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原文传递结构缺陷和损伤对桁架拱桥极限承载力的影响研究

论文题名：	结构缺陷和损伤对桁架拱桥极限承载力的影响研究
关键词：	桁架拱桥;结构缺陷;极限承载力;等效本构关系;几何非线性;稳定安全系数
摘要：	我国已建公路钢筋混凝土桁架拱桥大多存在如下病害:下弦杆拱脚处横向开裂；弦杆端部节点裂缝；桁架拱片歪扭；横系梁、横拉杆、横隔板竖向开裂；桥面板裂缝、破碎；伸缩缝破损或者缺少；人行道变形下垂,位于两跨接缝处人行道和拉杆横向裂缝。有必要研究在役钢筋混凝土桁架拱桥存在多种缺陷和损伤情况下的极限承载力,为确定其实际承载能力和进行安全性评估提供依据。　　本文综述了国内外拱桥承载力研究状况,缺陷和损伤对拱结构影响的研究进展,分析比较了拱桥极限承载力不同分析方法,以某桁架拱桥为工程背景,对该类有缺陷和损伤钢筋混凝土桁架拱桥的极限承载力进行了分析研究。　　论文根据钢筋混凝土桁架拱桥的各杆件均以承受轴力为主、节点处弯矩较小的受力特点,基于钢筋与混凝土共同工作、协调变形原理,推导出适合于钢筋混凝土桁架单元分析的理想弹塑性复合材料拉压不对称本构关系；按比拟杆-附加弹簧模型简化等效桩土相互作用；对钢筋混凝土桁架拱桥建立考虑非线性效应的有限元分析数值模型。分别采用线弹性、几何非线性及双重非线性等分析方法对三种不同结构形式桁架拱桥进行了极限承载力对比分析,研究了非线性效应对于钢筋混凝土桁架拱桥承载力分析结果的影响程度。结果表明,钢筋混凝土桁架拱桥极限承载力分析,更宜采用考虑几何非线性和材料非线性的双重非线性分析方法。荷载作用工况对拱桥极限承载力有很大影响,给出了不同荷载工况下结构的破坏过程及破坏模式,并归纳出两种最不利的荷载工况。　　通过数学方法,从条件随机变量出发,推导出缺陷随机分布方式；论文基于双重非线性分析方法,研究了具有不同的面内、面外缺陷分布形式桁架拱桥的极限承载力。对于三种结构形式的桁架拱桥,将一阶特征值屈曲模态作为结构的面内、外缺陷分布形式,随着缺陷幅值的增大,结构极限承载力不断下降；在缺陷幅值控制在跨径的1/1500以内时,缺陷对结构的极限承载力影响很小；当缺陷幅值超过跨径的1/1500后,随着缺陷幅值的增大,极限承载力会有很大下降。与面内缺陷相比,当缺陷幅值在跨径的1/500以内时,同样的缺陷幅值,面外缺陷对于极限承载力的影响要小于面内缺陷；但是,当缺陷幅值超过跨径的1/500以后,同样的缺陷幅值,面外缺陷对于极限承载力的影响要大于面内缺陷。无论面内缺陷分布方式还是面外缺陷分布方式,特征值屈曲形式的缺陷分布不一定是最不利的缺陷分布方式,如六阶随机缺陷分布方式对极限承载力的影响就大于特征值屈曲形式的缺陷分布方式。但是,一者高阶的缺陷分布方式出现的概率较小,再者特征值屈曲形式的缺陷分布方式对极限承载力的影响要大于绝大多数随机缺陷分布方式,所以,大多数情况下,可以近似地认为特征值屈曲形式的缺陷分布方式接近于最不利的缺陷分布方式。　　损伤程度的增大,引起结构刚度的下降,导致结构变形的增大；而且随着损伤程度越大,结构变形的增大速率越大,呈非线性变化。随着损伤程度的增大,结构的极限活荷载系数成线性下降。通过规律性分析,得出有损伤结构极限活荷载系数λ=λ0(1-1.1×η)。实桥非线性分析与简化分析结果对比表明,含缺陷、损伤桁架拱桥结构简化分析方法与非线性分析所得极限活荷载系数相差较小,本文推导的简化分析方法可以作为在一定缺陷和损伤情况下,桁架拱桥结构极限承载力近似计算方法。综合目前国内外常见的几种结构稳定安全系数定义,给出了适合于在役旧钢筋混凝土桁架拱桥的结构稳定安全系数定义方法及最低容许值为5的建议。我国现行《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)所给拱肋施工允许偏差略显保守,轴线横向偏位的允许范围可略大于竖向偏位的允许范围。　　本文的研究有助于了解桁架拱桥的破坏形式、破坏过程,和影响该类桁架拱桥极限承载力的主要因素,并为在役拱桥运营多年后有缺陷和损伤桁架拱桥极限承载能力评估、超载能力和安全性评价等提供了有益的经验和建议。
作者：	严建科
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	贺拴海
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文