论文总字数：21861字

摘 要

大跨度钢结构由于其具有质量轻，强度高，延展性好，易连接等优点，因此被广泛应用于大型桥梁和建筑中。但随着跨度的增大，结构不断复杂化，其力学性能也变得十分复杂，因此在大跨度钢结构正式使用之前往往要进行模拟实验，而目前国内外所作的模拟实验往往是缩比试验，不能准确地计算出钢结构的力学性能，因此，本文对珠海国际会展中心的大跨度钢梁进行足尺实验研究。

本文以珠海国际会展中心为基础提出了一种大跨度钢梁静载实验用加载装置，该装置设置合理，成本低，结构简单，加载过程安全，加载位置调整简便，可成功进行大跨度钢梁的足尺加载试验。

本论文对珠海国际会展中心大跨度钢箱梁进行足尺试验，制定试验方案，根据能量法，挠曲线方程等理论，利用Ansys软件进行有限元建模与力学分析，计算各分级加载状态的位移、稳定性和应变，与足尺试验实测值进行对比，从而掌握钢梁在设计荷载下的应力及变形特征，为此类钢梁结构的设计提供一定的参考。

关键词：会展中心；钢箱梁；足尺实验；有限元分析

Abstract

Large scale steel structure has the advantages of light weight, high strength, good flexibility, good flexibility and so on. It is widely used in large bridges and buildings, but with the increase of the scope and complexity of the structure, the mechanical properties become very complex. Therefore, simulation experiments are often performed before the large-span steel structure is officially used, and the current mini-tests at home and abroad are often shrinkage tests Therefore, the mechanical properties of the steel structure cannot be accurately calculated. Therefore, this paper conducted a full-scale experimental study on the large-span steel beam of the Zhuhai International Convention and Exhibition Center.

Based on the Zhuhai International Convention and Exhibition Center, this paper proposes a loading device for static loading experiments of large-span steel beams. The device has reasonable settings, low cost, simple structure, safe loading process, and easy adjustment of loading position. Ruler loading test.

In this paper, a full-scale test is carried out on the long-span steel box girder of Zhuhai International Convention and Exhibition Center, and the test plan is developed. Based on the energy method, the flexure equation and other theories, Ansys software is used for finite element modeling and mechanical analysis to calculate the displacement of each stage loading state , Stability and strain, compared with the measured values ​​of the full-scale test, so as to grasp the stress and deformation characteristics of the steel beam under the design load, and provide a certain reference for the design of such steel beam structure.

Keywords：Exhibition Center；Steel box girder；Full-scale experiment；Finite element analysis

