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原文传递大跨CFST劲性骨架拱桥外包混凝土施工过程稳定研究及优化设计

论文题名：	大跨CFST劲性骨架拱桥外包混凝土施工过程稳定研究及优化设计
关键词：	钢管混凝土拱桥;外包混凝土;施工过程;优化设计
摘要：	CFST（Concrete Filled Steel Tube）劲性骨架拱桥是先在CFST拱肋上架设模板、再在骨架上分环分段浇筑外包混凝土而形成的拱桥。大跨CFST劲性骨架拱桥具有建设成本低、承载能力大、抗震能力好和后期维护费用低等优势。随着CFST劲性骨架拱桥跨径的增长，大跨CFST劲性骨架拱桥对初始几何缺陷、材料非线性和几何非线性的敏感性显著增加；此外，大跨CFST劲性骨架拱桥外包混凝土施工过程中，CFST拱肋作为先成型的支架，其自身稳定性能是决定外包混凝土浇筑施工过程稳定性及安全性的重要前提；并且，不同外包混凝土浇筑施工方案和肋间横联结构形式对整个外包混凝土浇筑施工过程的结构受力及稳定性有较大影响。因此，对大跨CFST劲性骨架拱桥外包混凝土施工过程进行研究，明确不同构造参数对先期成型的CFST拱肋稳定性能的影响水平和确定外包混凝土最优化浇筑方案是现阶段大跨CFST劲性骨架拱桥设计与施工的研究重点。本文以在建跨径为600m的天峨龙滩特大桥为工程背景，开展如下研究：　　开展了大跨CFST劲性骨架拱桥两类稳定性问题的研究，引入了极值点失稳的非线性材料本构关系，讨论了初始几何缺陷的分类及分析方法，并对不同幅值大小和分布方式的初始几何缺陷分别进行了线弹性、弹性大变形和弹塑性大变形稳定分析。结果表明：在考虑初始几何缺陷时，必须计入非线性效应的影响，尤其是几何非线性的影响，否则难以判断大跨CFST拱肋结构对初始几何缺陷的敏感性；CFST拱肋预制、悬臂拼装过程中，应严格将初始几何缺陷幅值控制在L/5000以内，以降低初始几何缺陷对稳定性能的影响；采用一致缺陷模态法构造初始几何缺陷仍适用于600m级大跨CFST拱结构的初始缺陷分析。　　以矢跨比、拱轴系数、拱肋间距、拱箱宽度、主弦管直径、主弦管壁厚和横撑类型7个构造参数为试验因素，CFST拱肋稳定性为试验指标，进行了影响CFST拱肋失稳的多因素正交试验研究，并结合极差分析方法和方差分析方法对影响CFST拱肋分支点失稳和极值点失稳多因素进行了显著性检验。结果表明：横撑类别是所选构造参数中影响CFST拱肋面外稳定性能的首要参数；对主要承受面内荷载为主的大跨CFST劲性骨架混凝土拱桥，当矢高与拱肋间距比?＞3.0时，CFST拱肋失稳模态为面外正对称失稳，满足大跨CFST劲性骨架拱桥面内稳定承载能力高于面外稳定承载能力的要求。　　建立了考虑结构受力、降低施工难度和提高施工质量条件下的外包混凝土施工过程优化设计的数学模型，该模型将主弦管应力与目标应力差值的平方设为目标函数，分环分段数量为设计变量，利用最优化原理，建立外包混凝土分环分段浇筑状态下可测变量之间的性态约束关系。利用该优化模型对天峨龙滩特大桥外包混凝土浇筑方案进行优化设计，结果表明：适用于天峨龙滩特大桥外包混凝土最优化分环设计J=4、分段设计I=24。外包混凝土最优化分环设计优化方案下，主弦管应力仅为-325.9MPa，优化后结构应力储备较高；整个浇筑过程中拱顶变形有微弱回升，但没有产生上冒现象，外包混凝土浇筑过程中结构变形平顺，未产生反复变形，拱轴线形控制在合理范围。　　研究了一字型肋间横联、K型肋间横联、X型肋间横联和米字型肋间横联共四种不同肋间横联对大跨CFST劲性骨架拱桥面外稳定性能的影响，并以此为根据，进行了肋间横联结构形式及肋间横联外包混凝土浇筑顺序优化设计。结果表明：将I型平面横联优化为X型空间横联可以显著提高外包混凝土施工过程稳定性能，此优化方案下，外包混凝土浇筑阶段最小稳定系数为8.9；将同步浇筑肋间横联外包混凝土优化为最后浇筑肋间横联外包混凝土可以降低劲性骨架结构受力，此优化方案下，主弦管最大应力为-309.1MPa，应力储备较高。
作者：	魏勇
专业：	工程(建筑与土木工程
导师：	谢开仲;蓝日彦
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2022