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原文传递大跨度钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法研究

论文题名：	大跨度钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法研究
关键词：	钢拱桥;极限承载力;非线性规划;效应系数;综合三因素检算方法
摘要：	随着我国桥梁建设的发展，出现了一些造型新颖、构造复杂的大跨度钢拱桥。其极限承载力是设计建造中的关键问题。在实际工程中，通过复杂非线性分析确定钢拱桥极限承载力的方法实用性不强。为此，本文尝试建立一种简化检算的框架，实现采用线性方法检算钢拱桥极限承载力这个复杂的非线性问题。以国内在建的重庆菜园坝大桥、广州新光大桥等工程为背景，本文开展了以下几方面的研究工作。 1总结钢拱桥极限承载力分析中常用的非线性梁单元理论。通过理论分析与试验结果的对比，指出可以采用商用有限元软件的非线性梁单元分析钢拱桥极限承载力，同时也可以模拟残余应力、组合截面等问题。提出采用双重非线性超参数板壳单元建立钢拱桥模型，结合实体单元和杆单元建立高精度全桥模型，同时将准Newton-Raphson法和线性搜索法结合，提高非线性计算收敛效率。为了较好地满足求解精度和速度问题，还对3种不同网格密度的钢拱板壳单元模型的计算时间和精度进行了对比，确定恰当的模型规模。通过该模型进一步说明钢拱桥极限承载力的本质。与非线性梁单元的结果进行比较后，提出考虑节点板、加劲肋和横隔板后的非线性梁单元模型的改进方案。最后指出非线性有限元计算对于设计而言相对复杂，在其基础上建立简化检算方法更具实际意义。 2通过实际钢拱桥和两个模型结构的非线性分析计算和对比，得到钢拱桥达到极限承载力过程中的应力和内力变化情况。参数变化对钢拱桥极限承载力的影响，都可以从拱肋各项内力的变化体现出来。进而提出横向初始缺陷与横向位移因素检算指标R1l，并推导其表达式，以便在极限承载力简化检算方法体现这两方面因素的影响。 3采用Ritz法推导非均匀横撑布置时的拱结构侧倾临界荷载。提出采用非线性规划方法，优化横撑布置。将弹性侧倾临界荷载的表达式代入非线性规划软件Lingo，运用序列线性规划方法求解横撑间距优化问题。为了提高求解效率，采用启发式方法生成初始解；采用逐次线性规划方法寻找搜索方向；采用最陡边策略，找到使目标值下降最多的变量进行迭代。提出拱圈整体横向刚度因素检算指标R2l，并推导其表达式。以便在极限承载力简化检算方法中体现横向联结系的刚度、位置、数量以及拱肋刚度与间距的影响。 4证明并指出产生非保向力效应的两个基本前提条件：桥面系的侧向抗弯刚度和荷载通过吊杆传递。根据实际钢拱桥的受力特性，采用Ritz法推导保向力与非保向力联合作用下的拱结构侧倾临界荷载。从理论上说明了只有通过吊杆传递的那部分荷载才会产生非保向力效应。引入荷载分配系数概念，体现钢拱桥承担保向力与非保向力的比例。针对实际钢拱桥的分析，得到极限承载力与该系数的关系。提出非保向力效应检算指标R3l，并推导其表达式。以便在极限承载力简化检算方法体现该因素的影响。 5在提出横向初始缺陷与横向位移因素检算指标R11、拱圈整体横向刚度因素检算指标R2l和非保向力效应因素检算指标R3l的基础上，提出综合考虑三方面因素的综合检算指标Rl及其表达式。由此提出钢拱桥极限承载力新的检算方法，R＜Rl，和安全系数K=Rl/R，即在恒载与满布活载作用下，拱肋线性内力的荷载效应指标R小于综合检算指标Rl，则该钢拱未达到极限承载力。通过两个模型试验数据的初步验证、4座钢拱桥极限承载力的检算分析，初步证明本文提出的综合三因素检算方法，具有思路合理、综合考虑主要因素和相对实用的特点。 6系统总结了近40年，国内外几十位学者对钢拱桥极限承载力的研究成果，归纳了拱圈刚度、非保向力等16种因素对钢拱桥极限承载力的影响。通过算例比较了欧洲钢桥规范(Eurocode3)、德国钢结构规范(DIN18800)、日本公路钢桥规范、日本钢结构规范、美国AASHTO规范，以及我国公路桥梁规范和铁路桥梁规范的差异，证明本文的综合三因素检算方法较综合地考虑了影响钢拱桥极限承载力的主要因素。
作者：	万鹏
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	郑凯锋
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文