹性失稳与弹塑性失稳； 局部失稳与整体失稳等等。 1 1 2 结构稳定理论国内外研究现状 2 第1 章绪论 结构稳定理论研究的是由于结构失去平衡而使结构失效的问题，即较小的 扰动力而引起结构很大的位移并直接导致结构倒塌破坏的问题。早期的结构稳 定理论的研究是一门边缘学科，它涉及数学、物理、结构力学，1 8 、1 9 世纪产 生了许多伟大的数学家，物理学家和工程师，奠定了结构力学的数学基础，1 9 世纪的工业革命推动了这一学科的发展。 早在1 8 世纪中期e u l , 呱1 7 4 4 ) 就提出了结构的稳定性问题，当时e u l e r 计算 了细长压杆的临界压力，l a g r a n g e ( 1 7 7 0 ) 更明确的提出了结构稳定性的概念。在 以后1 0 0 多年，人们陆续对梁、板等各种静载作用下的临界压力进行了研究， 由于当时生产力水平较低，航空、造船工业刚刚兴起，使这些结构研究只停留 在初级阶段，且只限于线性分析。但对于杆、梁等简单构件，由于基于线性理 论的临界压力比较接近于实际，因此结构的稳定性问题并未引起足够的重视， 这在一定程度上阻碍了人们对结构稳定性进一步的深入研究。但这一时期， p r o i n c a r e ( 1 8 8 5 ) 年建立了统一的结构稳定性理论体系，l i a p u n o v ( 1 8 9 2 ) 给出了结 构稳定性的严格数学定义。 1 8 9 9 年m i c h e u 和p r a n d t i 最早研究了矩形截面梁的弯扭屈曲。1 9 0 5 年， t i m o s h e n k o 在基于前两者的基础上研究了有翘曲扭矩工字梁的弯扭屈曲。1 9 2 9 年w a g n e r 等进行了大量研究，逐渐在此领域形成了弯扭屈曲理论，最后由 t i m o s h e n k o 、g e r e & b l e i c h 汇编成教材。然而在工程实践中发现，e u l e r 理论 总是过高的估计柱子的实际承载能力，这主要是柱子的初弯曲、柱端的约束条 件以及材料的弹塑性性质造成的。通过大量的试验和分析，在经典的轴心受压 构件非弹性( 弹塑性) 屈曲理论基础上，e n g e s s e r 、j a s i n s k y 、c o n s i d e r e 等人提出了 更一般的切向模量理论；继而考虑到在弹塑性屈曲产生微弯时，构件凸面出现 弹性卸载( 应采用弹性模量e ) ，提出与e 和切线模量e t 有关的双模量理论，也 叫折算模量理论。f r s h a n l e y ( 1 9 4 6 ) 最终把这两种理论统一起来，提出了 s h a n l c y 模量理论，指出切线模量临界应力是轴心受压构件弹塑性屈曲应力的下 限，双模量临界应力是其上限，切线模量临界应力更接近实际的弹塑性屈曲应 力。因此，切线模量理论更有实用价值【2 】。 s t e p h e ns t i m o s h e n k o 的著作t h o e r yo fe l a s t i cs t a b i l i t y ) ) ( 弹性稳定理 论) 是一篇具有开创性的文章，它的发表( 1 9 3 6 ，m c g r a wh i l l ) 标志着结构稳 定的研究开始成为结构力学领域中一门独立的学科。他在书中提出厂基于特征 值分析的整体稳定性理谢3 1 。而后，国内外许多专家学者一直沿用来解决整体稳 第1 章绪论 定性问题1 4 j 。 在二十世纪结构的稳定理论的研究形成了一个主要的趋势：从使用传统数 学工具的力学理论求解的理想问题向代表真实世界的越来越复杂的问题转变。 近代的稳定性理论：非线性大变形稳定性理论；非线性前屈曲一致理论( 斯坦 因理论) ；初始后屈曲理论( 柯依脱理论) 等就是在这样的背景下发展起来的。 