高墩大跨度连续刚构桥稳定性研究

论文摘要

从桥梁建设史上可以看到,世界上曾经发生过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故。连续刚构桥由于大多采用高桥墩和薄壁截面形式,因此其稳定问题和强度问题一样,是结构设计计算中不可忽略的关键问题之一。同时,国内桥梁设计规范中并没有明确给出连续刚构桥稳定性的安全系数,因此此类桥型的稳定问题有待进一步研究。本文在分析国内外稳定理论发展历程以及现状的基础上,对高墩大跨度连续刚构桥的稳定性展开了多方面的研究。首先,介绍了用能量原理推导高桥墩临界荷载的计算公式,以及运用突变理论解释压弯构件跳跃性失稳问题。其次,本文以湖南省汝城至郴州高速公路上的一座最大墩高为127.5m的特大连续刚构桥——山店江大桥为工程背景,先采用有限元程序MIDAS-CIVIL进行了第一类稳定问题研究;采用有限元程序ANSYS进行第二类稳定问题研究。第一类稳定研究结果表明:最大悬臂阶段是桥梁施工及运营过程中稳定最不利的阶段。第二类稳定分析中着重选取了稳定最不利的最大悬臂阶段,分别采用梁单元模型与实体单元模型进行稳定分析,分析结果表明:1).两类模型考虑了几何非线性和材料非线性以后,结构的极限荷载远小于线性分析的结果,说明线性稳定分析得到的结果比较保守,不宜作为工程分析中的判别依据。2).考虑双重非线性比仅考虑几何非线性的极限荷载小,说明对结果进行非线性稳定分析时,有必要考虑材料的弹塑性影响。接着,本文对影响高墩大跨连续刚构桥稳定性的因素进行研究,结果表明:1)高墩不同的截面形式对稳定性有很大影响。2)随着高墩长细比的增大,其稳定性逐渐减低。当长细比增大到30时,此时构件接近细长柱,对稳定很不利,工程中应当尽量避免。3)双肢墩间的横系梁设置数目及位置对稳定性也有一定影响。研究山店江大桥的结果表明在墩高二分点位置设置一道横系梁最优。4)双肢墩间距对稳定性也有一定影响,但影响不大。5)高墩所采用的混凝土强度等级对稳定性也有影响。研究发现混凝土标号增大4个级别,稳定系数增大不明显,说明用提高材料强度的方法增大稳定性的效率并不高。最后,本文以汝城至郴州高速公路8跨一联的连续刚构桥文明特大桥为工程背景,拟定了三种合拢顺序（合拢方案）分析多跨连续刚构桥合拢顺序对结构应力、累积位移及稳定性的影响。分析结果表明:1)三种方案的应力均可接受,方案一的截面最大拉压应力略小。2)合拢顺序对成桥状态主梁累积位移有较大影响,说明一旦合拢顺序确定,相应挂篮悬臂施工过程中的立模标高也确定,不得随意更改。3)三种方案合拢过程中的结构稳定性均能满足要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外高墩大跨连续刚构桥发展
• 1.2 问题的提出
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 稳定分析的基本理论和方法
• 1.4.1 第一类稳定问题
• 1.4.2 第二类稳定问题
• 1.5 结构稳定问题的判别准则
• 1.6 稳定安全系数
• 1.7 本文主要研究内容
• 第二章 稳定问题解析法求解
• 2.1 运用能量法求解稳定问题
• 2.2 运用初等突变理论求解稳定问题
• 2.2.1 突变理论中的基本概念
• 2.2.2 压杆跳跃性失稳突变模型
• 2.2.3 算例
• 2.3 本章小结
• 第三章 高墩大跨连续刚构桥稳定性有限元分析
• 3.1 山店江大桥工程概况
• 3.2 第一类稳定问题有限元分析
• 3.2.1 第一类稳定问题有限元分析原理
• 3.2.2 基于MIDAS-CIVIL 的线性稳定分析模型
• 3.2.3 两种有限元模型的比较
• 3.3.4 最高裸墩阶段线性稳定性分析
• 3.2.5 最大悬臂阶段线性稳定性分析
• 3.2.6 成桥阶段线性稳定性分析
• 3.3 第二类稳定问题有限元分析
• 3.3.1 第二类稳定问题有限元分析原理
• 3.3.2 基于ANSYS 的非线性稳定分析模型
• 3.3.3 最大悬臂阶段非线性稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 高墩稳定性影响因素分析
• 4.1 高墩截面形式
• 4.1.1 截面方案
• 4.1.2 墩体施工过程稳定性分析
• 4.1.3 最大悬臂施工阶段稳定性分析
• 4.1.4 成桥运营阶段稳定性分析
• 4.1.5 小结
• 4.2 高墩长细比
• 4.3 双肢墩间横系梁设置
• 4.3.1 横系梁设置数目
• 4.3.2 横系梁设置位置
• 4.4 双肢墩间距
• 4.5 高墩混凝土强度
• 4.6 本章小结
• 第五章 多跨连续刚构桥合拢顺序对稳定性的影响分析
• 5.1 文明特大桥工程概况
• 5.2 结构有限元模型的建立
• 5.3 合拢顺序分析
• 5.4 不同合拢顺序的应力比较
• 5.5 不同合拢顺序的累积位移比较
• 5.6 不同合拢顺序下结构稳定性比较
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• A 攻读学位期间发表的论文
• B 攻读学位期间参加的科研工作