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大跨度钢桥极限承载力计算理论与试验研究

康孝先  
【摘要】: 我国在大跨度钢桥建设上某些指标已经赶超世界先进水平,但基础理论研究却落后较多,严重滞后于工程实践。随着我国桥梁建设的发展,钢桥跨径不断增大,广泛采用高强钢并向全焊形式发展,桥塔高耸化、箱梁薄壁化,使结构整体和局部的刚度下降,稳定问题显得比以往更为重要,迫切需要对钢桥结构稳定性和极限承载力等关键技术问题进行深入的理论研究和模型试验。20世纪70年代欧洲发生4次大型钢箱梁桥施工坠梁事故是桥梁稳定性问题研究的新起点,也说明应按极限承载力理论来指导设计。分析桥梁结构的极限承载力,不仅可以用于极限状态设计,而且可以了解桥梁结构的破坏形式,准确地知道结构在给定荷载下的安全储备和超载能力,为其安全施工和营运管理提供依据和保障。 本文在总结和吸取前人对桥梁结构,特别是板钢结构极限承载力研究方面的成果和方法的基础上,采用理论分析和数值计算相结合的方法,对板、板钢结构的极限承载力进行了全面、系统的研究。本文的研究内容如下: 1.钢桥稳定理论和板钢结构极限承载力研究的总结和评述:在对桥梁稳定理论和板钢结构极限承载力研究的历史与现状进行回顾和总结的基础上,就其基础理论、研究思路、分析方法、目前的研究水平等4方面,系统阐述已取得的成果,同时指出了目前板、板钢结构稳定性和极限承载力研究面临的问题,为大跨度钢桥极限承载力研究提供参考。 2.板钢结构极限承载力研究:从含初始弯曲的大挠度方程出发,以薄板厚度的折减系数为摄动参数,将残余应力等效为边界荷载,将实用板(带初始弯曲和残余应力的板)比拟为理想板(完善板),得出板的厚度折减系数和板钢结构厚度折减方程。通过与数值方法和已有的试验数据对比分析验证了折减厚度法的正确性,并全面地分析了初始几何弯曲和残余应力对板钢结构极限承载力的影响。 3.塑性佯谬的研究:回顾了塑性佯谬的研究历史和对可能造成塑性佯谬的原因进行了全面的总结。采用数值方法,对比分析了塑性增量理论和塑性全量理论对受压板塑性屈曲的影响,并对可能造成塑性佯谬的原因进行了分析和对比。根据对塑性屈曲试验的精细分析和理论研究,得出塑性佯谬是解析方法的近似造成的,塑性佯谬在塑性屈曲数值分析中是不存在的。 4.板钢结构极限承载力统一理论研究:将有效宽度法推广到板钢结构的极限承载力分析,得到板钢结构极限承载力统一公式。通过对受压宽板的极限承载力分析验证了统一公式的适用范围;对简支板在均匀受剪、非均匀荷载和复杂荷载作用下的极限承载力分析,系统的研究了统一公式在板钢结构极限承载力分析中的应用;研究了简支板的弹性边界扭转刚度对承载力的影响,将简支板理论推广到板钢结构;与数值方法的对比验证了统一公式的完备性,并给出了适用于复杂板钢结构极限承载力分析的逐步破坏法。结合折减厚度法,考虑板钢结构抗力的随机性得出板钢结构的极限承载力统一理论。 5.板钢结构极限承载力理论的应用研究:采用板钢结构极限承载力统一理论,研究工字形钢板梁在局压、受剪和复杂荷载作用下的极限承载力和受压加劲板的极限承载力,得出比已有理论更加优良的极限承载力公式。通过理论分析结果与试验的对比,验证了理论公式的合理性。 6.基于可靠度理论的板钢结构极限承载力设计方法研究:回顾了我国公路钢桥设计理论的发展和现状,通过国内外主要钢桥设计规范的比较,提出了基于可靠度理论的板钢结构极限承载力设计方法和目标可靠度指标建议值。开发了基于Ansys软件的随机非线性有限元方法,采用该方法分析了板钢结构设计参数随机性对承载力的影响,得出了板钢结构极限承载力概率设计的分项系数。 7.压杆极限承载力研究:采用统一理论研究钢压杆极限承载力,通过修正Shanly模型重新构建了钢压杆极限承载力公式。系统讨论了初始缺陷对钢压杆承载力的影响;对偏心压杆的控制方程进行解析分析,得出双模量理论解高于试验值的直接原因;对钢压杆极限承载力进行概率分析,得出了钢压杆稳定极限承载力概率设计的分项系数。 8.试验验证:以珠江黄埔大桥施工稳定性的试验研究为依托,通过扁平钢箱梁节段试验研究了大跨度斜拉桥施工吊装阶段横隔板的稳定性,并通过局部试验研究了桁架式纵隔板的力学性能。通过试验和数值方法的对比分析,对本文提出的板钢结构极限承载力理论进行了验证。


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