早期的轴压圆柱薄壳的临界压力的实验值仅为线性理论的i 5 i 2 ， f l u g g e ( 1 9 3 2 ) 和d o n n e l l ( 1 9 3 4 ) 先后都认为几何方面或荷载方面的初始缺陷是造成 该差异的主要原因。k a r m a n 和钱学深否定了这一判断，他们从解非线性大挠度 方程出发，提出了后屈曲的大挠度平衡位移，并提出了非线性跳跃理论。这些 概念极大的推动了近代稳定理论的发展。其后k o i n t e t ( 1 9 4 5 ) 在其著名的博士论文 中，用摄动法研究了弹性结构的初始后屈曲形态，推导出了结构的临界压力和 初始缺陷参数之间的渐进关系，并由此提出了初始缺陷敏感度的概念。初始缺 陷理论开始得到普遍的接受，但随着时间的推移和研究的深入，人们对初始缺 陷对结构临界荷载如此大的影响产生了怀疑。二十世纪六十年代，一些学者卓 有成效的研究使得在分析模型中可同时考虑残余应力和几何缺陷的影响，并得 到了s s r c 柱子曲线和欧洲柱子曲线，成为所有钢结构规范设计标准的基础。 s t e i n ( 1 9 6 2 ) 在详细研究了壳体的非线性前屈曲性能对其屈曲方程和临界压力的 影响后，提出了非线性前屈曲一致理论，该理论与非线性大挠度理论类似，以 理想的完善结构为研究对象。随着高速电子计算机的出现和计算方法上的革新， t h o m p s o n 和w a l k e r ( 1 9 6 9 ) 提出了后屈曲离散坐标分析的一般理论，包括有限元 的应用和离散摄动技术，该理论的形成和发展使任意形式复杂结构的稳定性分 析成为可能，再一次极大的推动了结构的稳定性研究。 1 1 3 桁架结构研究现状 目前，桁架结构稳定性分析有两个理论：经典的特征值理论和几何非线性临 界点理论p j 。 经典的特征值理论发展较早，在许多结构力学书中都有叙述，并已经被收入 到结构力学著作中。但是经过工程应用检验，它计算出的临界荷载较大，过高地 估计了结构抗稳定的能力。当桁架可看成是一根受轴向压力的细长杆，且在受 轴向压力的同时受到中点一微小横向扰动时，经典稳定理论得到的临界荷载才 接近于屈曲理论的解，但从未出现前者小于后者的情况。由此推断，在一般情况 4 第1 章绪论 下，只要设计时保证各杆的局部稳定，则桁架整体必稳定。然而经孙焕纯、徐 卫真等人研究发现，基于这种概念导出的临界载荷的不够合理，整体失稳是在 小变形下突然发生的；失稳前，杆件并不始终处于直线平衡状态，当桁架整体 失稳时，一些杆件可能会发生欧拉屈曲，并由此导致整个机构屈曲。即桁架的 整体失稳是由许多杆件达到欧拉屈曲后造成的。由此提出了运用屈曲理论计算 桁架临界载荷的新方法，即各个杆件的内力与外加载荷按照不同比例增加，此 理论称为线性欧拉理论【引。 几何非线性临界点理论是2 0 年前提出的，所谓的临界点就使几何非线性结 构失稳时非线性总势能的临界值，所对应的杆件截面积为稳定的临界解，提出 者认为适用于所有的扁桁架来分析非线性结构的稳定性。经过几年的研究，孙焕 纯，王跃方等连续提出三个稳定理论：线性与非线性欧拉理论；非线性临界点欧 拉理论和两个计算方法来进行桁架结构的线性和非线性截面优化设计。经过理 论研究和对前人文献中数值例题的计算和比较，发现特征值理论并不符合实际。 临界点理论只适用于大扁度桁架( 即高跨比远远小于1 ) ，而不适用于一切扁桁 架。前者适用于广泛的小变形桁架结构，后者适用于具有较小扁度( h l 1 5 0 ) 和低荷载、小截面的大扁度桁架；当1 5 0 h l 1 1 0 0 时，不论几何非线性 欧拉理论还是临界点理论都不适用，这时应该将几何非线性临界点理论和欧拉 理论结合起来。以欧拉稳定条件作为临界点理论的约束条件，就可以求得正确 解，这可称为几何非线性临界点欧拉理论，即几何非线性欧拉稳定理论。 它可适用于任何桁架结构，且对高荷载、大截面的大扁度桁架自动归结为临界 点理论。