城市中等跨径波纹钢腹板组合梁桥上部结构力学性能和优化设计研究

摘要

波纹钢腹板组合梁桥是一种结构经济合理、外型简洁美观、且具有良好力学性能的新型钢混组合结构，在国内外得到广泛的应用和研究。在实际工程设计过程中，需要对梁桥不同材料之间连接的力学性能进行分析，使其满足相应规范要求。随着结构工程师对桥梁经济性的不断追求，本文对波纹钢腹板组合梁桥进行优化设计，使其在满足相应规范的前提下，造价达到最优。
　　本文依托ANSYS有限元软件，建立波纹钢腹板组合梁桥上部结构有限元模型，对波纹钢腹板组合梁桥上部结构进行整体力学性能分析，主要分析腹板的抗剪屈曲、顶底板的弯矩及抗扭性能，分析结果显示影响这些性能的因素主要是箱梁的几何参数（腹板厚度、顶底板厚度、梁高）等。最后，根据有限元分析结论和已建成波纹钢腹板组合箱梁的波纹形状参数，得出箱梁在满足各力学性能前提下，其几何参数的合理取值范围，为波纹钢腹板组合梁桥的优化设计做好铺垫。
　　本文用ANSYS有限元软件建立中等跨径波纹钢腹板梁桥有限元优化模型，用ANSYS一阶优化法对波纹钢腹板组合梁桥上部结构进行优化分析，以波纹钢腹板组合梁桥上部结构的造价为优化函数。主要研究工作和结论如下:
　　(1)建立不同参数下波纹钢腹板组合梁桥有限元分析模型，得到不同参数模型的最大位移和应力值，分别绘制不同参数与最大位移及应力的关系曲线，并对其进行分析对比。
　　(2)以腹板厚度和高度为优化设计的设计变量，以腹板钢材的用量为目标函数，对梁桥进行优化设计，并对优化结果进行分析比较。
　　(3)对优化后的波纹钢腹板组合梁桥上部结构进行经济性分析。
　　本文对城市中等波纹钢腹板组合梁桥上部结构力学性能和优化设计的研究，获得了一些有用的结论，为我国以后相关课题研究和设计同类桥梁提供了理论依据和设计参考。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 波纹钢腹板梁桥综述

1．1．1 波纹钢腹板梁桥的构造特点

1．1．2 波纹钢腹板梁桥应用历史和现状

1．3 中等跨径波纹钢腹板组合梁桥力学性能和优化设计研究意义

1．4 主要研究内容

第二章 中等跨径波纹钢腹板组合梁桥构造及实用分析

2．1 整体结构实用分析的基本假设

2．2 组合箱梁应力分析

2．2．1 箱梁轴向应力分析

2．2．2 箱梁弯曲正应力分析

2．3 波纹钢腹板的分析

2．3．1 波纹钢腹板波纹形状

2．3．2 波纹钢腹板节段连接

2．3．3 腹板设计荷载下抗剪受力性能分析

2．3．4 腹板极限荷载下抗剪受力性能分析

2．4 混凝土板的分析

2．5 板梁连接构造分析

2．5．1 板梁连接的类型

2．5．2 板梁连接设计

2．6 本章小结

第三章 中等跨径波纹钢腹板组合梁桥参数设计及分析

3．1 概述

3．2 组合梁桥有限元建模

3．2．1 单元类型的选取

3．2．2 材料属性

3．2．3 模型建立及网格划分

3．2．4 模型的边界条件

3．2．5 加载工况

3．3 波纹钢腹板细部尺寸分析

3．3．1 腹板的厚度分析

3．3．2 波纹钢顶底板厚度分析

3．3．3 梁高分析

3．4 波纹钢腹板梁桥参数的实例

3．4．1 波纹钢腹板的厚度

3．4．2 波纹钢梁桥顶底板厚度

3．4．3 组合箱梁高度

3．4．4 波形形状的实例

3．5 本章小结

第四章 中等跨径波纹钢腹板组合梁桥优化设计

4．1 优化设计的简介

4．2 优化变量的选取

4．2．1 目标函数

4．2．2 设计变量

4．2．3 状态变量

4．3 优化设计的方法

4．3．1 零阶优化

4．3．2 一阶优化

4．4 优化问题的数学模型

4．5 优化设计的步骤

4．6 优化模型的建立

4．6．1 模型参数

4．6．2 加载

4．6．3 预应力实现

4．6．4 模型建立

4．7 优化结果分析

4．7．1．腹板厚度优化结果分析

4．7．2．梁高优化结果分析

4．7．3 综合比较

4．8 经济效益分析

4．9 本章小结

第五章 总结及展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间的成果

声明

致谢