大跨度钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析

论文摘要

钢管混凝土拱桥由于能较好解决拱桥吊装重量和跨度之间的矛盾,因此成为近十几年来发展最为迅速的桥梁结构之一。但是,相对于工程实践,钢管混凝土拱桥的设计理论相对滞后。特别是对于大跨度钢管混凝土拱桥而言,随着其宽跨比的减小,结构的相对刚度较弱,因此钢管混凝土拱桥的稳定性变得越来越重要。对大跨度钢管混凝土拱桥稳定性的研究具有重要的理论意义和工程价值。稳定问题通常分为两类,第一类是以线弹性为基础的分支点失稳,第二类是考虑几何非线性与材料非线性的极值点失稳。实际工程中,拱桥的恒载压力线会偏离拱轴线,此外,由于施工预拱度的设置、施工偏差导致的初变形、非对称加载等因素,使得实际拱的失稳形态大部分属于第二类失稳,即极值点失稳。本文首先详细阐述了线性与非线性稳定的相关理论,并对各种非线性的求解方法进行了讨论。在此基础上,采用大型通用有限元软件ANSYS对一座跨径为125+125m的下承式钢管混凝土系杆拱桥进行线弹性、几何非线性、双重非线性分析。双重非线性分析时只考虑拱肋的材料非线性,其他构件只考虑几何非线性。分析结果表明：线弹性分析的安全系数明显偏大,可能产生偏于不安全的结果；几何非线性对钢管混凝土拱桥的稳定性影响较小；考虑双重非线性计算出稳定系数要远小于按线弹性分析和考虑几何非线性的分析结果。因此钢管混凝土拱桥稳定性分析需要考虑几何非线性和材料非线性的影响。最后,分析了横撑布置方式以及数量、核心混凝土的约束效应、初始缺陷等对稳定系数的影响。计算成果及结论可供钢管混凝土拱桥设计时参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构的发展概况
• 1.2 钢管混凝土结构在拱桥上的应用与发展
• 1.2.1 钢管混凝土在拱桥上应用的概况
• 1.2.2 钢管混凝土拱桥结构与构造
• 1.3 钢管混凝土的工作原理和特点
• 1.3.1 钢管混凝土的工作原理
• 1.3.2 钢管混凝土工作特点
• 1.4 钢管混凝土拱桥稳定性研究现状
• 1.4.1 稳定分类
• 1.4.2 国内外研究现状
• 1.5 本文的背景与主要研究内容
• 第2章 拱桥稳定分析相关理论
• 2.1 稳定概念及其分类
• 2.1.1 第一类稳定问题——分支点失稳
• 2.1.2 第二类稳定问题——极值点失稳
• 2.2 第一类问题有限元法
• 2.2.1 平面梁单元刚度矩阵的推导
• 2.2.2 线弹性有限元分析（特征值屈曲分析）
• 2.2.3 一类稳定的弹塑性有限元
• 2.3 第二类稳定有限元法
• 2.3.1 几何非线性分析
• 2.3.2 梁单元的切线刚度矩阵推导
• 2.3.3 材料非线性
• 2.4 非线性方程组的解法
• 2.4.1 迭代法
• 2.4.2 增量法
• 2.4.3 混合法
• 2.5 迭代收敛准则
• 2.5.1 位移准则
• 2.5.2 失衡力准则
• 第3章 钢管混凝土拱桥稳定分析在程序中实现
• 3.1 有限元法与ANSYS架构
• 3.1.1 有限元法的基本构架
• 3.1.2 ANSYS架构及命令
• 3.2. 钢管混凝土拱肋的模拟方法
• 3.2.1 双材料模型
• 3.2.2 换算材料模型
• 3.2.3 统一理论模型
• 3.3. 本文建模所用单元介绍
• 3.3.1 BEAM188单元特性
• 3.3.2 BEAM44单元
• 3.3.3 LINK10单元
• 3.4 线性屈曲的基本过程
• 3.5 几何非线性的基本过程
• 3.6 材料屈服及强化准则
• 3.7 双重非线性的基本过程
• 3.8 结构初始几何缺陷的施加方法
• 第4章 实例分析
• 4.1 工程概况
• 4.2 有限元模型
• 4.3 特征值屈曲分析
• 4.4 非线性稳定分析
• 4.4.1 非线性稳定系数定义
• 4.4.2 几何非线性分析
• 4.4.3 双重非线性分析
• 4.4.4 三种稳定系数对比分析
• 4.5 影响稳定安全系数参数研究
• 4.5.1 拱肋横向联系对稳定性的影响
• 4.5.2 核心混凝土的约束效应对稳定影响
• 4.5.3 初始缺陷对稳定性影响分析
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文