当h l 1 5 0 或处理低荷载、小截面的大扁度桁架时自动归结为欧拉 理论，特别是l 5 0 h l 1 1 0 0 时，这一理论更加适用【7 8 】。 空间桁架通过铰接系统连结了大量的构件和基本元件，从其固有的静态冗 余性和稳固的三维刚度来看，很多设计者认为它有很大的抗破坏的安全储备。 如果是那样的话，只需进行线性的有限元分析。事实上，结构中成员的大量的 冗余性并不能提供结构的冗余，结构的冗余意味着结构中一定数量的杆件破坏 后，结构仍能承担总体承载力。在可展结构中，静态冗余性可转化为结构的冗 余性。但在桁架结构中，由于结构中长细杆的脆性和结构不能采取屈曲后应力 重分布，经常表现出脆性和不稳定性，这就意味着一个杆件的临界屈曲( 几何 或材料非线性) 将导致结构的渐进破坏，丧失承载能力伴随着显著的几何变形 ( 几何非线性) 。 5 第1 章绪论 此外，桁架的固有冗余度也是导致结构敏感的原因之一，这种初始冗余将 会导致初始内力的形成，这将导致临界受压杆件的初始屈服，从而引起结构的 早期破坏。随着一系列工程事故，如1 9 7 8 年美国的康涅狄格州的哈特福德体育 馆的空间桁架事故和1 9 6 3 年的罗马尼亚首都布加勒斯特展览厅弯顶事故，使研 究和设计人员意识到，除了桁架的固有特性，桁架的总体特性表现的很不稳定， 并且对实际工程中的其他特性也很敏感。此外一些基于数值结论和实验观察的 近期研究工作进一步证实了线性分析是不合适的。原因如下： 1 ) 桁架受压构件的屈曲后脆性特点以及这些构件屈曲荷载的分散性造成了 很难预测一个桁架承载能力的最大值，特别当屈曲是最可能导致系统失效的原 因时。 2 ) 由于荷载而引起得到形状的改变有时可能导致临界构件屈服或者屈曲在 荷载达到由线性分析所得到的荷载值之前发生。 3 ) 有关空间桁架对构件几何缺陷( 特别是缺少紧密连结时) 高度敏感的证 明。 因此，从设计者的观点来看，最重要的是了解影响空间桁架性能的实质性 因素。这些因素和一些其它原因使得实施非线性结构分析变得越来越重要。进 行这种分析的目的在于提供对空间桁架结构性能得更好的理解以及保证设计的 安全性。 近年来钢结构的非线性分析研究在国内外得到广泛的重视。对于桁架结构， 非线性特别指：1 ) 由于轴力所引起的构件缩短( p a 效应) ；2 ) 由于弯曲所引 起的构件长度的变化( p 一万效应) ；3 ) 轴力对构件屈曲的影响；4 ) 由于塑性变 形发展所引起的构件刚度的变化；5 ) 安装和制造的误差。 文献 9 关于顺德风雨球场桁架拱结构的稳定性分析中对桁架拱结构的有 几何初始缺陷的模型和无几何初始缺陷的理想模型进行几何非线性稳定分析与 比较，采用牛顿一拉弗森法和弧长法跟踪非线性极值点，得出结论为几何初始 缺陷对该结构屋盖整体稳定计算虽有影响，但影响不大【9 】。文献 1 0 对由六榀相 同的立体桁架拱组成的桁架结构考虑非线性各种因素进行分析对比，得出结论 是几何非线性、初始缺陷、材料非线性对立体桁架拱结构的整体稳定性都有影 响，初始缺陷相比对该结构影响较小【l o 】。 大跨空间钢结构杆件众多，安装过程中不可避免地会出现各种初始缺陷， 包括曲面形状的安装偏差、杆件初弯曲、杆件对节点的初偏心、各种原因引起 6 第1 章绪论 的初应力等，几何非线性分析方法中初始几何缺陷的施加非常重要。1 8 9 6 年， r e m ec o n n e l 和t s e e 对结构的失稳模态进行分析，表明用最低失稳模态可以 准确预测结构失稳区域，而且按最低阶失稳模态引入初始缺陷得到的结构极限 失稳荷载与试验值较为接近【1 1 , 1 2 】。 此后，i m k a n i 和r e m ec o n n e 又提出另一种缺陷引入方法，称为“完善 结构扰动分析法”。该方法首先计算理想结构切线刚度矩阵出现第一个负元的荷 载水平，此时按相对于最小特征值的特征向量进行结构扰动，使之进入分支屈 曲路径，从而不必重新计算结构刚度矩阵。