大跨度鋼拱橋極限承載力綜合三因素檢算方法研究.pdf

1、隨著我國橋梁建設的發(fā)展，出現了一些造型新穎、構造復雜的大跨度鋼拱橋。其極限承載力是設計建造中的關鍵問題。在實際工程中，通過復雜非線性分析確定鋼拱橋極限承載力的方法實用性不強。為此，本文嘗試建立一種簡化檢算的框架，實現采用線性方法檢算鋼拱橋極限承載力這個復雜的非線性問題。以國內在建的重慶菜園壩大橋、廣州新光大橋等工程為背景，本文開展了以下幾方面的研究工作。 1總結鋼拱橋極限承載力分析中常用的非線性梁單元理論。通過理論分析與試驗結果

2、的對比，指出可以采用商用有限元軟件的非線性梁單元分析鋼拱橋極限承載力，同時也可以模擬殘余應力、組合截面等問題。提出采用雙重非線性超參數板殼單元建立鋼拱橋模型，結合實體單元和桿單元建立高精度全橋模型，同時將準Newton-Raphson法和線性搜索法結合，提高非線性計算收斂效率。為了較好地滿足求解精度和速度問題，還對3種不同網格密度的鋼拱板殼單元模型的計算時間和精度進行了對比，確定恰當的模型規(guī)模。通過該模型進一步說明鋼拱橋極限承載力的本質

3、。與非線性梁單元的結果進行比較后，提出考慮節(jié)點板、加勁肋和橫隔板后的非線性梁單元模型的改進方案。最后指出非線性有限元計算對于設計而言相對復雜，在其基礎上建立簡化檢算方法更具實際意義。 2通過實際鋼拱橋和兩個模型結構的非線性分析計算和對比，得到鋼拱橋達到極限承載力過程中的應力和內力變化情況。參數變化對鋼拱橋極限承載力的影響，都可以從拱肋各項內力的變化體現出來。進而提出橫向初始缺陷與橫向位移因素檢算指標R1l，并推導其表達式，以便在

4、極限承載力簡化檢算方法體現這兩方面因素的影響。 3采用Ritz法推導非均勻橫撐布置時的拱結構側傾臨界荷載。提出采用非線性規(guī)劃方法，優(yōu)化橫撐布置。將彈性側傾臨界荷載的表達式代入非線性規(guī)劃軟件Lingo，運用序列線性規(guī)劃方法求解橫撐間距優(yōu)化問題。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，找到使目標值下降最多的變量進行迭代。提出拱圈整體橫向剛度因素檢算指標R2l，并推導其表達式。以便

5、在極限承載力簡化檢算方法中體現橫向聯結系的剛度、位置、數量以及拱肋剛度與間距的影響。 4證明并指出產生非保向力效應的兩個基本前提條件：橋面系的側向抗彎剛度和荷載通過吊桿傳遞。根據實際鋼拱橋的受力特性，采用Ritz法推導保向力與非保向力聯合作用下的拱結構側傾臨界荷載。從理論上說明了只有通過吊桿傳遞的那部分荷載才會產生非保向力效應。引入荷載分配系數概念，體現鋼拱橋承擔保向力與非保向力的比例。針對實際鋼拱橋的分析，得到極限承載力與該系

6、數的關系。提出非保向力效應檢算指標R3l，并推導其表達式。以便在極限承載力簡化檢算方法體現該因素的影響。 5在提出橫向初始缺陷與橫向位移因素檢算指標R11、拱圈整體橫向剛度因素檢算指標R2l和非保向力效應因素檢算指標R3l的基礎上，提出綜合考慮三方面因素的綜合檢算指標Rl及其表達式。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K=Rl/R，即在恒載與滿布活載作用下，拱肋線性內力的荷載效應指標R小于綜合檢算指標Rl，

7、則該鋼拱未達到極限承載力。通過兩個模型試驗數據的初步驗證、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實用的特點。 6系統(tǒng)總結了近40年，國內外幾十位學者對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種因素對鋼拱橋極限承載力的影響。通過算例比較了歐洲鋼橋規(guī)范(Eurocode3)、德國鋼結構規(guī)范(DIN18800)、日本公路鋼橋規(guī)范、日本鋼結構規(guī)范、美國