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原文传递斜跨拱桥结构静力性能研究

论文题名：	斜跨拱桥结构静力性能研究
关键词：	斜跨拱桥;异型拱桥;极限承载力;合理成桥状态;结构静力性能;有限元分析
摘要：	斜跨拱桥是近年来才发展起来的一种桥梁结构形式。该桥型采用单根拱肋斜交横跨主梁的空间布置形式，拱脚分别位于桥梁上下游两侧，拱肋和主梁之间通过吊索连接，吊索空间布置。该类桥型的出现为大跨径曲线梁桥的设计提供了一种新的备选方案。由于这种桥型特殊的空间布置形式，结构的受力也较为复杂。本文根据张家口通泰大桥设计过程中所遇到的问题和难点，主要从以下方面进行了研究: 　　1.合理拱轴线的求解　　合理拱轴线的确定对拱桥的设计具有至关重要的意义。拱桥拱轴线是否合理直接关系到全桥的安全和经济两个方面的问题。偏态拱桥、斜跨拱桥等异型拱桥的出现也使合理拱轴线的求解变得较为复杂。本文基于集中荷载作用下拱桥的合理拱轴线为分段悬链线的假定，推导了拱桥合理拱轴线二阶微分方程，并采用数值解法对方程进行求解以确定对应荷载工况下拱肋的合理拱轴线;根据合理拱轴线的定义，拱肋在对应荷载的合理拱轴状态下，拱肋只承受轴力，不承担弯矩，此时拱肋可以简化为桁架体系，根据这种假设，提出了拱桥合理拱轴线的桁架近似数值解法。结合工程实际，验证了二阶微分方程数值方法和桁架近似数值解法的实用性。对于斜跨拱桥，在拱脚无吊索区段，拱轴线曲率较小，线形较为平直;在跨中吊索集中布置区段，拱轴线曲率较大，可采用多次抛物线进行拟合。　　2.斜跨拱桥稳定及其影响因素分析　　斜跨拱桥作为一种近年来才发展起来的一种新型桥梁结构形式，由于其典型的空间受力特性，结构受力异常复杂。本文分别采用特征值求解方法和基于弹塑性理论的双重非线性有限元法对张家口通泰大桥的稳定问题进行了分析。与常规拱桥不同，斜跨拱桥的失稳模态不再是单纯的面内失稳或面外失稳，而是表现为面内和面外失稳的复合形式。针对通泰大桥，拱肋的面内抗弯刚度和矢跨比的变化，对结构的整体稳定性有较大影响;与吊索均布的常规拱桥相比，斜跨拱桥由于吊索布置相对集中，其合理矢跨比较常规拱桥更大，一般在0.35左右较为合理。通过研究两座斜跨拱桥稳定性发现，两座斜跨拱桥的第一类稳定系数和第二类稳定系数的比值分别为4.8和6.16，该比值高于常规拱桥。因此在采用第一类稳定分析对斜跨拱桥的整体稳定进行验算时，与常规拱桥相比，斜跨拱桥需要更高的第一类稳定系数。　　3.斜跨拱桥合理成桥状态分析　　基于能量原理，考虑空间效应的影响，研究了无约束优化方法和有约束优化方法在斜跨拱桥合理成桥状态求解过程中的的应用;讨论了两种优化方法在求解斜跨式拱桥合理成桥索力时的适用性;仅采用以结构应变能最小为目标函数的无约束优化方法不能求解出斜跨拱桥的合理成桥索力，通过构造索力均匀化函数再次优化能够得到较为均匀的索力。基于能量法的有约束优化方法，通过施加合理的约束条件，能够有效地求解斜跨拱桥合理成桥状态对应的索力;通过对关键断面内力的限制，可以方便的考虑活载效应的影响。对比研究结果表明，对于斜跨拱桥除了主梁的弯曲应变能外，主梁的扭转应变能也是影响合理成桥状态的主要因素。合理成桥状态下，斜跨拱桥拱肋和主梁均存在较大的扭矩，拱肋和主梁应采用箱形截面。　　4.斜跨拱桥模型实验研究　　为了研究斜跨拱桥的整体结构特性，并检验所采用的设计及计算理论的适用性，以张家口通泰大桥为原型，根据相似理论，建立了全桥1∶25缩尺试验模型。通过有限元分析和试验结果的对比验证了:现有的空间杆系有限元计算理论能够满足这种新型桥梁结构设计计算的需要，深化了对斜跨拱桥结构受力特性的理解。为实际工程的设计与力学性能研究提供依据，并为同类型桥梁的设计提供参考。
作者：	周朋
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张哲
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文