在役混凝土系杆拱桥稳定性分析与试验研究

摘要

钢筋混凝土中承式系杆拱桥是近年来在我国蓬勃发展的桥梁结构体系之一，它以跨越能力强、受力合理、施工简便、造型美观等优点受到了广大工程师的青睐。但是随着日益增加的交通量尤其是汽车超载现象越来越普遍，不少在役系杆拱桥已出现不同程度的缺陷和损伤，有必要对在役混凝土系杆拱桥稳定性及极限承载能力进行分析估计。本文以济宁市南环线京杭运河大桥作为工程背景，利用大型程序Ansys建立空间模型，对系杆拱的两类稳定性进行了深入研究，并通过实桥静动载试验来估计系杆拱的承载能力，同时验证了计算模型及单元选取的合理性。 本文调研并分析了系杆拱在国内外的发展及拱桥极限承载力的研究现状。基于拱桥稳定性分析的基础理论，给出拱桥有限元建模的单元选取及建模方法。在第一类稳定性分析方面，计算了前四阶失稳特征值，并分析了不同布载方式、矢跨比、加劲梁抗弯刚度、拱肋刚度、横撑数量这些参数对面内失稳和面外失稳的影响。在极限承载力分析方面，采用线弹性、几何非线性、材料非线性及双重非线性四种方法分别计算运营荷载作用下的应力和变形。并分析了荷载形式、初始缺陷、材料强度、拱肋刚度、吊杆刚度及有无横撑对系杆拱极限承载力的影响。同时对系杆拱稳定系数的取值进行了讨论。在荷载试验方面，对测试截面的挠度和应变进行了分析，同时对吊杆内力及主桥和引桥的自振特性、冲击系数、阻尼比进行了分析。荷载试验与理论计算相结合，有助于评价系杆拱的承载能力。 本文的研究结果不但为济宁运河大桥的营运管理提供了技术支持，亦为今后研究钢筋混凝土系杆拱桥的稳定性打下了良好的工作基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1拱桥发展状况

1.2系杆拱桥的发展

1.2.2国外系杆拱桥的发展

1.2.3国内系杆拱桥的发展

1.3拱桥极限承载力研究现状

1.4论文拟完成的工作

第二章拱桥稳定性分析理论与有限元建模

2.1空间稳定理论

2.1.1第一类稳定问题

2.2.3第二类稳定问题

2.2几何非线性和材料非线性的有限元方法

2.2.1几何非线性分析的有限元方法

2.2.2材料非线性分析的有限元方法

2.2.3非线性有限元方程解法简介

2.3有限元建模方法

2.3.1常用有限元软件综述

2.3.2桩基础力学模型简化原理

2.3.3系杆拱桥结构建模时的单元选择

2.3.4计算荷载的模拟

2.4材料的本构关系

2.4.1混凝土的本构关系

2.4.2钢筋的本构关系

2.5小结

第三章钢筋混凝土系杆拱桥稳定性研究

3.1钢筋混凝土系杆拱桥计算模型

3.1.1工程背景

3.1.2计算模型

3.2济宁运河大桥第一类稳定性分析

3.2.1特征值分析

3.2.2影响参数研究

3.3济宁运河大桥极限承载力分析

3.4.1极限承载力数值分析

3.4.2分析结论

3.4小结

第四章钢筋混凝土系杆拱桥极限承载力影响参数研究

4.1荷载形式对极限承载力的影响

4.1.1温度荷载

4.1.2布载方式

4.2初始缺陷对极限承载力的影响

4.3材料强度对极限承载力的影响

4.4拱肋刚度对极限承载力的影响

4.5吊杆刚度对极限承载力的影响

4.6横撑对极限承载力的影响

4.6.1横撑数量

4.6.2横撑布置方式

4.6.3横撑刚度

4.7拱桥稳定安全系数讨论

4.8小结

第五章钢筋混凝土系杆拱桥荷载试验研究

5.1结构静载试验

5.1.1测试内容

5.1.2测点布置

5.1.3试验工况及加载方法

5.1.4控制截面挠度分析

5.1.5控制截面应变分析

5.1.6结果评定

5.2结构动载试验

5.2.1测试内容、测点布置及试验工况

5.2.2试验结果分析

5.3吊杆索力测试与分析

5.4 小结

第六章总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