多重组合体系拱桥的静动力特性研究

论文摘要

对于特大跨度拱桥,无论在结构体系还是施工工艺上,追求的目标应是在满足功能的前提下,做到造价省、工期短、施工方便、安全耐久和外形美观。正是基于此,多重组合体系拱桥迅速兴起,并得到了广泛的应用。本文以广东佛山东平大桥为背景,采用经典力学方法和有限元法对其新结构体系进行静、动力分析,研究了这种结构体系与传统拱桥结构在受力上的差别,并在此基础上采用遗传算法对此桥的设计参数进行了优化;采用梁、壳耦合有限元模型对主、副拱的连接节点进行了局部应力分析,并识别了其连接刚度;针对桥梁转体过程中提升索力大小由油缸控制的特点,优化了转体过程中的结构计算方法,提高了计算效率,并对施工过程中影响结构安全的关键部位的受力状况进行了研究。完成的主要工作有:（1）基于力法原理,根据佛山东平大桥的受力特点,对由主拱、副拱、刚性系杆和连续梁组合而成的多重组合体系拱桥结构进行简化,得到了其静力学计算模型,并在此基础上,推导了各组合构件对整体结构受力影响的计算公式,定性地分析了多重组合体系拱桥与传统飞燕式柔性系杆拱桥在力学性能上的差别。同时,建立了多重组合体系拱桥的平面有限元模型,定量地研究了副拱和连续梁等组合结构对整体结构受力的影响。（2）建立多重组合体系拱桥的空间组合有限元模型,以有效振型质量参与系数确定其有效参与振型,并对反应谱进行阻尼修正,进行了结构的地震反应谱分析,研究副拱和边跨连续梁对整体结构自振特性和反应谱分析结果的影响。（3）基于遗传算法和有限单元法,选取主拱矢跨比、拱轴系数、各关键截面的截面高度和钢箱壁厚为设计参数,以拱结构材料用量和结构的最大应力为约束条件,以控制截面应力平方均值最小为优化目标,编制结构优化计算程序GA-FEM,对东平大桥的结构设计进行了优化。（4）以梁的平截面假定为依据,采用约束方程实现梁、壳连接节点间的自由度传递,构建整体、局部藕合有限元模型进行数值分析,得到了结构平转时主、副拱连接节点的应力分布,识别了连接节点的连接刚度,研究了连接节点内的加劲肋对整体结构受力的影响。（5）采用一阶优化理论,建立转体施工拱桥的优化计算模型。此模型指定各吊点提升索力大小为设计变量,将结构物特定点的空间坐标设为目标函数,将液压同步提升技术的控制要求设为约束条件。通过对目标函数进行优化计算,以计算机自动求解代替人工试算,大大减少了计算工作量。（6）采用解析法、设计简化方法和精细非线性有限元法,在验证了接触有限元模型参数设定可靠性的基础上,系统地计算了销轴连接结构的接触应力,并将理论计算结果与实测值对比,两者吻合较好。在此基础上,研究了提升力大小和材料本构关系等对接触应力计算结果的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 组合体系拱桥的发展
• 1.2 组合体系拱桥的分类及受力特点
• 1.2.1 梁拱组合体系桥
• 1.2.2 刚构拱组合体系桥
• 1.2.3 斜拉拱组合体系桥
• 1.2.4 悬索拱组合体系桥
• 1.3 组合体系拱桥的应用
• 1.3.1 梁拱组合体系桥的应用
• 1.3.2 刚构拱组合体系桥的应用
• 1.3.3 斜拉拱组合体系桥的应用
• 1.3.4 悬索拱组合体系桥的应用
• 1.4 组合体系拱桥的研究现状
• 1.5 佛山东平大桥简介
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 结构的静力学性能分析
• 2.1 结构的力学模型
• 2.1.1 桥型的创新构思
• 2.1.2 桥型的结构衍变
• 2.1.3 桥型的结构简化
• 2.2 各组合结构的静力学性能分析
• 2.2.1 飞燕式柔性系杆拱内力计算
• 2.2.2 刚性系杆的力学性能分析
• 2.2.3 副拱的力学性能分析
• 2.2.4 连续梁的力学性能分析
• 2.3 结构的静力性能优化分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 结构的静力数值分析
• 3.1 拱桥的体系分析
• 3.1.1 拱轴线和矢跨比
• 3.1.2 吊杆布置
• 3.1.3 横向布置
• 3.1.4 桥道系位置
• 3.2 东平大桥的体系分析
• 3.2.1 副拱的影响
• 3.2.2 连续梁的影响
• 3.3 东平大桥静载试验研究
• 3.3.1 静载试验工况
• 3.3.2 试验测点及断面布置
• 3.3.3 试验荷载和荷载布置
• 3.3.4 试验结果和分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 结构的地震反应分析
• 4.1 结构的自振特性分析
• 4.1.1 空间计算模型
• 4.1.2 自振特性结果对比分析
• 4.2 结构的地震反应谱分析
• 4.2.1 反应谱的选取
• 4.2.2 有效参与振型的确定
• 4.2.3 反应谱结果对比分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于遗传算法的结构优化
• 5.1 桥梁结构的优化
• 5.1.1 桥梁结构优化的层次
• 5.1.2 桥梁结构优化的目的
• 5.1.3 桥梁结构优化的特点
• 5.2 遗传算法
• 5.2.1 遗传算法的思想
• 5.2.2 遗传算法的特点
• 5.2.3 遗传算法的编码方式
• 5.2.4 遗传算法的基本算子
• 5.2.5 遗传算法在结构优化中的应用
• 5.3 结构优化计算程序
• 5.3.1 整体思路
• 5.3.2 程序实现
• 5.3.3 算例
• 5.4 东平大桥的结构优化
• 5.4.1 优化模型的建立
• 5.4.2 优化结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 连接节点的局部应力分析和刚度识别
• 6.1 问题提出
• 6.2 约束方程及其处理梁壳（板）连接的方法
• 6.3 工程应用实例
• 6.3.1 算例模型
• 6.3.2 连接节点局部应力分析
• 6.3.3 试验验证
• 6.3.4 连接节点的刚度识别
• 6.3.5 连接节点附近区域加劲肋对结构的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结构施工过程中的受力分析
• 7.1 液压同步提升竖转施工拱桥的优化计算
• 7.1.1 一阶最优化计算理论
• 7.1.2 工程应用实例
• 7.2 销轴连接结构的接触应力分析
• 7.2.1 接触力学与接触有限元
• 7.2.2 有限元模型参数设定的验证
• 7.2.3 锚固耳板有限元分析和实桥试验
• 7.2.4 参数分析
• 7.3 本章小结
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录