桥梁结构极限承载力分析和两层面承载力设计与优化研究

摘要

公路交通运输网是国民经济发展的基础，而桥梁结构作为运输网中的控制性工程，屡屡发生因承载力不足导致的坍塌事故。鉴于此，本文围绕桥梁结构极限承载力分析和两层面承载力设计与优化开展了以下工作:(1)建立了桥梁结构常用截面的齐次广义屈服函数。针对桥梁结梅中箱型、工字型、圆管、矩形和圆形等常用截面，结合传统广义屈服函数特点，确定了齐次化样本点遴选方法和阶次选取原则，据此建立了常用截面的齐次广义屈服函数，克服了传统广义屈服函数引入弹性模量调整法带来的计算精度问题，为桥梁结构极限承载力分析和设计奠定了构件安全评价基础。(2)建立了桥梁结构极限承载力分析的弹性模量缩减法(EMRM)。基于桥梁结构常用截面齐次广义屈服函数，定义了构件的单元承载比，建立了动态自适应识别结构高承载单元的方法，根据变形能守恒原则建立了可模拟桥梁结构损伤演化过程的弹性模量调整策略，据此求解桥梁结构极限承载力，克服了传统弹塑性方法和弹性模量调整法存在的精度与效率问题，并成功应用于桁架桥、下承式拱桥和空间钢管混凝土桥梁结构的极限承载力分析中，为桥梁结构承载力设计与优化提供了高效可靠途径。(3)提出了桥梁结构两层面承载力设计和优化方法。研究确定了构件承载力和整体承载力的安全系数;提出了相应的构件截面强度调整公式;通过定义构件承载比建立了构件承载力与整体承载力间的关系，提出了调整构件截面强度和结构整体承载力的定量设计方法;建立了结构优化的均匀承载准则，以结构构件和整体两层面承载安全为约束条件，在充分考虑结构内力重分布影响的基础上，通过准确识别结构优化的目标构件，建立了桥梁结构两层面承载力优化方法。(4)通过两层面承载力设计方法与现行结构设计方法对比分析，结果表明，本文方法可基于EMRM迭代首步结果开展构件承载力设计，基于迭代过程识别高、低承载构件，基于迭代末步结果开展结构整体承载力设计，实现了构件层面和结构整体层面的承载力协调一致，满足了结构二层面安全性要求，克服了现行设计方法难以定量设计结构整体承载力的缺陷。

目录

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摘要

缩写和符号清单

1．1 引言

1．2 桥梁结构极限承载力分析

1．2．1 极限承载力分析方法

1．2．2 常用截面广义屈服函数及其齐次化

1．3 桥梁结构承载力设计与优化研究现状

1．3．1 桥梁结构承载力设计研究

1．3．2 桥梁结构承载力优化研究

1．4 选题意义及主要研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 主要研究内容

2．1 引言

2．2 广义屈服函数在极限承载力分析中的问题

2．3 常用截面广义屈服函数及其齐次化分析

2．3．1 常用截面的广义屈服函数

2．3．2 广义屈服函数齐次化分析

2．4 齐次广义屈服函数数值拟合

2．5 齐次广义屈服函数的数值推导

2．5．1 无量纲内力相关关系

2．5．2 广义屈服函数影响参数分析和HGYF拟合

2．5．3 基于数值推导的HGYF拟合结果与通用系数取值

2．6 本章小结

第三章 钢桁架桥和下承式拱桥极限承载力分析的EMRM

3．1 引言

3．2 弹性模量缩减法基本原理

3．2．1 基于广义屈服函数的弹性模量缩减法

3．2．2 基于齐次广义屈服函数的弹性模量缩减法

3．3 EMRM极限承载力算例验证

3．3．1 基于数值拟合HGYF的极限承载力分析

3．3．2 基于数值推导HGYF的极限承载力

3．4 钢桁架桥梁结构极限承载力的EMRM分析

3．5 下承式拱桥极限承载力的EMRM分析

3．6 本章小结

第四章 空间钢管混凝土桥梁极限承载力分析的EMRM

4．1 引言

4．2 圆形钢管混凝土截面广义屈服函数及其齐次化研究

4．2．1 圆形截面空间钢管混凝土构件的广义屈服函数

4．2．2 钢管混凝土齐次广义屈服函数

4．3 钢管混凝土桥梁极限承载力的EMRM

4．3．1 钢管混凝土构件的单元承载比

4．3．2 实心圆截面钢管混凝土刚度取值

4．3．3 弹世樾的调整策略

4．3．4 极限荷载的求解

4．4 钢管混凝土肋拱空间加载

4．5 钢管混凝土空间桁架

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 构件和整体两层面安全系数与限值

5．2．1 构件安全系数及其限值

5．2．2 整体安全系数及其限值

5．3 结构两层面承载力设计与优化

5．3．1 构件层面承载力设计

5．3．2 整体层面承载力设计

5．3．3 桥梁结构两层面承载力设计流程

5．4 结构两层面承载力优化设计

5．4．1 优化设计目标构件的识别与优化策略

5．4．2 桥梁结构两层面承载力优化设计流程图

5．5 空间塔架

5．5．1 构件层面承载力设计

5．5．2 整体层面承载力设计

5．5．3 目标构件的识别

5．5．4 基于两层面承载力优化设计

5．6 下承式钢桁架梁桥

5．6．1 构件层面承载力设计

5．6．2 整体层面承载力设计

5．6．3 目标构件的识别

5．6．4 结构两层面承载力优化设计

5．7 本章小结

第六章 两层面承载力设计对比分析

6．1 引言

6．2 设计原理对比分析

6．2．1 概率极限状态设计方法

6．2．2 塑性设计方法

6．2．3 结构两层面承载力设计

6．3 算例对比分析

6．3．1 门式框架

6．3．2 多层多跨框架

6．3．3 桁架桥结构算例

6．4 算法对比分析

6．4．1 概率极限状态设计讨论

6．4．2 塑性设计的讨论

6．4．3 两层面承载力设计与优化讨论

6．5 本章小结

7．1 主要结论

7．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间成果发表情况

攻读学位期间参与的科研项目