钢管混凝土拱桥稳定的非线性分析

论文摘要

钢管混凝土拱桥由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便和经济效果好等优点,解决了拱桥在大跨径方面高强度材料应用和施工两大难题,是发展前景广阔的一种桥梁结构。该桥型在国内发展快速而广泛,但仍有许多方面研究不够充分,随着拱桥跨径的增大,刚度越来越柔,作为以受压为主的结构,稳定成为制约其发展的关键因素之一。研究钢管混凝土拱桥稳定性有着重要的意义。论文首先详细阐述了拱桥的非线性有限元的基础理论,并对各种非线性的求解方法进行了讨论,同时详述了拱桥稳定理论,并介绍了稳定问题的计算方法。其次,基于非线性和稳定性理论,以大型通用有限元软件ANSYS为平台,并结合实际工程的实桥为研究对象,合理采用计算模型详尽地对该桥施工阶段及运营阶段的线弹性及弹塑性稳定问题进行分析和计算,分别得到了各种工况下第一类稳定安全系数、失稳模态及第二类稳定安全系数。并比较了多种非线性因素下结构的稳定安全系数及各类非线性问题对稳定性的影响。最后,探讨了对主拱圈稳定性产生影响的参数,包括横撑形式、拱肋内倾角、矢跨比、拱轴系数和拱肋自身刚度,分析各参数对拱桥稳定性影响的规律性。在实际工程中可以通过选择合理的参数来提高钢管混凝土拱桥的稳定性。通过上述计算分析,其计算成果对今后同类钢管混凝土拱桥的设计、施工等有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 拱桥的发展概况
• 1.2 钢管混凝土结构在拱桥上的应用
• 1.3 钢管混凝土拱桥设计计算理论
• 1.3.1 双材料模型
• 1.3.2 换算材料模型
• 1.4 钢管混凝土拱桥稳定研究现状
• 1.5 本文研究的背景、内容和目的
• 第二章 拱桥非线性有限元的基础理论
• 2.1 几何非线性的有限元理论
• 2.1.1 应力、应变张量
• 2.1.2 几何非线性的有限元方程
• 2.1.3 空间梁单元的切线刚度矩阵
• 2.2 材料非线性有限元理论
• 2.2.1 塑性理论
• 2.2.2 弹塑性本构矩阵的增量表达式
• 2.3 非线性有限元问题的基本解法
• 2.4 本章小结
• 第三章 拱桥稳定计算理论研究
• 3.1 拱桥稳定问题的基本概念与分类
• 3.1.1 第一类稳定问题
• 3.1.2 第二类稳定问题
• 3.2 稳定安全系数
• 3.2.1 第一类稳定安全系数
• 3.2.2 第二类稳定安全系数
• 3.3 拱桥的面内屈曲
• 3.3.1 圆弧拱的屈曲问题
• 3.3.2 抛物线拱的屈曲问题
• 3.4 拱桥侧倾失稳
• 3.4.1 单拱的侧倾失稳
• 3.4.2 组拼拱的侧倾失稳
• 3.5 稳定问题的计算方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 钢管混凝土拱桥非线性稳定影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 工程概况
• 4.3 计算模型
• 4.3.1 单元类型选择
• 4.3.2 材料本构关系
• 4.3.3 不同工况的计算模型
• 4.4 整体稳定性计算分析及结果比较
• 4.4.1 计算工况划分
• 4.4.2 稳定分析要点及结果比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 钢管混凝土拱桥整体稳定性的影响因素
• 5.1 竖向保向力及非保向力对钢管混凝土拱桥稳定性的影响
• 5.1.1 双肋拱桥在竖向保向力作用下的稳定影响因素
• 5.1.2 双肋拱桥在非保向力作用下的稳定性影响因素
• 5.2 钢管混凝土拱桥稳定性影响因素的探讨
• 5.2.1 探讨对象的选定
• 5.2.2 横撑数量、布置形式的影响
• 5.2.3 拱肋侧倾角的影响
• 5.2.4 拱轴系数的影响
• 5.2.5 拱肋自身刚度的影响
• 5.3 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 致谢