钢筋混凝土肋拱二阶设计方法研究

论文题目: 钢筋混凝土肋拱二阶设计方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 桥梁与隧道工程

作者: 卫星

导师: 强士中

关键词: 钢筋混凝土肋拱,偏心增大系数,当量长度,二阶效应,神经网络

文献来源: 西南交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 现今,对于大跨径拱桥均开始考虑几何、材料非线性影响,按二阶弹塑性理论进行特殊设计。对于大量的中、小跨径的拱桥,设计时仍按规范中提出的简便的近似方法来考虑二阶效应,即将拱肋视为偏心受压构件,引入偏心增大系数η来考虑拱肋变形对内力的影响。在设计规范中,偏心距增大系数计算方法是按无侧向荷载的两端等偏心距受压柱弹性稳定理论建立,并根据试验资料进行刚度修正而提出来的。因其未考虑拱桥特殊的结构形式,特殊的受力特点,故不能恰当地反映拱结构变形对各截面内力的影响。在拱结构中,偏心增大系数的影响因素更多,更复杂。研究钢筋混凝土肋拱的偏心增大系数在中小跨径拱桥设计中具有现实意义,而国内外对此研究较少,因此有必要对钢筋混凝土肋拱的偏心增大系数进行专门研究,提出简便、合理及适用的钢筋混凝土肋拱的二阶设计方法。针对工程中常见的悬链线、抛物线及圆弧线无铰拱,本文就以下几个方面进行了研究。对不同约束条件及荷载形式的抛物线曲杆的弹性极限状态进行了分析,在一些假设基础上,推导出与偏压直杆类似的控制截面弯矩增大系数表达式;从拱的挠度理论出发,在一些假设基础上,得到竖向均布力及拱顶集中力作用下,抛物线无铰拱拱脚截面及两铰拱拱顶截面与偏压直杆类似的弯矩增大系数表达式。可以看出弯矩增大系数随轴力增大而增大,且与约束条件及荷载形式相关,拱结构弯矩增大系数与偏压直杆弯矩增大系数有较大差别。利用非线性有限元方法,采用位移扰动,对拱结构整个受载过程进行跟踪分析,考虑拱屈曲前的非线性变形,分析了矢跨比、跨径及矢高与回转半径的比值变化对拱结构屈曲临界力的影响,认为拱结构考虑二阶效应的屈曲临界力与线性屈曲临界力的比值Ns/Ncr,随着矢跨比的减小而减小,随着跨径的增大而增大,随着矢高与回转半径的比值的增大而增大。重点讨论了坦拱矢高与回转半径的比值对屈曲形式（对称屈曲、反对称屈曲）的影响,对于矢跨比较大的陡拱,屈曲形式多是反对称分支屈曲,拱结构考虑二阶效应的屈曲临界力与弹性屈曲临界力基本接近;对于无铰拱,到达临界点后,承载力开始缓慢降低;对于两铰拱,到达临界点后,承载力可能会缓慢上升一段后才开始下降。指出弹性稳定理论中的计算长度与η-l0法中的计算长度概念的不同。拱的失稳挠曲线与实际荷载作用下拱的挠曲线形状往往并不相同,将拱的弹性

论文目录:

第1章绪论

1.1 钢筋混凝土拱桥的发展

1.2 本课题的提出及研究意义

1.3 钢筋混凝土拱桥二阶设计方法研究进展

1.3.1 钢筋混凝土拱桥二阶分析理论

1.3.2 钢筋混凝土拱桥模型试验

1.3.3 钢筋混凝土拱桥设计方法

1.4 本文的研究目的、思路及研究内容

第2章偏压构件的弹性极限状态分析

2.1 概述

2.2 偏压直杆弹性极限状态分析

2.2.1 两端简支的偏压直杆

2.2.2 一端简支另一端固结的偏压直杆

2.2.3 一端自由另一端固结的偏压杆

2.2.4 两端固结的偏压杆

2.3 曲杆弹性极限状态分析

2.3.1 悬臂曲杆弹性极限状态分析

2.3.2 简支曲杆弹性极限状态分析

2.3.3 一端简支一端固结曲杆弹性极限状态分析

2.4 拱结构弹性极限状态分析

2.4.1 拱的挠度理论

2.4.2 受竖向均布荷载的抛物线无铰拱

2.4.3 拱顶受集中力的抛物线无铰拱

2.4.4 受竖向均布荷载的抛物线两铰拱

2.4.5 拱顶受集中力作用的抛物线两铰拱

2.5 偏压构件弯矩增大系数

2.5.1 偏压直杆弯矩增大系数

2.5.2 曲杆及抛物线拱的弯矩放大系数

2.6 本章小节

第3章钢筋混凝土偏压构件的设计方法

3.1 概述

3.2 研究进展

3.3 钢筋混凝土偏压构件的偏心距增大系数

3.3.1 偏心距增大系数表达方法

3.3.2 按临界力表达式

3.3.3 按极限曲率表达式

3.4 国内外规范的比较分析

3.4.1 偏心增大系数两种计算方法比较说明

3.4.2 桥梁设计规范JTJ023-85与AASHTO-LRFD

3.4.3 新旧公路桥梁设计规范JTJ023-85与JTGD06-2004

3.5 本章小节

第4章拱结构的几何非线性分析

4.1 杆系结构几何非线性分析方法

4.1.1 T.L.及U.L.列式

4.1.2 非线性分析的梁单元模式

4.1.3 基于CR列式的平面梁单元

4.1.4 非线性方程组求解方法

4.1.5 负刚度的处理方法

4.1.6 平衡迭代收敛准则

4.2 基于ANSYS的结构二阶效应分析

4.2.1 ANSYS的二阶效应分析功能

4.2.2 ANSYS中的梁单元

4.2.3 ANSYS的二次开发环境

4.3 算例分析

4.3.1 拱顶受集中力圆弧陡拱的屈曲分析

4.3.2 自由端受弯矩作用的圆弧悬臂梁

4.3.3 端部受集中力45°悬臂弯梁

4.4 本章小结

第5章拱结构的面内稳定分析

5.1 基本概念

5.2 圆弧拱的面内屈曲

5.2.1 圆弧拱弹性屈曲古典理论

5.2.2 圆弧拱考虑二阶效应的弹性屈曲

5.3 拱结构弹性屈曲的跟踪分析

5.3.1 国内外研究进展

5.3.2 拱结构分支屈曲的分析方法

5.4 拱结构弹性屈曲分析结果

5.4.1 屈曲临界力影响因素分析

5.4.2 拱结构的屈曲形式

5.5 本章小结

第6章拱结构的计算长度与当量长度

6.1 拱结构的计算长度

6.1.1 拱结构面内稳定计算长度

6.1.2 计算长度l_0概念再认识

6.1.3 拱结构二阶设计的η-l_0法

6.2 拱结构的当量长度

6.2.1 基本概念

6.2.2 拱结构当量长度的计算

6.2.3 拱结构当量长度的表述

6.3 悬链线无铰拱当量长度的参数分析

6.3.1 不同的矢跨比

6.3.2 不同的跨径

6.3.3 不同的拱轴系数

6.3.4 相同的几何长细比

6.4 无铰拱当量长度系数的确定

6.4.1 无铰拱当量长度系数方程式的确定

6.4.2 无铰拱当量长度系数的函数拟合方法

6.4.3 悬链线无铰拱当量长度系数

6.4.4 抛物线无铰拱当量长度系数

6.4.5 圆弧线无铰拱当量长度系数

6.5 本章小结

第7章钢筋混凝土偏压构件的有效刚度

7.1 “η-l_0”法中刚度折减

7.2 有效刚度计算方法比较分析

7.2.1 结构设计规范中有效刚度的表述

7.2.2 有效刚度的其它表述

7.2.3 有效刚度计算方法比较

7.3 有效刚度计算方法

7.4 本章小结

第8章钢筋混凝土拱结构的二阶分析

8.1 挠度理论分析拱结构

8.1.1 恒载作用阶段

8.1.2 活载作用阶段

8.1.3 约束方程

8.2 钢筋混凝土拱桥的非线性有限元分析

8.3 钢筋混凝土肋拱二阶设计方法

8.3.1 既有钢筋混凝土肋拱桥设计参数分析

8.3.2 钢筋混凝土肋拱的当量长度

8.3.3 “η-l_e”法求解步骤

8.3.4 “η-l_e”法求解算例

8.4 本章小结

第9章神经网络在钢筋砼拱桥二阶设计中的应用

9.1 人工神经网络的应用原理

9.2 人工神经网络BP算法模型

9.2.1 BP网络结构

9.2.2 BP神经网络标准算法

9.2.3 BP算法的基本步骤

9.2.4 自适应BP算法

9.3 BP神经网络在钢筋混凝土拱桥设计中的应用

9.3.1 神经网络的拓扑结构

9.3.2 样本数据的处理

9.4 系统的实现

9.5 工程应用

9.5.1 钢筋混凝土偏压柱偏心增大系数分析

9.5.2 钢筋混凝土拱桥当量长度系数分析

9.6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研项目

发布时间: 2006-03-06

参考文献

[1].桥梁结构的爆破拆除数值模拟优化研究[D]. 冯剑平.长安大学2016
[2].套箍技术加固既有钢筋混凝土拱桥的试验研究[D]. 孙昊.西南交通大学2011
[3].钢筋混凝土拱桥的弯矩增大系数研究[D]. 李俊.西南交通大学2012

钢筋混凝土肋拱二阶设计方法研究

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