【博士】大跨度鋼拱橋極限承載力綜合三因素檢算方法研究【2005】

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　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2005年　　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，本文丌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)。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?！　?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)尺m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)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)R撲并推導(dǎo)其表達(dá)式。以便在極限承載力簡(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數(shù)的關(guān)系。提出非保向力效應(yīng)檢算指標(biāo)颶¨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?！　? 在提出橫向初始缺陷與橫向位移因素檢算指標(biāo)R，f、拱圈整體橫向剛度因素檢算指標(biāo)R拼和非保向力效應(yīng)因素檢算指標(biāo)Rj，的基礎(chǔ)上，提出綜合考慮三方面因素的綜合檢算指標(biāo)R，及其表達(dá)式。由此提出鋼拱橋極限承載力新的檢算方法，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)，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、德國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(DINl8800)、日本公路鋼橋規(guī)范、日本鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范、美國(guó)AASHTO規(guī)范，以及我國(guó)公路橋梁規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范的差異，證明本文的綜合三因素檢算方法較綜合地考慮了影響鋼拱橋極限承載力的主要因素?！　?

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