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大跨度板桁结合主梁斜拉桥极限承载力分析

韦成龙  
【摘要】:混凝土桥面板和钢主桁相结合共同作用的板桁组合结构,因有诸多优点而在我国铁路桥梁特别是大跨度公铁两用斜拉桥中获得应用。但关于这种型式桥梁可供参考的文献极少,桥梁工作者急需全面了解其受力特性,工程设计部门迫切需要一种适合于这种结构的简单有效的分析方法。本文对此进行了研究,提出了一套大跨度板桁结合主梁斜拉桥极限承载力的分析方法: 1.建立了板桁结合主梁斜拉桥极限承载力分析模型;提出了一种能考虑拉伸(压缩)、弯曲、扭转、畸变、翘曲,且能同时计入桁架杆件次应力、桥面板局部弯曲和剪力滞效应影响的板桁结合梁段单元。该单元自由度少,计算成本低;物理概念清晰,便于工程设计应用;板和桁架杆件的位移完全协调,计算结果与试验结果吻合较好。提出了用混凝土桥面板横向有限条带单元及此单元节点位移纵向插值来分析桥面板面外位移的思想;提出了精度较高、考虑因素较全且具有广泛适应性的斜拉桥主梁多参数剪滞翘曲位移函数,以考虑混凝土桥面板面内非均匀纵向变形的影响。用质点总位移等于结构整体变形引起的位移和局部变形引起的位移相迭加思想,形成了该单元的位移模式与位移计算式。 2.基于非线性连续介质力学的基本原理和结构几何非线性有限元分析理论,建立了板桁结合主梁斜拉桥U.L.列式的增量平衡方程,导出了本文提出的板桁结合梁段单元等有关单元的弹性刚度矩阵、几何刚度矩阵、单元应力等效节点力列阵和单元节点截面广义内力的具体计算式。 3.由Chen-Chen提出的混凝土三参数各向同性强化弹塑性模型直接退化,得到了适于本文混凝土桥面板的弹塑性本构矩阵,导出了其中所有元素和参数的表达式;提出了能反映桥面板局部变形对结构塑性流动影响的广义内力塑性系数法,并用此法建立了板桁结合主梁斜拉桥局部与整体变形耦合作用的 空间极限承载力分析弹塑性刚度矩阵,以考虑结构极限承载力 分析中材料非线性的影响。 4.提出了斜拉桥调索计算的斜拉索虚拟温度荷载法,给出 了该方法的计算流程和迭代表达式。该方法能实现调索前后结 构分析计算模型的统一,使斜拉桥的极限承载力分析从恒载开 始成为一气呵成的连续加载计算过程,且能方便地考虑调索过 程中各种非线性因素的影响。 5.提出了分别建立各子单元弹塑性增量平衡方程,利用文 中导出的坐标变换矩阵对子单元平衡方程进行坐标变换,然后 按“对号入座”法则迭加各子单元对整体坐标系下结构刚度方 程的贡献,从而形成板精结合主梁斜拉桥极限承载力分析的结 构U.L.列式增量平衡方程的方法。 6.基于上述分析模型和方法,编制了板析结合主梁斜拉桥 极限承载力分析的计算程序,用中铁(武汉)大桥局芜湖长江 低塔板析结合主梁斜拉桥的全桥模型试验结果和经典算例的 计算结果,验证了本文力学模型、分析方法和计算程序的正确 性。 7.对芜湖长江大桥主航道板析结合主梁斜拉桥进行了多 工况的空间受力特性与极限承载力分析,获得了该桥的安全系 数,初步弄清了该类桥梁的力学特性,得出了一些有参考价值 的结论。


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