徐变对大跨度钢管混凝土拱桥静力及动力可靠性的影响研究

论文摘要

近年来我国钢管混凝土拱桥建设长足发展。目前其综合时效问题非常突出,长期性能已开始成为影响该种桥型发展的重要因素。混凝土徐变效应对钢管混凝土拱桥的依时行为影响显著,是钢管混凝土拱桥基础理论研究中特别需要深入关注的问题。进一步开展钢管混凝土拱桥徐变静动力效应的理论研究工作,从广度上而言,意味着需从静力范畴拓展到动力范畴去认识徐变对结构的影响,推动徐变相关的静、动力交叉问题研究；从深度上而言,意味着需从确定性问题领域过渡到随机问题领域,从概率角度出发,研究徐变对结构可靠度的影响。基于以上两方面的考虑,取二者交点为主题,本文重点研究了徐变对钢管混凝土拱桥静力可靠性、随机振动响应以及动力可靠性的影响。本文从分析混凝土的变形性能和徐变机理入手,基于现有的徐变试验数据并以混凝土徐变微观本构模型为工具,首先在材料层次研究了混凝土徐变的基本性质,提出了含不同掺和材料的混凝土的徐变数学模型。在材料模型的基础上,利用数值方法分析了钢管高强混凝土、钢管粉煤灰混凝土轴心受压构件的徐变行为,并与试验结果进行对比验证,为后面延续到结构层次的徐变研究打下基础。在徐变对结构的静力行为影响方面,本文引入来自于混凝土徐变模型、材料以及结构几何三方面的不确定性因素,利用基于拉丁超立方体抽样方法的Monte Carlo法对考虑输入变量随机性的结构进行了徐变效应的概率分析,同时给出了徐变对结构时变可靠度影响的评价方法,以及结构徐变效应的敏感性分析方法。在徐变对结构的动力行为影响方面,本文系统地分析了静动力行为、持续荷载与瞬时荷载、长期效应与瞬时响应之间的联系,阐释了徐变对结构动力行为影响的机制,以长期持续荷载作用后混凝土力学性能试验为基础,提出了混凝土徐变后效的预测模型。以此为基础,本文首先分析了徐变对钢管混凝土拱桥动力特性以及不同激励作用下确定性动力响应的影响,然后采用结构随机振动分析的虚拟激励方法,以钢管混凝土拱桥在一致、非一致地震激励作用下的随机振动分析结果为依据,在均方响应的意义上揭示了徐变对其随机地震响应的影响规律,对徐变与结构动力性能关系的研究作了进一步深化。最后,本文以考虑徐变影响的结构随机振动分析结果为基础,依据符合Poisson假设的首次超越破坏准则,分析和评价了徐变对大跨度钢管混凝土拱桥动力可靠性的影响。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钢管混凝土徐变研究
• 1.2.2 钢管混凝土拱桥徐变不确定性研究
• 1.2.3 钢管混凝土拱桥抗震性能研究
• 1.2.4 钢管混凝土拱桥随机振动研究
• 1.2.5 钢管混凝土拱桥动力可靠度研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 钢管混凝土徐变性能研究
• 2.1 混凝土材料的徐变
• 2.1.1 混凝土变形性能
• 2.1.2 混凝土徐变机理
• 2.1.3 混凝土徐变流变模型
• 2.2 混凝土徐变数学模型
• 2.2.1 混凝土徐变的固结理论
• 2.2.2 普通混凝土的徐变数学模型
• 2.2.3 硅粉混凝土的徐变数学模型
• 2.2.4 粉煤灰混凝土的徐变数学模型
• 2.3 钢管混凝土构件徐变试验研究
• 2.3.1 试验内容及试件设计
• 2.3.2 材料参数
• 2.3.3 试验方法
• 2.3.4 试验结果及分析
• 2.4 钢管混凝土构件徐变模型研究
• 2.4.1 叠加原理和梯形法则
• 2.4.2 三向应力状态下的徐变
• 2.4.3 钢管混凝土轴心受压构件徐变模型
• 2.4.4 模型验证
• 2.4.5 参数分析
• 2.5 小结
• 3 徐变对大跨度钢管混凝土拱桥适用可靠性的影响
• 3.1 结构徐变效应的确定性分析
• 3.1.1 增量型类弹性本构关系和简化方法
• 3.1.2 徐变效应数值分析的有限元方法
• 3.2 结构徐变效应的概率分析
• 3.2.1 结构徐变分析的不确定性
• 3.2.2 结构徐变效应的概率分析方法
• 3.2.3 敏感性分析方法
• 3.3 徐变对钢管混凝土拱桥适用可靠性影响的数值模拟
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 有限元模型
• 3.3.3 随机参数统计特性
• 3.3.4 极限状态定义
• 3.3.5 模型验证
• 3.3.6 结果与分析
• 3.4 小结
• 4 徐变对大跨度钢管混凝土拱桥确定性地震响应的影响
• 4.1 徐变对结构动力性能影响的关键问题
• 4.1.1 徐变对结构动力性能的影响机制
• 4.1.2 混凝土徐变后效
• 4.1.3 徐变后几何非线性梁单元的切线刚度矩阵
• 4.2 考虑徐变效应的桥梁结构动力分析
• 4.2.1 运动方程的建立
• 4.2.2 特征问题数值解法
• 4.2.3 动力响应数值解法
• 4.3 徐变对钢管混凝土拱桥确定性地震响应影响的数值模拟
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 徐变对桥梁动力特性的影响
• 4.3.3 徐变对桥梁地震响应的影响
• 4.4 小结
• 5 徐变对大跨度钢管混凝土拱桥随机地震响应的影响
• 5.1 地震地面运动的随机模型
• 5.1.1 随机地震动的谱描述
• 5.1.2 地震地面运动加速度功率谱密度模型
• 5.1.3 地震地面运动空间变化效应
• 5.1.4 地震激励功率谱的分解
• 5.2 结构随机地震响应分析的数值方法
• 5.2.1 一致激励下结构随机地震响应分析
• 5.2.2 非一致激励下结构随机地震响应分析
• 5.3 徐变对钢管混凝土拱桥随机地震响应影响的数值模拟
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 徐变对桥梁随机地震响应的影响
• 5.4 小结
• 6 徐变对大跨度钢管混凝土拱桥动力可靠性的影响
• 6.1 结构的首次超越破坏准则
• 6.2 随机反应超越界限的概率分析
• 6.3 基于Poisson假设的动力可靠性分析
• 6.3.1 随机反应最大值的概率分布
• 6.3.2 确定界限下的动力可靠性
• 6.3.3 随机界限下的动力可靠性
• 6.4 徐变对钢管混凝土拱桥动力可靠性影响的数值模拟
• 6.4.1 徐变对随机反应最大值的影响
• 6.4.2 徐变对动力可靠性的影响
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集