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原文传递超宽圆端形薄壁空心桥墩稳定性理论分析与试验研究

论文题名：	超宽圆端形薄壁空心桥墩稳定性理论分析与试验研究
关键词：	超宽圆端形薄壁空心桥墩;模型试验;稳定性;失稳破坏机理;数值模拟;有限元分析
摘要：	我国既有铁路桥梁多为单线桥和双线桥，有时受地形限制，普通单双线铁路不得不将车站设置于桥梁上，由于车站一般均由多条站线组成，相应的桥梁不可避免地也要修建成多线形式。当桥梁高度较高时，修建实体桥墩是不经济、也不合理的，而空心墩既节省圬工量、受力又比较合理，因此，修建多线超宽空心桥墩就成为经常遇见的情况，特别是墩高30~60m的多线超宽混凝土空心高墩在我国铁路桥梁工程中得到了越来越广泛的应用和发展。超宽圆端形薄壁空心桥墩在构造上既有柱的特点，其墩壁又属于空间板壳结构，因此受力较为复杂。上世纪70年代，国内多家科研单位曾对矩形、圆柱形、圆锥形空心墩的稳定问题进行过研究，但研究内容仅限于宽度较小的单线或双线桥梁混凝土空心墩，对于此类超宽圆端形薄壁空心墩并未涉及。本课题的研究力求对此类多线超宽圆端形薄壁空心墩的整体稳定和局部稳定性能做出准确的评价，并总结出合理的应对措施，以减少设计的盲目性，做到设计有理可循；同时为今后类似工程结构的设计提供参考和借鉴，从而保证超宽圆端形薄壁空心墩设计的安全可靠性。　　本文以兰渝铁路兰州枢纽大砂坪特大桥的四线圆端形薄壁空心墩为研究对象，从理论计算和试验研究两方面对此类桥墩的稳定性能进行了分析，得出了此类薄壁空心墩失稳受力特性和失稳模态，揭示了空心墩的失稳破坏机理，同时分析了竖向纵隔板对空心墩稳定性的影响，可为今后此类超宽圆端形薄壁空心桥墩的稳定性研究和工程设计提供参考。　　本文的主要研究内容与结论如下：　　(1)对工程实例中的桥墩模型进行有限元数值模拟分析。分别建立有纵隔板的原桥墩模型和无纵隔板的桥墩模型，对两种模型分别进行线弹性稳定分析，计算得出两种模型的第一阶屈曲模态均表现为桥墩墩壁的局部屈曲，而没有出现桥墩的整体失稳，超宽圆端形薄壁空心墩的线弹性失稳特征主要表现为板壳的局部凸曲和凹曲。墩高、壁厚、混凝土强度等级及是否设置竖向纵隔板对超宽空心墩线弹性稳定都有一定的影响，其中竖向纵隔板和壁厚对线弹性稳定的影响较为明显。　　(2)对有纵隔板桥墩和无纵隔板桥墩分别进行了基于有限元法的非线性屈曲分析。由非线性屈曲分析结果可知，不考虑非线性，仅进行线弹性分析时，有纵隔板桥墩的失稳临界荷载是无纵隔板桥墩的4.48倍；当考虑结构的初始缺陷，进行几何非线性分析时，有纵隔板桥墩的失稳临界荷载是无纵隔板桥墩的4.39倍；当考虑结构的初始缺陷，进行几何非线性和材料非线性分析时，有纵隔板的失稳临界荷载是无纵隔板的1.215倍，因此，设置纵隔板能提高桥墩线弹性稳定承载力，但在考虑几何和材料双重非线性后，设置纵隔板对提高桥墩极限承载能力的贡献有限，建议在以后的同类型桥墩设计中，从方便施工的角度考虑，可以取消竖向纵隔板的设置。　　(3)由非线性屈曲计算结果分析得出，在考虑了结构初始缺陷和非线性后，桥墩的稳定承载能力大幅降低，其中无纵隔板桥墩的弹塑性屈曲荷载为线弹性屈曲荷载的1/4.4，而有纵隔板桥墩的弹塑性屈曲荷载仅为线弹性屈曲荷载的1/16。可见超宽空心桥墩的失稳不会发生在材料的线弹性阶段，而是发生在弹塑性阶段，桥墩的失稳破坏是由于材料达到强度极限而引起的，计算时必须进行非线性弹塑性分析才是较为准确的。　　(4)对无纵隔板桥墩来说，非线性屈曲分析计算得到的竖向失稳极限荷载Pcr=487028 kN，稳定安全系数K=12.45；而有纵隔板桥墩的竖向失稳极限荷载Pcr=591628 kN，稳定安全系数达到了K=15.02。可见在对此类超宽圆端形薄壁空心墩进行非线性弹塑性屈曲分析中，两者都有非常大的安全储备，即使考虑了结构初始缺陷和非线性的影响，此类超宽薄壁空心墩的稳定性仍然具有很高的保障。　　(5)按照欧拉公式和铁路桥梁规范分别计算了空心墩的整体稳定承载力，按照板壳屈曲理论分析了空心墩的局部稳定承载力。通过与有限元数值分析结果对比分析，得出按照铁路桥梁设计规范计算得到的超宽圆端形薄壁空心墩的稳定安全系数接近于按照考虑了结构几何缺陷和双重非线性后进行的有限元数值分析得到的稳定安全系数，说明铁路规范中对于桥墩整体屈曲临界荷载的计算公式是合理的。　　(6)基于模型相似理论，选用 Q345钢材为试验材料，分别按照设置纵隔板和不设纵隔板超宽空心墩原型尺寸制作两组缩尺模型进行荷载试验，试验结果与有限元弹塑屈曲数值分析结果较为吻合，说明模型试验可以较好模拟结构失稳的受力特征和失稳模态，也验证了本文关于超宽空心墩稳定问题分析的正确性。
作者：	徐峰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	刘炎海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文