大跨度鋼拱橋極限承載力綜合三因素檢算方法研究.pdf

1、隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些造型新穎、構(gòu)造復(fù)雜的大跨度鋼拱橋。其極限承載力是設(shè)計(jì)建造中的關(guān)鍵問(wèn)題。在實(shí)際工程中，通過(guò)復(fù)雜非線性分析確定鋼拱橋極限承載力的方法實(shí)用性不強(qiáng)。為此，本文嘗試建立一種簡(jiǎn)化檢算的框架，實(shí)現(xiàn)采用線性方法檢算鋼拱橋極限承載力這個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題。以國(guó)內(nèi)在建的重慶菜園壩大橋、廣州新光大橋等工程為背景，本文開(kāi)展了以下幾方面的研究工作。 1總結(jié)鋼拱橋極限承載力分析中常用的非線性梁?jiǎn)卧碚?。通過(guò)理論分析與試驗(yàn)結(jié)果

2、的對(duì)比，指出可以采用商用有限元軟件的非線性梁?jiǎn)卧治鲣摴皹驑O限承載力，同時(shí)也可以模擬殘余應(yīng)力、組合截面等問(wèn)題。提出采用雙重非線性超參數(shù)板殼單元建立鋼拱橋模型，結(jié)合實(shí)體單元和桿單元建立高精度全橋模型，同時(shí)將準(zhǔn)Newton-Raphson法和線性搜索法結(jié)合，提高非線性計(jì)算收斂效率。為了較好地滿足求解精度和速度問(wèn)題，還對(duì)3種不同網(wǎng)格密度的鋼拱板殼單元模型的計(jì)算時(shí)間和精度進(jìn)行了對(duì)比，確定恰當(dāng)?shù)哪Ｐ鸵?guī)模。通過(guò)該模型進(jìn)一步說(shuō)明鋼拱橋極限承載力的本質(zhì)

3、。與非線性梁?jiǎn)卧慕Y(jié)果進(jìn)行比較后，提出考慮節(jié)點(diǎn)板、加勁肋和橫隔板后的非線性梁?jiǎn)卧Ｐ偷母倪M(jìn)方案。最后指出非線性有限元計(jì)算對(duì)于設(shè)計(jì)而言相對(duì)復(fù)雜，在其基礎(chǔ)上建立簡(jiǎn)化檢算方法更具實(shí)際意義。 2通過(guò)實(shí)際鋼拱橋和兩個(gè)模型結(jié)構(gòu)的非線性分析計(jì)算和對(duì)比，得到鋼拱橋達(dá)到極限承載力過(guò)程中的應(yīng)力和內(nèi)力變化情況。參數(shù)變化對(duì)鋼拱橋極限承載力的影響，都可以從拱肋各項(xiàng)內(nèi)力的變化體現(xiàn)出來(lái)。進(jìn)而提出橫向初始缺陷與橫向位移因素檢算指標(biāo)R1l，并推導(dǎo)其表達(dá)式，以便在

4、極限承載力簡(jiǎn)化檢算方法體現(xiàn)這兩方面因素的影響。 3采用Ritz法推導(dǎo)非均勻橫撐布置時(shí)的拱結(jié)構(gòu)側(cè)傾臨界荷載。提出采用非線性規(guī)劃方法，優(yōu)化橫撐布置。將彈性側(cè)傾臨界荷載的表達(dá)式代入非線性規(guī)劃軟件Lingo，運(yùn)用序列線性規(guī)劃方法求解橫撐間距優(yōu)化問(wèn)題。為了提高求解效率，采用啟發(fā)式方法生成初始解；采用逐次線性規(guī)劃方法尋找搜索方向；采用最陡邊策略，找到使目標(biāo)值下降最多的變量進(jìn)行迭代。提出拱圈整體橫向剛度因素檢算指標(biāo)R2l，并推導(dǎo)其表達(dá)式。以便

5、在極限承載力簡(jiǎn)化檢算方法中體現(xiàn)橫向聯(lián)結(jié)系的剛度、位置、數(shù)量以及拱肋剛度與間距的影響。 4證明并指出產(chǎn)生非保向力效應(yīng)的兩個(gè)基本前提條件：橋面系的側(cè)向抗彎剛度和荷載通過(guò)吊桿傳遞。根據(jù)實(shí)際鋼拱橋的受力特性，采用Ritz法推導(dǎo)保向力與非保向力聯(lián)合作用下的拱結(jié)構(gòu)側(cè)傾臨界荷載。從理論上說(shuō)明了只有通過(guò)吊桿傳遞的那部分荷載才會(huì)產(chǎn)生非保向力效應(yīng)。引入荷載分配系數(shù)概念，體現(xiàn)鋼拱橋承擔(dān)保向力與非保向力的比例。針對(duì)實(shí)際鋼拱橋的分析，得到極限承載力與該系

6、數(shù)的關(guān)系。提出非保向力效應(yīng)檢算指標(biāo)R3l，并推導(dǎo)其表達(dá)式。以便在極限承載力簡(jiǎn)化檢算方法體現(xiàn)該因素的影響。 5在提出橫向初始缺陷與橫向位移因素檢算指標(biāo)R11、拱圈整體橫向剛度因素檢算指標(biāo)R2l和非保向力效應(yīng)因素檢算指標(biāo)R3l的基礎(chǔ)上，提出綜合考慮三方面因素的綜合檢算指標(biāo)Rl及其表達(dá)式。由此提出鋼拱橋極限承載力新的檢算方法，R＜Rl，和安全系數(shù)K=Rl/R，即在恒載與滿布活載作用下，拱肋線性內(nèi)力的荷載效應(yīng)指標(biāo)R小于綜合檢算指標(biāo)Rl，

7、則該鋼拱未達(dá)到極限承載力。通過(guò)兩個(gè)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步驗(yàn)證、4座鋼拱橋極限承載力的檢算分析，初步證明本文提出的綜合三因素檢算方法，具有思路合理、綜合考慮主要因素和相對(duì)實(shí)用的特點(diǎn)。 6系統(tǒng)總結(jié)了近40年，國(guó)內(nèi)外幾十位學(xué)者對(duì)鋼拱橋極限承載力的研究成果，歸納了拱圈剛度、非保向力等16種因素對(duì)鋼拱橋極限承載力的影響。通過(guò)算例比較了歐洲鋼橋規(guī)范(Eurocode3)、德國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(DIN18800)、日本公路鋼橋規(guī)范、日本鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范、美國(guó)