1 8 9 8 年，意大利的c b o r r i 和e s p i n l l i 采用蒙特卡罗法，模拟网壳结构受随机的杆件缺陷和节点几何位置缺陷影响【1 3 1 。 国内对缺陷问题也进行了一些研究。沈世钊、程听提出了两种缺陷分析方 法。第一种“随机缺陷模态法将结构的初始安装缺陷作为随机变量，采用正 态随机变量模拟各节点的安装误差，这样空间网壳结构的初始安装缺陷是一个 多维的随机变量，其样本空间的每一个样本都对应着一种缺陷模态。第二种“一 致缺陷模态法 采用最低阶屈曲模态模拟结构的初始缺陷分布【1 4 1 。胡学仁教授 采用“一致缺陷模态法”分析网壳的极限稳定承载力并在文献 1 5 】中建议设计荷 载取临界值的1 5 t 1 5 1 ；钱若军教授借鉴钢筋混凝土薄壳设计荷载公式，提出设计 荷载取非线性理论计算的理想网壳临界荷载的1 7 一l 8 1 1 6 】。 网壳结构技术规程( j g j l 6 2 0 0 3 ) 中对要进行稳定性计算的网壳类型作出 了具体的规定，主要是要求对各种类型的单层网壳和厚度小于一定要求的双层 网壳进行稳定性复核。计算时应当按照考虑几何非线性的有限元分析方法进行 荷载一位移全过程分析【刀。实际结构的稳定性分析可以从其荷载一位移全过程 曲线得出完善的概念。结构的稳定性问题和承载力问题时相互联系在一起的， 结构荷载位移全过程曲线可以准确的把承载力、稳定性以至于结构整体刚 度变化的整个过程表示的清清楚楚。 早期对网格结构的非线性分析采用了等效刚度分析技术，该方法将桁架结 构转化为带有等效刚度的连续壳模【l 引。后来的极限状态设计原则在空间桁架结 构设计中的应用要求必须进行非线性分析。随着计算机在研究领域的广泛应用， 运用迭代技术和有限元方法进行大范围结构的完全非线性分析取得了显著进 步。国内外出现了多种用于空间桁架结构在大位移或小位移状态下的弹塑性分 析的方法，且在应用和精度上各有其特点。自七十年代中期以来产生的方法中， 绝大多数使用增量法并且根据构件状态在其本构关系中的位置进行刚度修正来 7 第1 章绪论 进行空间桁架结构的非线性历史分析。 构件连结的柔性和它对整个结构性能的影响是最兴起的另一个课题。实际 上，网格结构的所有连接在荷载作用下均表现出了一定的柔性，完全刚接或完 全铰接的假定均是为了简化分析过程而提出的，然而，实际连接的性能往往介 于这两种理想情形之间。连接的柔性不仅影响被连接构件自身的性能，而且会 影响整个结构的性能。e 1 s h e i k h 于1 9 9 3 年提出了一个数值过程，用半刚性连接 的梁一柱单元来考虑空间桁架杆端节点的柔性。与3 个自由度的铰接单元相比， 6 个自由度的梁一柱单元显著的增加了采用带格式历史分析的计算量。这种分析 涉及了具有连接参数的复杂模型，但是参数限制了该方法的实际应用。铰接的 假设可能是不适当的，但是确实更贴近于实际设计，原因如下： 1 ) 铰接节点假设极大的简化了分析和设计过程，而且提供了相当大的安全 储备用以抵抗由于忽略桁架杆件的部分杆端约束所带来的某些不确定性的缺 陷。2 ) 空间桁架结构的拓扑和其中的短杆件及其制好的杆端连接部件使得空间 桁架结构的接点抗弯刚度很小。3 ) 不同的空间桁架结构中的杆端约束变化很大， 选择某个确定值或建立一个公式来预测杆件在端部的约束程度相当困难。 对于具有连续弦杆和偏心节点的空间桁架，由e 1 s h e i k h 在1 9 9 8 年得到的 结果表明：受压构件在屈曲强度和延性方面呈现增强的性能。因此，考虑节点 的柔性可提高结构的性能，特别是在延性方面，从而获得经济实际的设计。基 于实验数据，e 1 s h e i k h 还发现增强杆件的延性性能可以通过模拟铰结杆件的本 构关系而得到，而不是用带有柔性连接的复杂梁单元得到。 考虑到脆性桁架结构的低屈曲后承载能力( 比弹性极限低2 5 4 0 ) ，需要采 取特别设计以改善这种性能。