永修特大刚架系杆拱桥刚架拱稳定性和极限承载力分析

摘要

昌九城际铁路永修特大桥主桥结构为（31.75+128+31.75）m的下承式刚架系杆拱桥，它是拱墩固结、梁墩分离、以拱受力为主、梁仅承受节间荷载和提供桥面系的结构体系。梁节间荷载通过吊杆传递至拱肋，转化为拱肋的轴向力，拱脚轴向力的竖直分力由桥墩传递至基础，水平分力由桥墩间张拉的系杆力平衡。 该桥具有跨度大、结构和施工工艺复杂等特点，为紧密配合该工程设计和施工需要，本文结合设计成果和施工方案，对该桥刚架拱的稳定性和极限承载力进行仿真分析研究，主要完成了以下几方面的工作： 1.基于能量法，推导圆弧双肋拱在考虑内倾角和横撑在拱肋径向平面弯曲变形能情况下侧倾临界荷载解析计算公式，并与文献公式进行对比验证； 2.引入荷载分配系数的概念，以及单波正对称和双波反对称位移函数，考虑固结支承、铰结支承两种边界条件，采用Ritz法推导抛物线平行双肋拱在保向力和非保向力作用下的侧倾临界荷载的解析计算公式，并与参考文献和有限元结果进行对比分析；进而，分析了部分结构参数对拱的侧倾临界荷载和“非保向力效应”的影响效应； 3.建立了永修特大刚架系杆拱桥有限元模型，采用线弹性稳定理论、几何非线性分析法和双重非线性全过程分析法对结构稳定性和极限承载力进行了分析，并探讨了吊杆“非保向力效应”和桩基刚度对刚架拱的稳定性的影响；校验了设计结构的稳定安全性。 4.在本文计算结果的基础上，分析了刚架拱的破坏过程和破坏机理以及几何、材料非线性对该桥稳定与极限承载力的影响； 5.利用建立的有限元模型，分析矢跨比、横撑的布置位置、数量和型式、初始几何缺陷和材料强度等参数对刚架拱极限承载力的影响效应。

目录

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第一章 绪论

1.1本文工程背景

1.2下承式刚架系杆拱桥的定义及历史沿革

1.2.1下承式刚架系杆拱桥的定义

1.2.2下承式刚架系杆拱桥历史沿革

1.3国内外拱桥稳定性和极限承载力研究现状

1.3.1拱桥的稳定性研究现状

1.3.2拱桥的极限承载力研究现状

1.4本文主要研究内容和思路

第二章 组拼双肋拱侧倾稳定计算的解析方法

2.1概述

2.2组拼圆弧双肋拱侧倾稳定计算的解析方法

2.2.1基本假定

2.2.2公式推导

2.2.3公式验证

2.3保向力作用下抛物线平行双拱肋侧倾稳定计算的解析方法

2.3.1基本假定

2.3.2坐标系与拱肋位移

2.3.3位移函数和边界条件

2.3.4拱的整体变形能

2.3.5局部弯曲变形能

2.3.6外力势能

3.3.6结构体系总应变能

2.3.7临界荷载

2.3.8公式验证

2.3.9参数分析

2.4抛物线平行双拱肋“非保向力效应”

2.4.1基本假定

2.4.2非保向力

2.4.3结构体系应变能

2.4.4临界荷载

2.4.5公式验证

2.4.6参数分析

2.4.7荷载分配系数对“非保向力效应”的影响

2.5本章小结

第三章 刚架系杆拱桥稳定性和极限承载力分析理论基础

3.1引言

3.2.线性屈曲分析理论

3.3几何非线性屈曲分析理论

3.3.1平衡方程的建立

3.3.2几何非线性屈曲分析理论

3.4双重非线性屈曲分析理论

3.4.1材料非线性分析理论

3.4.2双重非线性屈曲分析理论

3.5非线性有限元求解方法

3.5.1迭代法

3.5.2增量法

3.5.3混合法

3.6非线性收敛的判断准则

第四章 刚架系杆拱桥刚架拱稳定性和极限承载力数值分析

4.1有限元模型建立

4.1.1计算步骤

4.1.2 MIDAS有限元模型建立

4.1.3 ANSYS有限元模型建立

4.1.4荷载说明

4.1.5计算工况

4.2.线性屈曲法

4.3几何非线性分析

4.4双重非线性全过程分析

4.5三种分析方法比较

4.6本章小结

第五章 刚架系杆拱桥刚架拱极限承载力的参数分析

5.1矢跨比

5.2横撑布置位置、数量及其型式

5.3初始几何缺陷

5.4材料强度

5.5本章小结

第六章 结语

6.1本文所做的工作

6.2本文的主要结论

6.3今后的工作及努力方向

参考文献

致谢

硕士研究生期间发表论文及科研情况