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大跨径钢管混凝土拱桥稳定性及极限承载力研究

作　者: 曾昭东
导　师: 李传习；肖勇刚
学　校: 长沙理工大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 钢管混凝土拱桥稳定性极限承载力几何非线性材料非线性
分类号: U441
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 351次
引　用: 11次
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内容摘要

钢管混凝土拱桥以其特有的优点,被广泛地采用。随着拱桥跨径以及结构承受荷载的增大,钢管拱在施工阶段及运营阶段的稳定性与极限承载力问题显得更加突出。大跨度钢管混凝土拱桥稳定性及极限承载力的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文总结了国内外学者在钢管混凝土拱桥稳定及极限承载力分析方面的研究成果,系统地阐述了钢管混凝土拱桥稳定及极限承载力的相关理论。以汉中市汉江城市桥闸工程钢管混凝土拱桥为工程背景,运用大型有限元软件ANSYS对其拱肋混凝土灌注过程及成桥阶段的五种工况进行了特征值屈曲分析、几何非线性屈曲分析和双重非线性屈曲分析;还对其进行了有关参数分析,量化了矢跨比、横向联系、拱轴线的偏移等物理几何特性指标对钢管混凝土拱桥成桥使用阶段稳定与极限承载力的影响。为该类桥梁的设计与施工提供了有意义的参考。并指出了ANSYS中的梁单元在处理核心混凝土的材料非线性时不能考虑拉裂及由此引起截面形心变化的不足。针对ANSYS的不足,本文选用了能反映钢材和核心混凝土受力特性的本构关系,考虑了核心混凝土的拉裂及由此引起截面形心变化,运用空间杆系有限元理论、钢管混凝土材料纤维理论的研究成果和改进的空间梁单元截面刚度计算的Cranston方法,开发了考虑钢管混凝土拱桥空间双重非线性极限承载力分析程序,对某钢管混凝土拱肋用所编程序进行计算,并将计算结果与ANSYS的计算结果、试验结果进行对比,表明自编程序具有较高的精度,且钢管混凝土拱桥稳定与极限承载力分析中混凝土拉裂较大地降低了其稳定与极限承载力。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-18
  1.1 钢管混凝土结构的发展概况  11-12
  1.2 钢管混凝土构件的基本工作原理及其特点  12
  1.3 钢管混凝土构件设计理论的发展  12-14
  1.4 国内外研究现状  14-16
  1.5 本文的背景与主要研究内容  16-18
第二章钢管混凝土拱桥稳定性与极限承载力分析的相关理论及方法  18-34
  2.1 极限承载力的概述  18
  2.2 稳定性分析的相关理论  18-21
    2.2.1 稳定理论  18-19
    2.2.2 弹性屈曲分析  19-20
    2.2.3 非线性屈曲分析  20-21
  2.3 钢管混凝土拱桥结构非线性分析  21-34
    2.3.1 几何非线性理论的概述及空间有限元理论  22-28
    2.3.2 材料非线性有限元理论  28-32
    2.3.3 双重非线性有限元法  32-34
第三章钢管混凝土拱桥稳定性与极限承载力研究在 ANSYS 中的实现  34-53
  3.1 大型有限元软件 ANSYS 相关理论介绍  34-44
    3.1.1 有限元方法概述  34-35
    3.1.2 ANSYS 软件的发展及特点  35-36
    3.1.3 结构计算模型简化及单元选取  36-38
    3.1.4 ANSYS 的相关单元介绍  38-40
    3.1.5 ANSYS 中特征值(线性)屈曲分析的基本过程  40-41
    3.1.6 ANSYS 中几何非线性屈曲分析的基本过程  41-43
    3.1.7 ANSYS 中双重非线性屈曲分析的基本过程  43-44
  3.2 拱肋混凝土灌注施工稳定性分析  44-47
    3.2.1 基本假定  45
    3.2.2 荷载的考虑  45
    3.2.3 计算工况的选取及计算结果  45-46
    3.2.4 结论  46-47
  3.3 成桥阶段稳定性分析  47-48
  3.4 影响成桥阶段稳定性的参数分析  48-52
    3.4.1 矢跨比对全桥稳定性的影响  48-49
    3.4.2 拱肋横向联系对全桥稳定性的影响  49-51
    3.4.3 拱轴线偏移对全桥稳定性的影响  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章空间杆系有限元程序的编制  53-73
  4.1 空间杆系局部坐标系内的单元刚度矩阵  53-55
  4.2 局部坐标系与整体坐标系的转换矩阵  55-58
  4.3 几何非线性在程序中的实现  58-66
    4.3.1 CR 列式法  58-61
    4.3.2 非线性方程组的求解  61-64
    4.3.3 二分法  64-65
    4.3.4 收敛准则  65
    4.3.5 几何非线性程序流程图  65-66
  4.4 材料非线性在程序中的实现  66-73
    4.4.1 Cranston 法  67-70
    4.4.2 材料非线性迭代过程  70-73
第五章空间杆系有限元程序的验证  73-78
  5.1 程序说明  73
  5.2 程序的验证  73-78
    5.2.1 空间梁单元几何非线性验证  73-76
    5.2.2 钢管混凝土拱肋极限承载力验证  76-78
结论及展望  78-80
  本文主要工作  78
  本文的主要成果  78-79
  展望  79-80
参考文献  80-83
致谢  83-84
附录 A  84

大跨径钢管混凝土拱桥稳定性及极限承载力研究

内容摘要

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