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原文传递大跨梁拱组合连续刚构桥内力分配机制研究

论文题名：	大跨梁拱组合连续刚构桥内力分配机制研究
关键词：	梁拱组合连续刚构桥;空间应力分布;荷载传递规律;数值模拟
摘要：	梁拱组合连续刚构桥是近年来出现的一种创新桥型，与不设拱肋的连续刚构桥相比，组合结构具有优良的经济技术指标和美观的外形，拱圈与主梁刚性连接，不设支座，拱的水平推力与梁的轴向拉力形成自平衡体系，可作为提升主梁跨越能力，改善跨中下挠的优化方案。目前梁拱组合体系桥梁主要应用于铁路领域，有必要对公路桥梁的梁拱协作机理和合理构造参数进行研究，并针对受力复杂的部位开展局部实体精细化分析，为桥梁工程师的设计工作提供理论支撑。本文采用理论推导和数值模拟相结合的方法探讨了下承式3跨梁拱组合连续刚构公路桥的活载内力分配机制，得到了关键设计参数的合理取值，并通过局部模型计算了梁-拱-墩结合部位的空间应力分布特征和荷载传递规律，主要研究内容如下：　　（1）将梁拱闭合体上的吊杆力转换为膜张力，推导了中跨跨中截面活载效应的力学解析公式，与Midas/Civil的数值解相比验证理论方法的正确性并分析误差产生的原因，并通过拱肋轴向刚度和弯曲刚度系数进行修正。研究结果表明：与有限元方法相比，修正后解析公式的计算误差基本在±5%以内，有利于设计人员掌握梁拱协作机理，避免繁杂的建模过程，更加方便、快捷地得到关键部位的受力情况。　　（2）采用灰色关联分析法探讨不同结构参数对拱梁活载分配机制和边中跨比的影响规律和敏感性，推导拱肋截面刚度和边中跨比的合理取值。研究结果表明：梁拱刚度比对拱肋活载分承比的影响最显著，边中跨比对边支座反力的影响最显著，即使主梁刚度比拱肋大很多，拱肋依旧分担了20%以上的活载，但当超过60%以后，继续增大拱肋半径对改善主梁受力的作用不明显。　　（3）参考宜万铁路宜昌长江大桥的构造参数，试设计一座跨径布置为（120+250+120）m的下承式3跨梁拱组合连续刚构桥，采用桥博V4.3分析不同设计参数对结构静力特性的影响，并通过跨中吊杆活载索力的变化情况验证解析公式的正确性。研究结果表明：下承式3跨梁拱组合连续刚构桥的合理构造尺寸如下：跨中梁高为0.0168L~0.0180L、矢跨比为1/5~1/4、边中跨比为0.44~0.48、拱肋半径为0.0018L~0.0022L、吊杆半径为0.000155L~0.000491L。无论是不同结构参数下吊杆力的变化情况，还是各因素影响的敏感性，理论方法与数值方法的计算结果基本一致。　　（4）以梁单元模型为基准，比较常用局部建模方法计算结果的差异。以全桥精细化模型为基准，验证局部模型应力和位移结果的正确性，并以应力匹配率为指标，探讨局部模型竖向特征长度的取值以及合理边界条件的施加方式。研究结果表明：与梁单元模型相比，常用局部建模方法不论是支反力大小、位移情况，还是特征截面的内力的偏差基本在±5%以内。局部模型竖向特征长度为4.0，采用内力加位移的混合边界形式能够兼顾模型应力和位移的计算精度。　　（5）建立梁-拱-墩结合部位的局部精细化模型，分析该部位的应力分布情况，探讨主梁和拱座的内力分配和传力机理。研究结果表明：主拉应力最大值和最小值在箱梁中均出现在与桥墩的连接处，在拱座中出现在顶部的承压面处。拱肋与拱座结合段应力传递的特征长度为总长度的1/3，梁拱连接部位应力传递的特征长度为总长度的1/4。
作者：	施跃毅
专业：	建筑与土木工程
导师：	郭增伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022