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基于响应面法的大跨度钢管混凝土拱桥极限承载能力研究
| 论文题名： | 基于响应面法的大跨度钢管混凝土拱桥极限承载能力研究 |
| 关键词： | 钢管混凝土系杆拱桥;极限承载力;参数优化;响应面法;粒子群优化算法 |
| 摘要： | 钢管混凝土系杆拱桥传力明确，完美结合了钢材和混凝土各自的特点，施工较为方便，被广泛应用于城市跨河、山区跨越峡谷等大跨度桥梁。随着交通需求的日益增长，桥梁越来越宽，荷载等级不断提高的同时，跨度也在不断突破，其安全可靠性能备受关注，尤其作为大跨径结构，极限承载力成为研究的焦点问题之一。论文依托合江长江公路大桥作为背景工程，对其极限承载能力进行了一系列研究，明确了所选参数对极限承载能力的影响，并对多个参数组合进行了一定程度的优化，进一步论证了优化方法的有效性。主要内容如下： （1）研究了钢管混凝土系杆拱桥所用材料的本构关系，钢管混凝土的极限承载力理论，以及求解极限承载力所涉及到的线弹性稳定理论和非线性理论，详细介绍了有限元模型的建模过程，首先明确有限元模型的节点空间坐标和单元属性，其次是单元类型的选择、荷载的添加方式和各构件之间的连接模拟，然后是边界条件的近似模拟，最后是分析方法的选择等； （2）针对大跨度钢管混凝土拱桥由于多参数变化而导致的建模数量庞大，本文提出了可以利用几个设计参数进行快速建模的方法，将MATLAB与Midas civil中的mct文件相结合，可以实现快速建模，极大提高建模效率。 （3）采用控制变量法系统的研究了主拱圈的含钢率、矢跨比、拱轴线系数和拱肋倾角在线弹性和考虑三种不同非线性的情况下极限承载能力的不同结果，明确了双重非线性对大跨度钢管混凝土拱桥极限承载能力分析计算的重要性。同时明确了各设计变量对大跨度钢管混凝土拱桥极限承载能力的影响趋势，为后续研究提供数据参考。 （4）针对传统方法在大跨度拱桥优化设计中计算复杂、耗时长及效率低等问题。本文提出了将响应面法与粒子群优化算法相结合的方法来对大跨度钢管混凝土拱桥多个参数同时进行优化。通过响应面法来替代大量的模型计算，并采用中心复合设计试验进行抽样，并通过构建单一目标函数与设计变量间的关系式进而建立响应面模型，在对模型进行精度检验后，利用改进粒子群优化算法对构建好的响应面模型进行寻优计算，最终得出当矢跨比为1/5.3，拱轴系数为1.28，含钢率为7.7%，拱肋偏角为5.3°时，结构极限承载能力达到最优。 （5）针对优化后的参数计算钢管混凝土极限承载力，并和优化前的结果进行对比，对比内容包括弹性屈曲模态、非线性分析荷载—位移曲线和塑性铰出现的顺序和出现比例，进一步论证本文优化方法的有效性，为后续相关工程和继续研究提供一定借鉴作用。 |
| 作者： | 杨琪 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 汪宏;张雪松 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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