单肢钢管混凝土拱桥考虑初始应力的承载力分析研究

摘要

钢管混凝土在拱桥中的应用，解决了桥梁跨度和施工两大难题，为我国具有传统文化与技术特色的拱桥发展增添了无限生机。钢管混凝土拱桥在我国的兴建方兴未艾，跨径不断突破、型式不断创新、技术日益提高。钢管混凝土拱桥施工中，采用无支架吊装、转体施工法或少支架法架设空钢管拱桥，合拢后再逐根浇筑管内混凝土。因此，在形成钢管混凝土结构前，空钢管不可避免地承受施工阶段的荷载及混凝土与钢管的自重，即存在初应力问题。 以往，钢管初应力的研究大部分集中于钢管混凝土构件方面，对浇注过程中混凝土水化热引起的温度变化对钢管混凝土构件承载力影响尚无研究，对钢管混凝土拱桥初应力问题方面的研究则更少。因此，本文开展这方面的研究具有重要的理论意义。 钢管混凝土拱桥极限承载力分析时，必然要涉及到双重非线性问题，即几何非线性和材料非线性。以往的研究成果表明，在钢管混凝土拱桥的双重非线性分析中，材料非线性的影响大于几何非线性的影响。所以本文主要考虑材料非线性，对几何非线性不做研究。求解采用荷载增量法。本文的创新性内容有以下几点： 首先，回顾了钢管初应力和温度应力对钢管混凝土拱桥极限承载力影响的研究现状，通过对几种钢管和核心混凝土本构模型的比较分析，最后确定钢材取四段直线模型，核心混凝土采用一维形式的本构模型，通过采用等效切线模量将一维形式的本构模型用于三维受力的非线性分析中，算例计算结果表明，该思路是正确的。 其次，提出了钢管混凝土拱桥计算的三维空间实体—梁单元法，首次推导了考虑钢管初应力与温度初应变的三维非线性空间梁单元切线刚度矩阵，利用子结构法，对梁单元内任一点的“六个自由度”进行凝聚，算例计算结果表明：凝聚后的内力与位移的计算与SAP2000的计算结果吻合良好。 再次，编制了钢管混凝土拱桥考虑材料非线性的极限承载力计算程序SYCFST，并且讨论了不同初应力系数、不同含钢率、温度与初应力共同作用、不同矢跨比对极限承载力的影响。 最后，指出本论文研究还需解决的问题以及对以后钢管混凝土拱桥初应力方面的研究建议。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章钢管混凝土的本构关系模型

第三章钢管混凝土拱桥计算的三维空间实体-梁单元法

第四章单肢圆形钢管混凝土拱桥承载力程序设计与计算

4.1拱桥极限承载力研究概况

4.2非线性方程组的解法

4.3程序设计

4.4程序验证

4.5本章小结

第五章温度与初应力共同作用下钢管混凝土拱桥极限承载力分析

第六章结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及参加的科研项目

致谢

附录A 计算单元刚度的子程序STIFST