目录

第1章绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.3本文研究的主要内容、意义及路径 3

1.3.1研究内容及意义 3

1.3.2研究路径 3

第2章理论分析 5

2.1弹性体基本理论 5

2.1.1弹性力学中的基本假定 5

2.2梁的稳定性理论 5

2.3梁的挠曲线微分方程 6

2.4薄壁组合梁的的理论分析 7

第3章钢箱梁有限元模型的建立 11

3.1有限元分析 11

3.1.1有限元方法概述 11

3.1.2有限元分析软件 11

3.2有限元模型的建立 11

3.2.1模型参数 11

3.2.2材料本构关系 12

3.2.3单元选取及网格划分 12

3.2.4边界条件 13

3.2.5加载方案 13

3.3有限元结果分析 16

3.3.1钢箱梁端部竖向反力 16

3.3.2正应力计算值 17

3.3.3位移计算值 18

3.3.4腹板平面外计算结果 19

3.3.5剪应力计算值 20

第4章数据对比 21

4.1实验现场布置 21

4.2实测结果分析 21

4.2.1钢箱梁的挠度 21

4.2.2钢箱梁的应变 23

4.2.3钢箱梁腹板的局部屈曲及面外变形 25

4.3计算数值与实测数据对比 27

第5章结论与展望 28

5.1结论 28

5.2展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章绪论

1.1研究背景

近年来我国在基础建筑领域的投入不断加大，各种高层大跨度建筑层出不穷，钢结构需求量不断增加，随之而来的，钢结构计算理论在国内外学者的努力研究下也不断完善，刚结构施工技术也日益成熟,伴随着炼钢技术的发展，钢结构建筑总体的造价不断降低，在这些因素的多重影响下，大跨度钢结构在近些年获得蓬勃发展。大跨度钢结构的形式已经不仅仅局限于普通的网架结构和网壳结构，还延伸出了预应力空间桁架结构，穹顶式结构等外表美观，构造复杂，受力状态多样化的结构，因此需要在施工前对其进行安全性与使用性分析。进行大跨度钢梁的模拟实验研究也层出不穷。珠海国际会展中心大跨度钢结构两端受到简支约束，包含大跨度刚性梁，外框架为钢筋混凝土，整个屋面由展览区延伸至会议区，通过短柱与会议区屋面连接形成整体。其中，大跨度钢箱梁设置在该建筑的四层及屋面层，四层钢箱梁总长为69m，由于会展中心结构及所受荷载复杂，变形情况及受力状态不同于普通钢梁，因此，为保证会展中心满足使用要求及安全运营，有必要对钢箱梁进行模型承载试验。

目前常见的模型承载试验室缩比模型试验，这种试验可以获得钢梁的承载能力，但对于高厚比较大的腹板的局部变形特征，则不能有良好地阐释，因此本文基于珠海国际会展中心的69m大跨度钢梁进行1：1足尺承载力试验，通过建立有限元模型，指定试验方案，针对各分级加载状态进行模拟计算，从而了解钢梁在设计荷载下的变形特征及应力分布，为大跨度钢梁结构的设计提供一定参考。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

大跨度钢梁在诸如会展中心这样的公共建筑中应用很普遍，对大跨度钢梁安装架设的研究文献报导非常多，对大跨度工字形、H型截面型钢梁及箱梁的承载性能的研究论文也很多。

董石麟对介绍了我国大跨度钢结构的类型与特点，提出了大跨度钢结构已经成为建筑中被广泛使用的结构，同时也展望了未来我国将继续研究和推广各类空间钢结构，使我国的建筑行业发展蒸蒸日上^[1]。

王旭峰研究了我国现代钢结构的一项重要施工方法，即高空滑移施工技术，通过实例介绍了高空滑移技术的优点和使用范围，对高空滑移施工技术的未来的使用前景进行了良好地展望 ^[2]。邵麒通过通过使用MIDAS力学分析技术、BIM碰撞检查和可视化仿真技术等手段，总结出了一套适用于我国大跨度钢结构滑移施工的安全技术，有效控制了施工中发生危险的可能性^[3]。常海东对大跨度钢梁提升结合滑移安装技术进行了研究，由于施工机械的起重性能有限，施工场地受限，故提出了滑移与提升相结合的方法来进行施工，实现了钢结构的精确安装^[4]。范重对国家体育场设计中的大跨度钢结构的设计方案及安装步骤进行了简要介绍，用模拟计算的方法分析出了施工顺序对构件内力的影响，提出了钢结构安装的技术要点^[5]。

童根树利用有限元模拟分析方法，对具有腹板的工字梁进行了研究，分析得到了腹板应力发展的变化规律，得到了适用范围更广的的工字梁抗剪极限承载力的计算公式^[6]。张壮南对单轴对称工字形钢梁进行了研究，当其在残余应力存在的情况下，受到稳定荷载时，通过有限元计算，对残余应力的分布进行了分析，证实了残余应力对极限荷载有极大影响^[7]。李艳文对使用波纹腹板的H型钢进行了分析，计算腹板的抗屈曲能力，运用能量法计算了钢梁在承受压力载荷时下的位移，应变，屈曲变形等性质，得到了钢梁的屈曲能力公式^[8]。

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