斜靠式拱桥空间稳定性分析

论文摘要

斜靠式拱桥是在提篮拱桥基础上发展起来的一种新型拱桥结构型式。这类拱桥由两片竖直主拱与两片斜靠拱组合而成,结构新颖美观,造型独特,桥面开阔,改变了传统拱结构的平面受力特性,突出了桥梁上部构造空间受力的特点。由于两竖直主拱之间不设横向支撑,桥梁的横向刚度减弱会影响结构的整体稳定性,稳定性问题就成为斜靠式拱桥设计中的关键性问题,因此对该类桥型进行稳定性分析具有重要的理论意义和工程实用价值。目前国内外对斜靠式拱桥的稳定性研究较少,且大都为弹性稳定分析。本文以福建省寿宁县一座跨径100米的斜靠式拱桥—杨梅大桥为工程实例,利用通用程序ANSYS建立有限元模型,分别采用特征值屈曲分析方法、考虑几何非线性的方法和考虑双重非线性的方法对该桥进行了稳定极限承载力分析。在此基础上对各种工况下的计算结果进行了对比分析,得到如下结论:1.斜靠式拱桥的失稳形式一般表现为面外拱肋侧倾失稳,在生产实践中应该对斜靠式拱桥的面外刚度储备予以足够的重视。2.一般情况下,横桥向风荷载对结构稳定性的影响较小,抗风并非设计控制因素。3.不同的桥面荷载布置形式对稳定性影响较小,非对称荷载作用下,结构的稳定系数没有降低。4.计入几何非线性之后,结构的荷载稳定系数和特征值屈曲分析时差别在2%以内,仅考虑几何非线性对斜靠式拱桥进行稳定极限承载力分析意义不大。5.同时考虑几何非线性和材料非线性之后,结构的荷载稳定系数仅为特征值屈曲分析时的50%~55%,要准确评估斜靠式拱桥的稳定极限承载力,必须采用同时考虑几何非线性和材料非线性的双重非线性的分析方法。6.在桥面均布荷载(3.5kN/m2)作用下,特征值分析时稳定安全系数为6.7877,双重非线性分析时为3.5012,从模型的计算结果来看该桥的稳定性是有安全保证的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 斜靠式拱桥发展概述
• 1.1.1 拱桥的发展历史及应用现状
• 1.1.2 斜靠式拱桥的发展应用
• 1.2 斜靠式拱桥结构体系及受力特点
• 1.3 拱桥稳定理论研究的历史与现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 拱桥的稳定计算理论
• 2.1 概述
• 2.2 稳定问题的计算方法
• 2.3 第一类稳定问题有限元分析
• 2.4 第二类稳定问题和极限承载力全过程分析
• 2.4.1 非线性方程的求解策略
• 2.4.2 单元模式与破坏形态的选取
• 2.5 本章小结
• 第三章 拱桥几何和材料非线性分析
• 3.1 概述
• 3.2 几何非线性分析
• 3.2.1 变形体的运动描述
• 3.2.2 总体拉格朗日列式（Total Lagrangian Formulation）
• 3.2.3 更新的拉格朗日列式法（Updated Lagrangian Formulation）
• 3.3 梁单元切线刚度矩阵
• 3.3.1 平面梁单元切线刚度矩阵
• 3.3.2 空间梁单元切线刚度矩阵
• 3.4 材料非线性分析
• 3.4.1 钢管混凝土材料的本构模型
• 3.4.2 钢材的本构关系
• 3.4.3 核心混凝土材料的本构关系
• 3.4.4 梁单元的材料非线性分析模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 非线性问题的求解及有限元分析方法
• 4.1 概述
• 4.2 非线性问题求解方法
• 4.2.1 直接求解法
• 4.2.2 增量法
• 4.2.3 Newton-Raphson 迭代法
• 4.2.4 混合法
• 4.3 结构初始缺陷的分析方法
• 4.4 收敛准则
• 4.5 ANSYS 非线性有限元分析方法
• 4.6 本章小结
• 第五章 斜靠式拱桥空间稳定性实例分析
• 5.1 概述
• 5.2 工程实例简介
• 5.3 实例有限元模型
• 5.3.1 模型说明
• 5.3.2 技术指标和材料参数
• 5.3.3 计算流程
• 5.4 实例稳定极限承载力计算结果分析
• 5.4.1 荷载及工况介绍
• 5.4.2 风荷载对稳定极限承载力的影响
• 5.4.3 荷载布置形式对稳定极限承载力的影响
• 5.4.4 非线性因素对稳定极限承载力的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 主要结论与建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步研究建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