早期处理该问题的办法包括：对临界受压构件采 取“过设计 同时对受拉构件采取“不足设计；对偏心斜构件，包括有延性反 应的些构件：在弹性设计中运用预应力来减轻结构重量。澳大利亚s u r r e y 大学 曾经做过的一个研究项目是研究荷载强化及荷载重分布以提高双层网架的承载 力和延性。成功的将这些技术应用于设计，需要对结构完全非线性分析的理解， 需要特殊的处理方法以及对几何、材料非线性和缺陷存在失结构的整体反应的 调查研究。 1 2 课题背景和意义 第1 章绪论 1 2 1 课题来源 本课题源于上海市科学技术委员会科研计划攻关项目高效智能型立体 装卸集装箱码头核心技术研发与应用，属于上海市经委支持的重大科研项目的 子课题，并依托单位上海振华港口机械( 集团) 股份有限公司雄厚的技术储备、 创新能力和经济实力，项目编号：0 6 d z l1 2 0 2 。 1 2 2 课题背景和意义 海上运输承载着世界贸易总量的2 3 ，在各种运输方式中，以低成本，运 量大为主要特点并占据不可动摇的地位。作为沟通海运和其它运输方式的集装 箱码头，更成为物流、资金流、信息流交汇的中心，在经济全球化社会中扮演 重要的角色。为了适应集装箱的增长需求，对集装箱码头装卸的自动化，高效 化，低成本提出了更高的要求。全自动化集装箱码头备受国际社会的关注。尽 管全自动化运转集装箱码头投资大，但是如果全自动化运转系统有效运作，营 运成本将会降低，增加的投资能够得到相应的补偿。随着集装箱码头全自动化 运转技术的发展以及提高竞争力的迫切需要，集装箱码头全自动化运转将成为 大势所趋。 目前全球集装箱实行全自动化作业的码头有荷兰鹿特丹e c t 码头和德国汉 堡港哈拉码头。其水平运输均采用自动导航小车即a g v 系统，且存在两个致命 的缺点：一是投资昂贵，二是没有人工操作码头效率高。尽管他们在研发高效 智能化集装箱码头上迈出了步伐树立了榜样，但却没有得到推广应用1 2 1 2 2 1 。人们 正在试图寻找新方法和新技术来解决全自动化集装箱码头的诸多问题，以达到 全自动化集装箱码头的高效，节能，环保，低成本。 如何研制比人工操作码头效率高，而又投资不高的经济型自动化码头被提 上港口机械制造商的议事日程。本课题在总结世界上先进的自动化码头成功经 验的基础上，决定取消内燃机驱动的水平运输和昂贵的导航系统，采用电驱动 的码头装卸设备，并将其置于立体轨道( 即低架桥系统) 上构成集装箱立体输 送网络，从而达到全自动化，高效化的集装箱装卸水平。 低架桥电动平板小车水平运输系统是振华港机在世界首创立体式轨道式集 装箱电动小车智能传送分配的全新方案，取代了目前世界上所有集装箱码头前 沿岸桥和后方堆场之间的水平运输全部采用内燃机驱动的水平运输工具( 集卡， a g v ，跨运车) 的地面运输系统。实现了集装箱在码头前沿岸桥与码头后方堆 9 第1 章绪论 场问的快捷立体传送，以便于实现智能化调度，自动化控制，提高集装箱传送 效率，且可极大地缩短岸桥与后方的码头占地面积，减少码头造价；并由于采 用电动小车，比内燃机驱动的集卡，a g v ，跨运车节能减耗，减低了设备成本， 提高了经济性，又消除了内燃机废气排放和噪声污染，符合环保要求，同时设 备的总用量大大减少2 3 1 。 在本课题中，我们将对自动化码头立体式智能传送分配系统中低架桥空间 桁架整体结构的静力和稳定性能进行分析，并根据钢结构设计规范对其进行局 部杆件的稳定性校核，确保低架桥系统达到钢结构设计稳定性要求，从而提高 整个系统的稳定性，可靠性，使用寿命和运行效率。 1 2 3 桁架结构的设计要求 桁架是由一些细长杆在其两端连接( 利用焊接或铆接等方法) 而成的几何形 状不变的结构。它在桥梁、起重机与屋架等工程对象中得到广泛的应用。 ji|i 耋 图1 2w a r r e n 桁架结构简图 l 、。v。