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大跨度钢管混凝土拱桥承载能力与施工控制研究

张建民  
【摘要】:本文主要研究大跨度钢管混凝土拱桥的承载能力与施工控制理论。以正在施工中的世界最大跨径的钢管混凝土拱桥——巫峡长江大桥(主孔460m)、世界最大跨径的下承式钢管混凝土拱桥——南宁永和大桥(计算跨径350m)的科研项目为背景,提出了一套完整的钢管混凝土拱桥在正常使用、极限承载能力与施工控制的分析理论和计算方法。主要内容如下: 1.提出利用样条有限点法来分析拱结构非线性稳定问题。用3 次B 样条函数来构造结构的位移模式,基于最小势能原理导出了拱式结构的单元刚度矩阵。分析中考虑了材料及几何非线性特征,计算公式简便,易于编程。依本文方法编制了程序,对一典型算例进行了分析。 2.运用拱的挠度理论,推导出考虑结构几何非线性影响的控制微分方程;应用样条有限点法,以三次B 样条函数为位移试函数,导出了拱结构非线性内力分析的新方法。通过对数值算例进行对比分析,计算结果表明,该方法的计算精度与效率令人满意。 3.对钢管内混凝土的收缩徐变特性进行了研究,结合有限元步进法和按龄期调整的有效模量法,编制了相应的计算程序。针对两座大跨度钢管混凝土拱桥设计和施工监控的需要,根据实际划分的施工时段,计算桥梁从施工到成桥以及成桥后任一时刻的内力和变形。计算结果表明,混凝土的徐变能在一定程度改善钢管混凝土拱桥结构的受力状况,钢管混凝土拱桥的内力计算应考虑混凝土徐变的影响。 4.针对大跨度钢管混凝土拱桥在变形、失稳破坏期间产生的材料和几何非线性特性,考虑拱肋初始挠度等缺陷的影响,采用高精度的圆截面梁单元和钢管混凝土组合材料的本构关系,运用全桥结构仿真分析的技术,在得到模型试验验证的基础上,对两座大桥在静力荷载作用下的极限承载力进行了分析。 5.首次将最优化计算理论引入到拱桥拱肋吊装计算中,采用一阶分析法来确定拱桥的合理施工状态,求出各施工阶段的扣索索力和拱肋吊装高度,模拟了钢管拱肋的拼装过程,有效地解决了千斤顶斜拉扣挂体系调索次数与方法限制的难题。


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