下承式钢管混凝土拱桥空间稳定性与极限承载力研究

论文摘要

钢管混凝土拱桥以其特有的优点,被广泛地采用。随着拱桥跨径以及结构承受荷载的增大,钢管拱在施工阶段及运营阶段的稳定性与极限承载力问题显得更加突出。大跨度钢管混凝土拱桥稳定性及极限承载力的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文总结了国内外学者在钢管混凝土拱桥稳定及极限承载力分析方面的研究成果,系统地阐述了钢管混凝土拱桥稳定及极限承载力的相关理论。以汉中市城市钢管混凝土拱桥为工程背景,运用大型有限元软件ANSYS优化了拱肋混凝土灌注过程及成桥阶段的五种工况进行了特征值屈曲分析、几何非线性屈曲分析和双重非线性屈曲分析;还对其进行了有关参数分析,量化了矢跨比、横向联系、拱轴线的偏移等物理几何特性指标对钢管混凝土拱桥成桥使用阶段稳定与极限承载力的影响。为该类桥梁的设计与施工提供了有意义的参考。此外,研究了大跨度钢管混凝土的侧倾稳定性,在分别考虑线弹性和几何非线性的情况下分析了不同量值水平风荷载对该桥侧倾稳定的影响。研究显示几何非线性稳定分析结果与线弹性稳定分析结果相差不大,并且在不同量值水平风荷载作用下,该桥的稳定系数下降不多。通过该桥的几何与材料非线性有限元分析,比较精确地求得了该桥实际的稳定系数,结果显示基于双重非线性下的稳定系数要比线弹性分析和几何非线性分析结果有较大下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构的发展概况
• 1.2 钢管混凝土构件的基本工作原理及其特点
• 1.3 钢管混凝土构件设计理论的发展
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 钢管混凝土拱桥稳定性与极限承载力分析的相关理论及方法
• 2.1 概述
• 2.2 稳定性分析的相关理论
• 2.2.1 稳定理论
• 2.2.2 弹性屈曲分析
• 2.2.3 非线性屈曲分析
• 2.2.3.1 几何非线性屈曲分析
• 2.2.3.2 双重非线性屈曲分析
• 2.3 钢管混凝土拱桥几何非线性分析理论
• 2.3.1 变形体的运动描述
• 2.3.2 几何非线性有限元增量平衡方程的建立
• 2.3.3 空间梁单元刚度矩阵（含几何刚度矩阵）
• 2.4 钢管混凝土拱桥材料非线性理论
• 2.4.1 钢管混凝土材料概述
• 2.4.2 理论基本假定
• 2.4.3 钢管混凝土材料的本构模型
• 2.4.4 钢材的本构关系
• 2.4.5 核心混凝土材料的本构关系
• 2.4.6 梁单元的材料非线性分析模型
• 2.5 双重非线性有限元法
• 2.6 本章小结
• 第三章 下承式钢管混凝土拱桥稳定与极限承载力研究在 ANSYS中的实现
• 3.1 大型有限元软件ANSYS相关理论介绍
• 3.1.1 有限元方法概述
• 3.1.2 ANSYS软件的发展及特点
• 3.1.3 结构计算模型简化及单元选取
• 3.1.4 ANSYS的相关单元介绍
• 3.1.5 ANSYS中特征值（线性）屈曲分析的基本过程
• 3.1.6 ANSYS中几何非线性屈曲分析的基本过程
• 3.1.7 ANSYS中双重非线性屈曲分析的基本过程
• 3.2 拱肋混凝土灌注施工稳定分析
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 荷载的考虑
• 3.2.3 计算工况的选取及计算结果
• 3.2.4 结论
• 3.3 成桥阶段稳定分析
• 3.4 影响成桥阶段稳定性的参数分析
• 3.4.1 矢跨比对全桥稳定性的影响
• 3.4.2 拱肋横向联系对全桥稳定性的影响
• 3.4.3 拱轴线偏移对全桥稳定性的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 横向风荷载作用下拱桥的侧倾稳定性分析
• 4.1 荷载工况
• 4.1.1 设计荷载
• 4.1.2 加载路径的选取
• 4.2 线弹性的侧倾稳定分析（特征屈曲分析）
• 4.3 考虑几何非线性侧倾稳定分析
• 4.4 考虑几何、材料双重非线性的侧倾稳定分析
• 4.4.1 考虑双重非线性侧倾稳定的分析结果
• 4.4.2 考虑材料非线性的影响
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 本文的主要工作
• 本文的主要成果
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读工程硕士学位期间公开发表的论文