大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段稳定性研究

摘要

近期，钢管混凝土拱桥这种结构在我国的公路桥梁建设中得到了飞速的发展，以跨径520米的合江桥为代表，被称之为目前世界跨度最大的钢管混凝土拱桥。钢管混凝土有着很多优良的力学性能以及施工方便等优越性，所以钢管混凝土这种组合材料成为了很多业内人士建造大跨度拱桥的首选。虽然钢管混凝土拱桥在我国大陆上修建了不少，但是我们对钢管混凝土拱桥的研究还是不够完善，就稳定这块而言，在过去很多学者关注的都是大跨度钢管混凝土拱桥成桥后在荷载作用下整个结构的稳定性能，其实这样是远远不够的，由于钢管混凝土的施工过程极为复杂，施工过程与成桥状态也是相关联的，只有保证了拱桥在施工过程的稳定性能方可以保证整个桥梁的安全建设，所以本文就大跨度钢管混凝土拱桥的施工过程的稳定性进行分析，本文主要完成的工作如下:
　　1、利用midas/civil模拟求解不同的横撑构造形式在不同的拱脚构造形式(无铰拱、两铰拱)下对拱肋处于空钢管状态下的稳定性的影响，分析在各种横撑结构形式下不同拱脚构造形式对结构稳定性能的影响并得出结论;
　　2、文中采用的是统一理论把钢管和内填混凝土看成为一种新的材料，并且利用韩林海教授提出的圆形钢管混凝土的本构关系的通用公式，针对本文的昭化嘉陵江特大桥钢管混凝土拱的劲性骨架的主弦管尺寸以及材料的强度计算出了本文建立模型所要用到的主弦管灌注混凝土后形成钢管混凝土组合材料作为一个统一体的本构关系;
　　3、本文采用昭化嘉陵江特大桥为工程背景，利用钢管混凝土统一理论的本构关系，以大型通用有限元软件ANSYS为平台，采用ANSYS单元库中的beam188单元建立了劲性骨架多弦管的钢管混凝土拱肋的计算模型，并且对于拱肋的主弦管提出了4种不同的混凝土灌注方案，并且通过ANSYS线性屈曲分析选出最佳灌注方案，再对最佳方案的每个工况进行几何非线性和材料非线性分析，得出结构在非线性状态下结构的屈曲安全系数，并对这几种状态下结构稳定性能进行对比得出结论;
　　4、由于钢管混凝土的灌注到形成一个统一体这一过程是一个极为复杂的过程，本文在模拟每根主弦管的混凝土灌注都简化成为“前”、“中”、“后”三个过程，所谓的“前”就是指空钢管状态，这时候采用的是钢材的本构关系;所谓的“中”就是指浇筑混凝土，这时候混凝土还未凝结强化，所以把混凝土看成是外荷载作用在空钢管的单元上，并且空钢管采用的还是钢材的本构关系;所谓的“后”就是指混凝土已经强化并且和钢管粘结成整体形成一个统一体，这时候在软件中所采用的材料特性是新的统一体材料的本构关系和容重。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 拱桥发展史

1．1．1 石拱桥

1．1．2 混凝土拱桥

1．1．3 铁拱桥和钢拱桥

1．2 钢管混凝土结构特点和力学性能

1．3 钢管混凝土结构在拱桥上的应用

1．4 钢管混凝土设计计算理论

1．4．1 双材料模型

1．4．2 换算材料模型

1．5 钢管混凝土拱稳定性的研究现状

1．6 本文研究目的及意义

1．6．1 目的

1．6．2 意义

1．6．3 本文的研究内容

第二章 研究稳定的基本方法

2．1 第一类稳定(线弹性稳定问题)

2．1．1 第一类稳定问题的有限元分析

2．2 第二类稳定问题(非弹性稳定问题)

2．2．1 第二类稳定有限元分析

2．3 国内外规范对于拱桥稳定的计算方法

2．3．1 国内规范

2．3．2 国外规范

2．4 本章小结

第三章 拱结构稳定的相关理论

3．1 推导曲杆的平面弯曲方程

3．1．1 曲杆平面弯曲的平衡微分方程

3．1．2 曲杆平面弯曲的几何几何方程

3．1．3 曲杆平面弯曲的物理方程

3．2 圆弧拱的平面内屈曲

3．3 抛物线拱面内屈曲

3．4 拱的侧倾(面外屈曲)

3．5 本章小结

第四章 非线性有限元分析理论

4．1 几何非线性

4．1．1 T．L．公式

4．1．2 U．L．公式

4．2 弹塑性梁的有限元分析

4．3 非线性方程求解

4．3．1 Newton-Raphson方法

4．3．1 收敛判断准则

4．4 本章小结

第五章 横撑形式对空钢管拱肋稳定性的影响分析

5．1 利用有限元软件分析

5．2 本章小结

第六章 钢管混凝土拱桥在施工过程中稳定性实例分析

6．1 工程概况

6．2 钢管混凝土统一理论下的本构关系及容重

6．2．1 钢管混凝土组合材料的本构关系模型

6．2．2 主弦管钢管混凝土组合材料容重取值

6．3 建立ANSYS模型

6．3．1 模型单元介绍

6．3．2 建模分析

6．3．3 建立有限元模型

6．4 施工过程中稳定性分析

6．4．1 主弦管内混凝土灌注方案比选

6．4．2 施工阶段应力分析

6．4．3 施工阶段非线性稳定性分析

6．5 本章小结

结论、不足及展望

主要结论

本文不足之处

展望

致谢

参考文献

在学期间发表的与论著及取得的科研成果