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原文传递上承式大跨度钢箱肋拱桥极限承载能力研究

论文题名：	上承式大跨度钢箱肋拱桥极限承载能力研究
关键词：	上承式钢箱肋拱桥;极限承载能力;受力性能;屈曲分析
摘要：	近年来，国内建设的大跨径钢拱桥不少，但均以中下承式为主。上承式拱桥因其较高的桥面位置只在山区河谷等区域建设较多，因此跨径能够达到300米的上承式钢箱肋拱桥在国内外均建设较少。与大跨径中下承式拱桥相比，大跨径上承式拱桥拱上建筑跨径较大，通过立柱作用于拱肋的集中力大，拱肋的局部稳定性问题突出；另外大跨径拱桥的横向稳定性等问题也比较突出，对于中下承式拱桥，非保向力对其横向稳定性有益，而对上承式拱桥横向稳定性影响的研究尚不深入。为改善钢箱肋拱桥的局部稳定性，设计人员通过设置加劲肋、横隔板来提高其局部稳定性，而拱肋的整体稳定性则通过提高拱肋的面内、面外刚度来改善，这些措施的效果如何，研究者也已进行了不少研究。但由于问题的复杂性，且大跨度拱桥稳定性和极限承载力的试验方法较难实现，不少问题还需要进一步的深入细致研究，现代计算手段及计算机技术的快速发展为结构的精细深入研究提供了可能。　　本文以一座国内建设的300米跨径上承式钢箱肋拱桥为工程依托，采用有限元软件ANSYS，以板壳单元为主，准确模拟了钢箱肋拱桥的实际构造，包括其加劲肋、横隔板等，建立了全桥主拱肋的三维精细化有限元模型，分析了其弹性稳定性，进行了考虑几何非线性的主拱肋屈曲分析，考虑几何和材料双重非线性计算了主拱肋的极限承载能力，研究了影响主拱肋极限承载能力的主要因素，总结分析了拱肋整体以及局部的材料屈服的发展变化过程，通过对拱肋局部受力性能和板件的屈曲情况的分析，提出了相应的改善措施。主要进行的研究工作和得到的主要结果如下：　　1.建立了全桥主拱肋的三维精细化板壳有限元模型，准确模拟了拱箱、加劲肋、横隔板的实际构造，进行了弹性稳定性分析，分析发现，由于依托工程的两拱肋横向间距较大，且横向联系较强，故拱肋整体失稳以面内为主，立柱下拱肋横隔板屈曲特征值小于拱肋整体的屈曲特征值，拱箱加劲肋也是易发生局部弹性屈曲的构件之一。　　2.通过几何非线性屈曲分析发现，考虑几何非线性的梁单元模型与板壳单元模型的临界荷载基本一致，但临界荷载作用下位移结果差异明显；通过取消了隔板设置的板壳单元模型分析发现，拱肋不仅局部板件屈曲变得更为明显，拱肋整体位移以及临界荷载都发生了显著的变化。故在考虑非线性时隔板的设置对拱肋整体刚度有重要影响。　　3.通过考虑双重非线性的极限承载能力分析发现，拱箱中材料屈服发展过程如下，首先在横向联系与拱箱相交区域以及立柱与拱箱相交区域出现拱箱材料屈服，但屈服范围有限，且随荷载增大并无显著发展，不足以对拱箱截面刚度及承载能力产生较大影响；随着荷载增大，拱顶和拱肋四分点出现塑性区，这些区域一旦出现材料屈服，拱肋将很快破坏。考虑双重非线性与仅考虑材料非线性相比，拱箱塑性区域基本相同，但考虑双重非线性后，拱箱的极限承载能力较仅考虑材料非线性有明显的降低；另外，双重非线性从拱顶出现材料塑性到结构破坏的荷载增量较仅考虑材料非线性有明显的降低，且双重非线性拱顶材料进入塑性后的应变增长也更快速，说明几何非线性因素会降低在拱顶材料屈服之后结构的后屈服刚度和强度。　　4.考察了横隔板参数对极限承载力的影响，分析发现，减小拱顶和四分点拱肋段内隔板间距能够一定程度上提升极限承载力，并通过减小钢箱板件屈曲以有效地延缓塑性区的出现和发展；增大拱顶和四分点拱肋段内隔板间距会使极限承载力降低，且随着隔板数量和位置的变化，拱顶塑性区发展的位置会产生差异；减小立柱附近拱肋隔板的间距，虽不能对材料进入塑性的过程有所缓解，但能够显著减小局部屈服区域的发展范围。分析还发现，立柱下横隔板在竖直方向的设置、以及其与普通隔板相比一定程度上的加厚，对拱肋正常传递立柱荷载是相当重要的。　　5.对拱肋在承受不同荷载分布形式的影响进行了分析，分析发现，两侧拱肋在承受横桥向非对称荷载加载时，由于拱肋在竖向的相对错动以及风撑所连接的拱箱截面发生扭转的影响，立柱下横隔板以及拱肋顶板都会因为变形而产生较大的局部应力，并导致局部屈服区的出现；当在拱肋半跨进行加载时，拱肋极限荷载降低显著，拱肋会因反对称的变形而在两个半跨内均产生较大的附加弯矩，即使仅在一侧拱肋的半跨进行加载，另一侧未加载的拱肋内也同样会因反对称的变形而产生较大的附加弯矩及应力。因此，在工程中应避免任何形式的偏载情况的出现。
作者：	郑鑫阳
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	朱东生
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022