外倾式钢箱肋拱桥极限承载力分析与参数研究

论文摘要

外倾式钢箱肋拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式,因此多被应用于城市景观桥梁。这种异型的设计使得该桥型的构造和受力相当复杂,但国内外对此研究较少。本文以西安市浐灞生态区1号桥为工程背景,利用大型程序Ansys建立空间模型,对此类结构的极限承载力及其影响因素进行研究。本文调研并分析了钢拱桥在国内外的发展及其极限承载力的研究现状。基于拱桥稳定性分析的基础理论,给出拱桥有限元建模的单元选取及建模方法。在第一类稳定性分析方面,计算了前四阶失稳特征值,并分析了拱肋刚度、布载方式、拱肋外倾角度、加劲梁抗弯刚度、端横梁刚度这些参数对失稳的影响。在极限承载力分析方面,采用几何非线性、材料非线性及双重非线性三种方法分别计算运营荷载作用下的应力和变形。同时分析了拱肋的外倾角度、材料强度、拱肋刚度、荷载形式、加劲梁刚度对该拱桥极限承载力的影响。研究表明:在第一类稳定性分析中,所有一阶失稳模态均为面外失稳,说明外倾式钢箱肋拱桥的面外刚度小于面内刚度,且拱肋抗弯刚度、布载方式、加劲梁抗弯刚度这些参数对第一类稳定的影响较大。在极限承载力分析中,材料非线性比几何非线性对拱桥的极限承载力影响大,荷载形式、材料强度对极限承载力的影响较大。本文的研究结果不但为西安市浐灞生态区1号桥的营运管理提供了技术支持,亦为今后研究外倾式钢箱肋拱桥的稳定性打下了良好的工作基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 拱桥的发展概况
• 1.2 钢拱桥的特点及应用
• 1.3 钢拱桥极限承载力的研究现状
• 1.3.1 国外钢拱极限承载力的研究
• 1.3.2 我国钢拱极限承载力的研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 拱桥稳定分析理论与有限元建模
• 2.1 空间稳定理论
• 2.1.1 第一类稳定问题——分支点失稳
• 2.1.2 第二类稳定问题——极值点失稳
• 2.1.3 第一类稳定问题与第二类稳定问题的关系
• 2.2 有限元分析的原理和方法
• 2.2.1 几何非线性分析的有限元方法
• 2.2.2 材料非线性分析的有限元方法
• 2.2.3 非线性有限元方程的求解
• 2.3 有限元建模方法
• 2.3.1 常用有限元软件综述
• 2.3.2 外倾式钢箱肋拱桥结构建模时的单元选择
• 2.3.3 计算荷载的模拟
• 2.4 材料的本构关系
• 2.5 拱桥稳定安全系数
• 2.6 小结
• 第三章 外倾式钢箱肋拱桥承载力分析
• 3.1 外倾式钢箱肋拱桥计算模型
• 3.1.1 工程背景
• 3.1.2 计算模型
• 3.2 外倾式钢箱肋拱桥第一类稳定性分析
• 3.2.1 特征值分析
• 3.2.2 影响参数研究
• 3.3 外倾式钢箱肋拱桥极限承载力分析
• 3.3.1 极限承载力数值分析
• 3.3.2 分析结论
• 3.4 小结
• 第四章 外倾式钢箱肋拱桥极限承载力影响参数研究
• 4.1 拱肋抗弯刚度对极限承载力的影响
• 4.2 材料强度对极限承载力的影响
• 4.3 拱肋外倾角度对极限承载力的影响
• 4.4 荷载形式对极限承载力的影响
• 4.5 加劲梁刚度对极限承载力的影响
• 4.6 拱桥稳定安全系数比较分析
• 4.7 小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