拱的静动力稳定性研究进展-广州大学学报自然科学版.PDF

第１５卷　第５期 广州大学学报（自然科学版） Ｖｏｌ．１５　Ｎｏ．５ 　２０１６年　１０月　 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｏｃｔ．　２０１６ 文章编号：１６７１４２２９（２０１６）０５０００１１２ 拱的静动力稳定性研究进展 刘爱荣，李　晶，黄永辉 （广州大学－淡江大学 工程结构灾害与控制联合研究中心，广东 广州　５１０００６） 摘　要：拱是一种以受压为主的结构体系，当其所承受的荷载达到某个临界值时，整个结构随即失去平衡，通 常可表现为面内或面外失稳．拱的失稳具有类似于脆性断裂的特征，往往无明显征兆、突然发生，且一旦失去稳 定，即会造成灾难性的破坏，危及生命财产安全．因此，从深层次探究拱的稳定性，分析拱的失稳机理显得尤为 重要．文章分别从拱的静、动力稳定性角度系统地回顾了单拱、拱桥的面内外稳定性研究进展，综述拱静动力稳 定理论与实验研究概况，指出目前关于拱的稳定性分析和研究方法存在的不足，展望拱的稳定性研究发展趋 势，为今后拱的稳定性研究提供指导性建议． 关键词：拱；拱桥；静力失稳；动力失稳；面内失稳；面外失稳 中图分类号：Ｕ４４８．２２　　　文献标志码：Ａ 　　在飞速发展的现代结构工程中，拱以其跨越 有限元数值解法和实验方法，以下着重介绍相关 能力强、承载能力高、结构轻盈美观和制作施工方 的代表性研究成果． 便等优势在国内外土木工程、水利工程、机械工程 （１）解析法．解析法通常只适用于结构简单、 和航天工程等领域都得到了广泛的应用．拱在荷载 受力明确的线性或非线性弹性拱，常见求解方法 作用下，拱脚产生水平推力，利用其拱轴将外荷载 有平衡法、能量法和虚位移法． ［１］ 产生的弯矩转化为轴向压力，易丧失稳定性．拱的 ＴＩＭＯＳＨＥＮＫＯ 从均匀受压两端铰支圆弧拱 失稳具有突发性，事先无明显征兆，一旦发生，后果 的平衡微分方程推导出了面内失稳临界荷载特征 非常严重．因此，拱的稳定性往往成为设计中的关 值计算公式，为拱的平面失稳理论奠定了坚实的 键问题，其在静、动力荷载作用下的稳定性问题一 基础．但以上研究假设拱在失稳前处于线性状态， 直是被国内外工程与学术界广泛关注的前沿课题． 临界荷载值较实际值偏大．ＰＩ和ＢＲＡＤＦＯＲＤ［２－１０］ 多年来，国内外学者们针对拱的各类稳定性 对集中力及均布力作用下两端铰接、两端固接、一 问题开展了一系列理论与实验研究．本文系统地 端铰接一端固接以及弹性支撑圆弧拱的平面内非 回顾了拱的稳定性研究概况，阐述了单拱、拱桥的 线性弹性稳定性进行了分析，针对经典理论前屈 面内、面外失稳的分析方法及存在的不足，展望了 曲分析中未考虑屈曲前变形的影响，重新建立了 拱的稳定性研究发展趋势，为今后拱的研究提供 拱结构非线性平衡条件及屈曲平衡方程，求得了 指导性建议． 浅拱正对称失稳荷载和反对称失稳荷载解析解， 并与有限元数值解进行了对比，验证了解析解的 １　拱的静力稳定性研究进展 正确性，但该解析解只适用于浅拱，对于大矢跨比 ［１１］ 深拱则误差较大．ＢＲＡＤＦＯＲＤ等 为简化抛物线 １．１　拱的面内静力稳定性