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原文传递斜靠式拱桥设计若干问题研究

论文题名：	斜靠式拱桥设计若干问题研究
关键词：	斜靠式拱桥;拱桥设计参数;有限元法;力学性能;矩阵法
摘要：	随着桥梁事业的飞速发展，人们对桥梁的要求已不仅仅是满足交通的需要，对桥梁的景观要求也越来越高，斜靠式拱桥因其结构新颖美观，造型独特，富有曲线美和力度感，往往成为我国城市景观桥梁的优选方案。由于斜靠式拱桥受力及构造复杂，空间效应明显，再加上斜靠式拱桥建造的数量较少，国内外的研究成果相对较少，从而限制了该桥型的发展。因此，开展斜靠式拱桥设计参数研究具有重要的理论意义和实用价值。本文根据斜靠式拱桥的结构特点，采用有限元程序MIDAS/Civil建立斜靠式拱桥的空间有限元计算模型，用空间梁单元模拟系梁、端横梁、中横梁、小纵梁和拱肋等构件，用板单元模拟桥面板，用只承受拉力的桁架单元模拟吊杆。采用影响矩阵法确定吊杆的初张力，将计算所得的吊杆初张力输入程序计算得到的桥梁在成桥状态下的吊杆张力计算值与设计值吻合良好。利用所建立的桥梁有限元计算模型，对斜靠式拱桥拱肋的合适倾角及外吊杆张拉角度进行了探讨，确定了合理的拱肋倾角设置范围及外吊杆张拉角度。在此基础上，探讨了拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥的静力性能、动力性能和稳定性能的影响。本文的主要工作和成果如下： 1．采用影响矩阵法确定吊杆的初张力，将计算所得的吊杆初张力输入有限元模型进行计算，得到成桥状态下吊杆所受的张力计算值和设计值吻合良好，从而为确定桥梁的初始平衡位置提供了保证。 2．主拱肋和稳定拱肋合适的拱肋倾角及合适的外吊杆张拉角度是影响斜靠式拱桥设计质量的一个重要因素，本文探讨了主拱肋和稳定拱肋的合适倾角设置及外吊杆合适的张拉角度，根据计算结果，确定了斜靠式拱桥主拱肋合适的拱肋倾角范围：外倾0°～1.5°为宜，外倾1°时最为合适；稳定拱肋合适的倾角范围：内倾8°～12°为宜，内倾10°最为合适。通过计算可知，当斜靠式拱桥的外吊杆与稳定拱肋不共面，加大外吊杆的张拉角度可以有效地减小斜靠式拱桥拱肋项部的横向位移，从而使斜靠式拱桥的组合拱肋可以较好地保持平衡稳定状态。 3．拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥静力性能的影响： (1)主拱肋倾角变化对斜靠式拱桥静力性能的影响：主拱肋倾角的增大对桥梁构件所受剪力、扭矩、弯矩等影响不大，但是对桥梁构件所受的轴力影响较大，系梁所受轴力随着主拱肋倾角的增大而增加，主拱肋所受的轴力随着主拱肋倾角的增大而明显减小，稳定拱肋所受的轴力随着主拱肋倾角的增大而增加：主拱肋倾角的变化对桥梁位移影响很小，调整主拱肋倾角不是控制拱肋顶部横向位移的有效措施。 (2)稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥静力性能的影响：稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥内力影响比较大，系梁所受轴力和剪力-Z随着稳定拱肋倾角的增大而减小，弯矩-Y和扭矩均随着稳定拱肋倾角的增大而增大，变化比较明显；稳定拱肋倾角的变化对主拱肋内力的影响相对系梁而言较小，但是对主拱肋所受的横向剪力(剪力-Y)影响较大，横向剪力随着稳定拱肋倾角的增大而增大；稳定拱肋的轴力和横向剪力(剪力-Y)均随稳定拱肋倾角的增大而有较大的增加；稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥横向位移的影响较大，通过调整稳定拱肋的倾角能够较好地控制斜靠式拱桥拱肋顶部横向位移，从而能够较好地保持组合拱肋的自平衡状态。 4．拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥动力性能的影响(1)主拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥自振特性的影响：主拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥自振频率影响比较大，桥梁前5阶自振频率随着主拱肋倾角的增大而增大，特别是前2阶自振频率增加比较明显，桥梁第6阶以后的自振频率先随着主拱肋倾角的增大而增大，但是，当主拱肋倾角一旦超过1°后，桥梁的白振频率相反会减小。 (2)稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥自振特性的影响：稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥的前2阶自振频率影响较大，其随着稳定拱肋倾角的增大而增大，增幅较明显。稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥第3～10阶自振频率影响较小。 5．拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥稳定性能的影响(1)主拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥稳定性的影响：主拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥的前2阶稳定系数影响较大，其随着主拱肋倾角的增大而增大，且增幅较为明显。主拱肋倾角的增大有利于斜靠式拱桥低阶稳定性能的提高，但是不利于高阶稳定性能的提高。 (2)稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥稳定性能的影响：稳定拱肋倾角的变化对斜靠式拱桥稳定性的影响较大，桥梁的第1阶～第8阶稳定性系数均随着稳定拱肋倾角的增大而减小。随着稳定拱肋倾角的增大，稳定拱肋会对主拱肋产生较大的横向推力，从而会使得桥梁的失稳模态发生改变，稳定拱肋倾角的增大不利于斜靠式拱桥稳定性能的提高，在进行斜靠式拱桥设计时，稳定拱肋的倾角不宜太大，以8°～10°为宜。
作者：	孙应桃
专业：	结构工程
导师：	陈淮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文