大跨度钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法研究

论文题目: 大跨度钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 桥梁与隧道工程

作者: 万鹏

导师: 郑凯锋

关键词: 钢拱桥,极限承载力,非线性规划,效应系数,综合三因素检算方法

文献来源: 西南交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着我国桥梁建设的发展,出现了一些造型新颖、构造复杂的大跨度钢拱桥。其极限承载力是设计建造中的关键问题。在实际工程中,通过复杂非线性分析确定钢拱桥极限承载力的方法实用性不强。为此,本文尝试建立一种简化检算的框架,实现采用线性方法检算钢拱桥极限承载力这个复杂的非线性问题。以国内在建的重庆菜园坝大桥、广州新光大桥等工程为背景,本文开展了以下几方面的研究工作。 1 总结钢拱桥极限承载力分析中常用的非线性梁单元理论。通过理论分析与试验结果的对比,指出可以采用商用有限元软件的非线性梁单元分析钢拱桥极限承载力,同时也可以模拟残余应力、组合截面等问题。提出采用双重非线性超参数板壳单元建立钢拱桥模型,结合实体单元和杆单元建立高精度全桥模型,同时将准Newton-Raphson法和线性搜索法结合,提高非线性计算收敛效率。为了较好地满足求解精度和速度问题,还对3种不同网格密度的钢拱板壳单元模型的计算时间和精度进行了对比,确定恰当的模型规模。通过该模型进一步说明钢拱桥极限承载力的本质。与非线性梁单元的结果进行比较后,提出考虑节点板、加劲肋和横隔板后的非线性梁单元模型的改进方案。最后指出非线性有限元计算对于设计而言相对复杂,在其基础上建立简化检算方法更具实际意义。 2 通过实际钢拱桥和两个模型结构的非线性分析计算和对比,得到钢拱桥达到极限承载力过程中的应力和内力变化情况。参数变化对钢拱桥极限承载力的影响,都可以从拱肋各项内力的变化体现出来。进而提出横向初始缺陷与横向位移因素检算指标R11,并推导其表达式,以便在极限承载力简化检算方法体现这两方面因素的影响。 3 采用Ritz法推导非均匀横撑布置时的拱结构侧倾临界荷载。提出采用非线性规划方法,优化横撑布置。将弹性侧倾临界荷载的表达式代入非线性规划软件Lingo,运用序列线性规划方法求解横撑间距优化问题。为了提高求解效率,采用启发式方法生成初始解;采用逐次线性规划方法寻找搜索方向;采用最陡边策略,找到使目标值下降最多的变量进行迭代。提出拱圈整体横向刚

论文目录:

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 文献综述

1.2.1 国外钢拱极限承载力研究

1.2.2 国外钢拱桥空间极限承载力研究

1.2.3 我国大跨度拱桥极限承载力研究

1.2.4 钢拱桥极限承载力的数值分析方法

1.2.5 钢拱桥极限承载力的检算方法与规范相关规定

1.3 本文的研究目的与主要内容

第2章钢拱桥极限承载力非线性计算及其复杂性

2.1 基于非线性梁单元的分析方法

2.1.1 高等分析法

2.1.2 考虑截面部分屈服的梁单元法

2.1.3 纤维单元法

2.1.4 非线性薄壁空间梁单元法

2.1.5 非线性曲梁单元

2.2 非线性梁单元在钢拱极限承载力分析中的应用

2.2.1 钢拱分析模型的建立

2.2.2 分析结果比较

2.3 非线性超参壳元的基本公式

2.3.1 几何形状的规定

2.3.2 位移函数

2.3.3 应变和应力的确定

2.3.4 考虑非线性的超参数壳元UL列式

2.4 非线性问题的数值计算方法

2.5 梁单元模型的修正

2.5.1 整体节点板的影响

2.5.2 加劲肋的影响

2.5.3 横隔板的影响

2.5.4 菜园坝大桥方案的组合有限元模型

2.6 小结

第3章横向初始缺陷与横向位移因素检算指标

3.1 影响钢拱桥极限承载力的主要因素

3.1.1 拱圈参数的影响

3.1.2 荷载参数的影响

3.1.3 边界条件的影响

3.1.4 材料参数的影响

3.2 钢拱桥极限承载力的力学实质分析

3.2.1 钢拱试验模型的数值分析

3.2.2 钢拱桥数值模型

3.2.3 新光大桥数值模型

3.2.4 基于非线性超参元的极限承载力分析

3.3 横向初始缺陷和横向位移因素检算指标的确定

3.4 小结

第4章拱圈整体横向刚度因素检算指标

4.1 拱圈横向刚度对极限承载力的影响

4.1.1 拱肋刚度的影响

4.1.2 横向联结系参数的影响

4.2 非均匀布置横撑的钢拱侧倾临界荷载

4.3 有约束多参数非线性规划的基本理论

4.3.1 线性规划算法

4.3.2 二次规划算法

4.3.3 序列二次规划算法

4.3.4 序列线性规划算法

4.3.5 非均匀横撑的优化布置

4.4 钢拱桥横向联结系布置对极限承载力的影响

4.4.1 新光大桥横向联结系布置方案

4.4.2 弹性稳定系数与失稳模态

4.4.3 钢拱桥的极限承载力

4.4.4 横向联结系对极限承载力的影响

4.5 拱圈整体横向刚度检算指标的确定

4.5.1 横向联结系数量对拱肋内力的影响

4.5.2 横向联结系刚度对拱肋内力的影响

4.5.3 端横向联结系位置对拱肋内力的影响

4.5.4 拱圈整体横向刚度检算指标的确定

4.6 小结

第5章非保向力因素检算指标

5.1 非保向力效应对钢拱桥极限承载力的影响

5.2 保向力和非保向力作用下的横向临界荷载

5.2.1 假设条件

5.2.2 公式推导

5.2.3 结果验证

5.3 模型拱与大跨钢拱桥的算例

5.3.1 模型拱算例

5.3.2 桥梁结构的特征值有限元分析方法

5.3.3 钢拱桥算例

5.4 荷载分配系数对钢拱桥极限承载力的影响

5.5 非保向力因素检算指标的确定

5.6 小结

第6章钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法

6.1 钢拱桥极限承载力三因素检算方法的提出

6.2 钢拱桥极限承载力三因素检算方法的验证

6.2.1 成昆铁路桥模型试验的验证

6.2.2 九江长江大桥模型试验的验证

6.3 综合三因素检算方法与既有规范的对比

6.3.1 相关因素对比

6.3.2 各国规范比较

6.4 运用综合三因素方法检算钢拱桥极限承载力

6.4.1 台北环东大桥的验证

6.4.2 卢浦大桥的验证

6.4.3 重庆菜园坝大桥设计方案的验证

6.4.4 广州新光大桥设计方案的验证与比较

6.5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

发布时间: 2006-03-06

参考文献

[1].桥梁结构钢材滞回本构模型改进及其应用研究[D]. 王彤.浙江大学2016

大跨度钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法研究

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