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大跨中承式钢管混凝土拱桥静力及抗震性能

云迪  
【摘要】: 钢管混凝土以其抗压承载力高、可实现自架设施工等优点被广泛应用于拱桥的建造。目前国内外不仅没有关于钢管混凝土拱桥设计施工的规范、规程,即便现有的桥梁规范其适用跨径也不超过200m,无法满足钢管混凝土拱桥向大跨度发展的需要。对钢管混凝土拱桥的静、动力性能进行系统研究,为设计和施工提供可靠的理论依据具有重要意义。 本文通过大型有限元分析软件ANSYS,对大跨中承式钢管混凝土拱桥的静力及抗震性能进行了深入的理论分析,主要包括以下几部分内容: (1)采用钢管混凝土统一理论组合力学性能指标,结合ANSYS程序的建模功能,详细论述了大跨钢管混凝土拱桥算例有限元建模过程中材料模型及各结构构件单元类型的选取,用经典算例及他人的试验结果、理论分析结果进行验证,建立了大跨中承式钢管混凝土拱桥空间有限元模型。 (2)将自振特性分析与弹性稳定性分析方法相结合,综合考虑动力特性及弹性稳定性两方面因素,研究了荷载工况以及矢跨比、拱肋内倾角、横撑布置等主要结构参数对大跨中承式钢管混凝土拱桥性能的影响。研究表明,设计荷载作用下,随结构参数的变化,结构弹性稳定系数与自振频率呈现不尽相同的变化规律,单纯依据自振特性分析结果评价结构参数取值的合理性,其结论不全面。 (3)考虑几何与材料双重非线性,分别针对全桥模型在桥面上施加设计荷载和拱圈简化模型在拱肋上以吊杆集中力方式施加桥面系荷载两种模式,深入研究了大跨中承式钢管混凝土拱桥在设计荷载作用下的失稳全过程,重点对比分析了桥面系非保向力作用在结构由加载直至破坏全过程中对结构静力稳定性能的影响。分析表明,设计荷载作用下结构一般发生极值点失稳;非保向力作用对结构面内外刚度均有较大贡献,考虑非保向力作用与否对结构弹性阶段承载力及弹塑性稳定系数均有较大影响;非线性因素对结构静力稳定性影响显著,弹性稳定系数明显高于弹塑性稳定系数,且二者的比值不宜做定值考虑。 (4)对大跨中承式钢管混凝土拱桥进行了多遇地震作用下的弹性时程分析,研究了几何非线性、行波效应、地震动输入维数等因素及矢跨比、拱肋内倾角和横撑布置等结构参数对多遇地震作用下结构地震响应的影响。研究表明,对跨度超过300m的大跨钢管混凝土拱桥进行抗震验算时宜考虑几何非线性的影响;场地条件为中软场地土时,行波效应对结构地震响应的影响随场地条件、地震动频谱特性、结构动力特性、截面位置和响应的不同而不同;当行波波速超过1200m/s-1500m/s时,行波效应对结构地震响应的影响减小,结构地震响应值趋于一致激励时的响应值。 (5)对大跨中承式钢管混凝土拱桥进行了强震作用下的弹塑性动力时程分析,采用拱肋位移、位移延性系数、应变能以及塑性应变能等多项特征响应指标,详细分析了结构在强震作用下的动力破坏全过程,指出了大跨中承式钢管混凝土拱桥强震作用下的破坏机理及模式。研究表明,大跨中承式钢管混凝土拱桥强震作用下的动力破坏是位形变化及塑性发展共同作用的结果,仅根据位移响应指标评价结构强震作用下的抗震性能是不全面的,有必要依据多项特征响应指标评价结构强震作用下的抗震性能。


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