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钢管混凝土非线性稳定承载能力与可靠度研究

徐腾飞  
【摘要】: 由于具有良好的力学性能,特别是良好的抗压性能,钢管混凝土已广泛应用于建筑结构中,并在桥梁结构中多用作拱桥拱肋。雅泸高速公路中首次采用劲性骨架钢管混凝土做为桥墩。本论文以腊八斤连续刚构桥为研究背景,开展钢管混凝土桥墩稳定性研究,其中最高桥墩达182米,为亚洲第一高墩。本文内容主要包括以下三个部分: 论文的第一部分,在阅读大量国内外文献基础上,综述了钢管混凝土承载能力与可靠度研究现状。并提出了进行钢管混凝土稳定承载能力分析与可靠度研究的课题。 论文的第二部分,主要解决钢管混凝土非线性稳定极限承载能力的问题。首先建议了考虑偏心影响的约束混凝土应力—应变关系,利用退化梁理论编制了钢管混凝土材料非线性分析的有限元程序,并利用弧长法求解钢管混凝土非线性问题。采用钢管混凝土轴压与偏压试验,验证本文非线性有限元程序的正确性。利用非线性分析程序与既有钢管混凝土短柱偏压试验,研究钢管混凝土偏压柱的受力机理。研究结果表明在偏心荷载作用下,核心混凝土部分受拉开裂,开裂程度与偏心率有关。核心混凝土开裂后,混凝土体积膨胀受到抑制,导致套箍效应削弱。钢管混凝土构件在轴向荷载与小偏心荷载作用下,破坏时以混凝土受压破坏为主;大偏心与纯弯构件破坏时,核心混凝土大量开裂,构件破坏形式为钢材受拉屈服,其承载能力主要取决于钢管强度与含钢率;介于小偏心与大偏心之间的构件,其破坏时混凝土部分受拉开裂,钢管混凝土的套箍效应受到削弱。为了解决钢管混凝土稳定极限承载能力的求解,在考虑材料非线性的有限元分析基础上,应考虑几何非线性分析。论文利用U.L列式推导了退化梁单元的几何刚度矩阵。利用已有的钢管混凝土长柱,钢管混凝土拱试验与本文开展的超高墩模型试验,验证了本文的非线性有限元程序的正确性。利用参数分析,考察几何非线性对承载能力的影响。以腊八斤大桥中的钢管混凝土桥墩为例,对混凝土强度等级,钢材型号,轴向荷载偏心距展开参数分析。 论文的第三部分,主要解决钢管混凝土非线性稳定极限承载能力的可靠度分析问题。首先利用蒙特卡罗方法,考察了钢管混凝土短柱轴压极限承载能力概率分布,并得到钢管混凝土轴压短柱可靠度的简化计算公式。其次,介绍了钢管混凝土结构初始几何缺陷的一致缺陷模态法与随机场缺陷法描述两种方法。讨论了随机网格划分数目的上限问题,提出了采用插值技术的随机场网格离散方法,并研究该方法的离散精度。利用已有的文献中的可靠度分析结果,验证了该方法的正确性与有效性。最后,利用响应面理论,建议了钢管混凝结构稳定极限承载能力的可靠度计算方法。利用优化原理,采用序列无约束极小化技术,解决由于非线性引起的FORM验算点搜索困难。利用钢管混凝土柱,钢管混凝土拱与钢管混凝土超高墩的可靠度分析实例,对几何非线性与初始缺陷的影响,稳定系数的取值,钢材、混凝土材料特性与径厚比对可靠度影响等问题展开讨论。


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