非保向力对抛物线钢管混凝土拱平面外稳定性能影响研究

摘要

随着新材料、新工艺的出现，现代桥梁跨度不断增大，设计荷载越来越高，空间形式愈加复杂新颖，这些都对拱桥的稳定性能提出了更高的要求。对于桥梁工程中广泛应用的钢管混凝土拱桥，亟需更加深入、系统的研究。实际工程中的钢管混凝土拱桥，荷载通过吊杆传递至拱肋，吊杆对拱肋失稳时的变形存在一定的约束作用。对于无风撑钢管混凝土拱桥，主要发生平面外对称变形，考虑双重非线性之后，拱肋的变形将更加复杂，呈现空间失稳的特点；此时，吊杆的非保向力对于拱肋平面外稳定性能有显著的影响。因此，为了满足实际工程中钢管混凝土下承式拱桥设计的安全性和经济性的要求，本文考虑吊杆的非保向力效应，对钢管混凝土拱平面外稳定性能展开系统、深入的研究，并形成可靠的设计方法。
　　采用ABAQUS建立钢管混凝土拱的有限元模型，在分析了研究对象的受力特点、破坏模式之后，选择了梁单元作为拱肋单元，弧长法作为计算方法，选取了合理的材料应力-应变关系。与现有的钢管混凝土拱稳定性试验及长柱稳定性试验结果进行对比，验证本文建模方法的正确性。
　　对钢管混凝土抛物线拱在竖向均布荷载作用下的平面外弹性稳定承载力展开研究，采用有限变形理论对其应变-位移关系进行推导。根据势能驻值原理，并选取合适的位移函数，采用 Rayleigh-Ritz法，得到钢管混凝土抛物线拱平面外弹性稳定承载力。在此基础上考虑吊杆的非保向力效应，得到钢管混凝土抛物线拱平面外弹性稳定承载力。
　　建立有限元模型对单圆钢管混凝土下承式拱平面外稳定性能进行研究。首先采用BUCKLE分析研究钢管混凝土抛物线拱的平面外弹性稳定性能，提出平面外弹性稳定承载力计算公式。然后考虑几何-材料双重非线性，对钢管混凝土拱平面外弹塑性稳定性能进行研究，着重考察系梁侧向刚度与拱肋侧向刚度之比（刚度比）对稳定性能的影响，根据参数分析结果，提出考虑非保向力效应的钢管混凝土抛物线拱平面外稳定系数计算公式。

目录

第1章 绪论

1.1 钢管混凝土拱简介

1.1.1 钢管混凝土拱桥的特点

1.1.2 钢管混凝土拱桥的分类

1.1.3 钢管混凝土拱桥的发展和应用

1.2 钢管混凝土拱桥稳定研究现状

1.2.1 钢管混凝土拱桥稳定研究的目的及意义

1.2.2 钢管混凝土拱桥稳定性能国外研究现状

1.2.3 钢管混凝土拱桥稳定性能国内研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 有限元模型的建立与验证

2.1 引言

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 单元类型及建模方法的确定

2.2.2 材料本构关系的确定

2.2.3 计算方法的确定

2.3 有限元模型的验证

2.3.1 钢管混凝土双肋拱空间受力试验

2.3.2 钢管混凝土拱面内多点对称加载试验

2.3.3 钢管混凝土轴心受压长柱试验

2.4 本章小结

第3章 钢管混凝土抛物线拱平面外弹性稳定承载力计算

3.1 引言

3.2 拱肋微元变形关系

3.2.1 平面外弹性稳定特点

3.2.2 球坐标系选取

3.2.3 应变-位移关系推导

3.3 平面外弹性稳定承载力

3.3.1 荷载的参数表示

3.3.2 势能方程

3.3.3 近似求解方法

3.4 本章小结

第4章 非保向力下钢管混凝土拱平面外稳定性能研究

4.1 引言

4.2 非保向力下平面外弹性稳定承载力分析

4.2.1 几何模型及截面参数

4.2.2 弹性稳定承载力参数分析

4.2.3 弹性稳定承载力计算公式

4.3 非保向力下平面外弹塑性稳定性能分析

4.3.1 吊杆刚度对平面外稳定性能的影响

4.3.2 分析参数确定

4.3.3 平面外荷载位移曲线

4.3.4 内力发展过程

4.4 参数分析

4.4.1 非保向力效应在不同长细比下对平面外稳定性能的影响

4.4.2 非保向力效应在不同矢跨比下对平面外稳定性能的影响

4.5 考虑非保向力效应的平面外弹塑性稳定承载力设计公式

4.5.1 平面外稳定系数影响因素分析

4.5.2 稳定系数与钢拱规范的对比

4.5.3 平面外弹塑性稳定承载力设计公式

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