、n 图1 3p r a t t 桁架结构简图 平面桁架最常用的就是w a r r e n 桁架和p r a t t 桁架两种结构形式，如图1 2 和 1 3 所示。一般的w a r r e n 桁架是最经济的布置，因为其长的受压腹杆可以利用钢 管结构有效的受压特性，且较容易使用有间隙的接头，便于加工和安装。与p r a t t 桁架相比w a r r e n 桁架只有它一半数量的腹杆与节点，这样可以节约材料与工时。 如果桁架所有杆件的轴线与其受到的载荷均在一个平面内，称此类桁架为平面 桁架，否则称为空间桁架【2 4 1 。 桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁，一般由主桥架、 上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。在桁架中，弦杆 是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆：连接上、下弦杆的杆件叫腹杆， 按腹杆方向之不同又区分为斜杆和竖杆。弦杆与腹杆所在的平面就叫主桁平面。 大跨度桥架的桥高沿跨径方向变化形成曲弦桁架；中、小跨度采用不变的桁高， 1 0 第1 章绪论 即所谓平弦桁架或直弦桁架。桁架结构可以形成梁式、拱式桥，也可以作为缆 索支撑体系桥梁中的主梁( 或加劲梁) 。桁架桥梁绝大多数采用钢材修建，亦有采 用预应力混凝土修建的例子。桁架桥为空腹结构，因而对双层桥面有很好的适 应性。 桁架的工程要求：1 ) 足够的强度不发生断裂或塑性变形；2 ) 足够的 刚度不发生过大弹性变形；3 ) 足够的稳定性不发生因平衡形式的突然 转变而导致的坍塌；4 ) 良好的动力学特性抗震性。 桁架的设计要求：1 ) 要有符合要求的杆件；2 ) 要有良好的连接件，包括 铆钉、销钉及焊缝的连接。这些就涉及到桁架的类型、杆件的尺寸和材料，但 首先是静力学分析。 钢桁架在承载能力极限状态可以出现下列六种情况1 2 s l ： 1 ) 整个结构或其一部分作为刚体失去平衡； 2 ) 结构构件或连结因材料强度被超过而破坏； 3 ) 结构转变为机构体系： 4 ) 结构或构件丧失稳定性； 5 ) 结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载； 6 ) 在重复荷载作用下构件疲劳断裂。 在这些极限状态中，稳定性、抗脆性和疲劳的能力都对结构有很大的影响。 1 2 4 自动化码头低架桥空间桁架结构的特点 低架桥空间桁架结构是整个运输系统中最为关键的部分，它担负着将集装 箱从岸桥起重机吊装并通过低架桥的上层起重小车运行轨道和下层电动平板小 车运行轨道运送至地面电动平板小车的任务。 研究对象的特点：三榀双跨的空间桁架结构，多个支撑，单边端部侧向连 接，高速变化载荷重载，可能发成多种失稳( 垂直，上下，水平左右，甚至扭 转) 。 自动化码头低架桥空间桁架结构必须承受高速移动重载，小车与轨道轮轨 接触摩擦，轮轨之间高频率高速度反复运载，轨道蛇形运动，以及由此产生的 惯性力冲击，竖直方向振动，横向振动等一系列复杂工况。在这些重载荷、长 行程、重复大作业量等复杂恶劣工况作用下，钢结构很容易出现杆件的弯曲变 形，滚轮的接触疲劳，桁架结构的侧倾，局部结构和整个结构的失稳。这对低 第1 章绪论 架桥空间桁架结构的刚度、强度、稳定性和可靠性都将是一个极大的考验。如 果结构设计不够合理将会对低架桥结构甚至整个自动化码头运输系统产生严重 的影响。 1 3 本文的研究内容 针对低架桥空间桁架结构，本文采用理论简化分析结合有限元验证的方法 研究其整体稳定性和受压受弯构件的稳定性，具体的研究工作如下： 1 ) 明确上海振华港机集团高效智能型立体装卸集装箱码头立体轨道输送系 统方案以及设计布局等信息，对低架桥空间桁架结构进行载荷分析及工况研究