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高墩大跨径连续刚构桥墩身稳定分析及参数优化

董晓梅  
【摘要】: 高墩大跨径连续刚构桥外形匀称、简洁,适于跨越沟谷,满足高等级公路对线形要求。然而,墩高壁薄的特点带来桥梁的稳定问题不容忽视,与强度具有同等的重要性。通过高墩墩身截面参数优化来节省全桥造价,效果显而易见。本文以济晋高速公路大跨径连续刚构桥—雨泼沟大桥为工程背景,使用大型有限元程序ANSYS,研究了该桥的高墩非线性稳定性。比较了单薄壁空心墩、双肢薄壁空心墩非线性稳定性,并以稳定系数及强度为主要约束条件,对墩身截面进行了优化设计。 本文对目前桥梁结构稳定研究的现状及基本理论进行了评述,探讨了桥梁结构两类稳定问题的基本理论及基于能量原理的简便算法;研究了桥梁结构线性、非线性有限元计算方法。采用退化的实体单元(shell63、shell143壳单元)及梁单元模拟桥墩施工和成桥阶段的空间有限元模型,进行施工及成桥阶段特征值、非线性稳定分析。其中非线性稳定分析包括几何非线性和双重非线性(几何、材料非线性)稳定分析。计算结果表明,材料非线性对稳定性的影响较大;考虑双重非线性,稳定系数较线弹性解小得多;对于中等高度的大跨径连续刚构桥,最大悬臂施工阶段是稳定最不利阶段。 在研究雨泼沟大桥的非线性稳定问题的基础上,对单薄壁空心墩、双肢薄壁空心墩进行方案比选。结果表明,对本文工程实例(72米墩高)而言,双肢薄壁空心墩方案优于单薄壁空心墩方案。对墩身系梁位置及个数的设置对桥梁结构稳定性影响进行了分析,为减小局部应力集中,墩身中部设置一道系梁即可。 使用有限元程序ANSYS的优化模块,采用一阶优化法,以强度及非线性稳定性为主要控制条件,对双肢薄壁空心墩墩身截面尺寸进行了优化。优化后的墩身比工程实际节省了26%的混凝土体积。最后,提出了分析中还有待解决的问题。


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