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原文传递钢筋混凝土肋拱二阶设计方法研究

论文题名：	钢筋混凝土肋拱二阶设计方法研究
关键词：	钢筋混凝土肋拱;偏心增大系数;当量长度;二阶效应;神经网络;大跨径拱桥
摘要：	现今，对于大跨径拱桥均开始考虑几何、材料非线性影响，按二阶弹塑性理论进行特殊设计。对于大量的中、小跨径的拱桥，设计时仍按规范中提出的简便的近似方法来考虑二阶效应，即将拱肋视为偏心受压构件，引入偏心增大系数η来考虑拱肋变形对内力的影响。在设计规范中，偏心距增大系数计算方法是按无侧向荷载的两端等偏心距受压柱弹性稳定理论建立，并根据试验资料进行刚度修正而提出来的。因其未考虑拱桥特殊的结构形式，特殊的受力特点，故不能恰当地反映拱结构变形对各截面内力的影响。在拱结构中，偏心增大系数的影响因素更多，更复杂。研究钢筋混凝土肋拱的偏心增大系数在中小跨径拱桥设计中具有现实意义，而国内外对此研究较少，因此有必要对钢筋混凝土肋拱的偏心增大系数进行专门研究，提出简便、合理及适用的钢筋混凝土肋拱的二阶设计方法。针对工程中常见的悬链线、抛物线及圆弧线无铰拱，本文就以下几个方面进行了研究。对不同约束条件及荷载形式的抛物线曲杆的弹性极限状态进行了分析，在一些假设基础上，推导出与偏压直杆类似的控制截面弯矩增大系数表达式；从拱的挠度理论出发，在一些假设基础上，得到竖向均布力及拱顶集中力作用下，抛物线无铰拱拱脚截面及两铰拱拱顶截面与偏压直杆类似的弯矩增大系数表达式。可以看出弯矩增大系数随轴力增大而增大，且与约束条件及荷载形式相关，拱结构弯矩增大系数与偏压直杆弯矩增大系数有较大差别。利用非线性有限元方法，采用位移扰动，对拱结构整个受载过程进行跟踪分析，考虑拱屈曲前的非线性变形，分析了矢跨比、跨径及矢高与回转半径的比值变化对拱结构屈曲临界力的影响，认为拱结构考虑二阶效应的屈曲临界力与线性屈曲临界力的比值Ns/Ncr，随着矢跨比的减小而减小，随着跨径的增大而增大，随着矢高与回转半径的比值的增大而增大。重点讨论了坦拱矢高与回转半径的比值对屈曲形式(对称屈曲、反对称屈曲)的影响，对于矢跨比较大的陡拱，屈曲形式多是反对称分支屈曲，拱结构考虑二阶效应的屈曲临界力与弹性屈曲临界力基本接近；对于无铰拱，到达临界点后，承载力开始缓慢降低；对于两铰拱，到达临界点后，承载力可能会缓慢上升一段后才开始下降。指出弹性稳定理论中的计算长度与η-l0法中的计算长度概念的不同。拱的失稳挠曲线与实际荷载作用下拱的挠曲线形状往往并不相同，将拱的弹性失稳的计算长度用于计算二阶弯矩的η值公式，不能得出正确的结果，由此提出拱的当量长度的概念。拱结构当量长度的主要影响因素为：矢跨比、荷载比(H/Hc)及几何长细比(S/rw)。对于矢跨比、拱轴系数相同的悬链线无铰拱，荷载比一定时，无论跨径变化还是截面变化，只要拱结构几何长细比(S/rw)不变，控制截面的当量长度系数就保持不变。通过对1080个拱肋模型进行非线性有限元分析，根据分析结果，得到不同荷载形式及不同矢跨比条件下，当量长度系数与几何长细比之间形如“y=A+Be(Cx)”的函数关系式。通过对国内外结构设计规范及一些学者关于钢筋混凝土偏压构件截面有效刚度的计算方法进行分析比较，指出各个计算公式的优、缺点。最后综合各有效刚度计算方法的优点，在一组既有试验数据的基础上，通过数据拟合，提出新的有效刚度计算方法。结合拱的当量长度计算公式，建立钢筋混凝土肋拱考虑二阶效应的内力求解方法。以人工神经网络理论为基础，选用自适应参数的BP算法模型，编写出基于自适应参数BP神经网络的钢筋混凝土肋拱偏心距增大系数预测系统。通过两个算例，对其求解能力予以测试。测试表明本方法取得较好的效果，为基于试验的参数确定提供了新的思路。
作者：	卫星
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	强士中
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