钢桁架拱桥的结构优化分析

论文摘要

钢桁架拱桥具有外形壮观、跨越能力大、承载能力高等优点。结构优化设计在桥梁工程领域日益受到重视,但其应用范围和程度还很不理想。基于可靠度的优化理论是桥梁结构优化设计理论的重大发展。本文针对钢桁架拱桥的结构优化分析做出以下工作:（1）在查阅大量国内外文献的基础上,系统回顾了钢桁架拱桥的发展历史,总结了桥梁结构优化的研究现状,针对基于可靠度的钢桁架拱桥结构优化分析提出需要进一步研究的问题。（2）根据钢桁架拱桥的结构特性,考虑上承式钢桁架拱桥的受力特点,在ANSYS平台上建立上承式钢桁架拱桥模型。（3）利用ANSYS有限元分析软件中APDL二次开发功能,实现桥梁结构影响线的计算,计算拱脚、l/8、l/4、3l/8和跨中五点的竖向位移影响线和轴向应力影响线,得到相应点的最不利活载位置。（4）在竖向位移和轴向应力最不利活载位置施加公路-Ⅰ级汽车荷载,分析上承式钢桁架拱桥在不同工况下的受力特性。同时对全桥进行刚度、强度、稳定性验算。（5）分析在汽车荷载作用下钢桁架拱桥体系的可靠性,计算其可靠度。同时对桥梁的可靠性进行灵敏度分析,确定竖向位移和轴向应力对各个截面尺寸灵敏度的大小。（6）以桥梁结构中最大轴向应力和最大竖向位移为状态变量,以灵敏度大的截面尺寸为设计变量,以全桥自重为目标函数,对全桥进行基于可靠度的钢桁架拱桥结构优化分析,考虑结构整体均匀受力,确认最终钢桁架拱桥的截面尺寸。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 钢桁架拱桥的发展历史
• 1.1.1 国外钢桁架拱桥的发展历史
• 1.1.2 国内钢桁架拱桥的发展历史
• 1.2 桥梁结构优化设计的发展及现状
• 1.2.1 桥梁结构优化设计的发展
• 1.2.2 桥梁结构优化设计发展缓慢的原因
• 1.3 基于可靠度的结构优化在桥梁工程上的应用状况
• 1.3.1 基于可靠度的结构优化设计特点
• 1.3.2 基于可靠度的桥梁结构优化设计研究方向
• 1.4 本文主要的工作与研究内容
• 第2章 上承式钢桁架拱桥模型的建立
• 2.1 拱桥分类
• 2.2 上承式拱桥介绍
• 2.2.1 上承式钢桁架拱桥的分类
• 2.2.2 上承式钢桁架拱桥的受力特性
• 2.3 模型设计
• 2.3.1 设计资料
• 2.3.2 设计平台
• 2.4 建立全桥模型
• 2.4.1 建立主拱圈模型
• 2.4.1.1 弦杆截面
• 2.4.1.2 弦杆单元
• 2.4.2 建立拱上立柱模型
• 2.4.2.1 拱上立柱截面
• 2.4.2.2 拱上立柱单元
• 2.4.3 建立桥面板模型
• 2.4.4 建立支承体系模型
• 2.4.5 形成全桥模型
• 第3章 影响线分析
• 3.1 确定最不利活载位置
• 3.1.1 竖向位移影响线
• 3.1.2 轴向应力影响线
• 3.2 汽车载荷计算
• 3.2.1 规范要求
• 3.2.2 施加汽车荷载
• 3.3 结构验算
• 3.3.1 强度验算
• 3.3.2 刚度验算
• 3.3.3 稳定性验算
• 第4章 可靠度计算
• 4.1 用ANSYS实现可靠度分析
• 4.1.1 用ANSYS实现可靠度分析的方法
• 4.1.2 用ANSYS实现可靠度分析的步骤
• 4.2 用ANSYS实现桥梁结构可靠度计算
• 4.2.1 随机输入参数
• 4.2.2 抽样计算
• 4.2.3 可靠度计算
• 4.3 用ANSYS实现桥梁结构灵敏度计算
• 第5章 基于可靠度的钢桁架拱桥结构优化
• 5.1 基于可靠度的优化设计模型
• 5.2 用ANSYS实现基于可靠度的结构优化
• 5.2.1 基本要素
• 5.2.2 优化设计步骤
• 5.3 用ANSYS实现基于可靠度的钢桁架拱桥结构优化
• 5.3.1 基于可靠度截面尺寸优化
• 5.3.2 优化结果汇总
• 5.3.3 最优截面选择
• 5.4 优化后结构验算
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录A 模型验算
• A.1 竖向荷载验算
• A.2 构件内力验算
• 致谢
• 研究生履历