钢管混凝土拱桥多层面力学性能及稳定承载力研究

发布时间：2020-04-13 07:24

【摘要】：钢管混凝土拱桥作为重要的交通基础设施,一旦发生失稳破坏将造成巨大的财产损失和社会负面影响,因此,保证钢管混凝土拱桥结构的稳定性安全性至关重要。本文以合山红水河钢管混凝土拱桥为工程背景,从“材料层面”、“构件层面”和“结构层面”对钢管混凝土拱桥的材料本构关系、构件和结构的稳定承载力开展了系统的研究。研究成果对类似钢管混凝土拱桥结构的设计及后期结构的优化具有一定的参考意义。主要研究内容及研究成果如下:(1)考虑受力过程中轴向压缩变形和侧向挠曲变形对钢管混凝土构件两端距离改变量的影响,同时引入“弦割法”自适应调整迭代参数,提出了改进的纤维模型法。结合轴压和偏压试验数据库,计算了荷载-变形曲线，·并通过与传统的纤维模型法对比,验证了本文建立的改进纤维模型法的合理性、优越性和适用性。(2)建立了圆钢管混凝土构件的材料本构关系修正模型和承载力失效判据。首先,考虑钢管混凝土中钢管在不同受力状态下具有不同的力学表现,修正了钢管的本构模型;然后,依据大批量试验数据,通过回归分析建立了核心混凝土峰值应力、残余应力段系数和套箍作用折减系数的表达式,据此建立了核心混凝土的修正本构模型。进一步地,依据承载能力极限状态,并充分考虑不同类型钢材力学性能指标不同,建立了圆钢管混凝土构件的自适应承载力失效判据。在此基础上,依据本文的改进纤维模型法,计算了圆钢管混凝土轴压、偏压和纯弯构件的极限承载力和荷载-位移全过程曲线。最后,通过与大批量试验数据、搜集的圆钢管混凝土材料本构关系和构件失效判据进行对比和分析,验证本文建立的圆钢管混凝土材料本构关系和构件承载力失效判据的精度及适用性。(3)研究建立了具有较高计算精度的圆钢管混凝土构件的抗弯承载力计算模型。首先,分析了钢管混凝土受弯构件塑性发展系数的影响因素,并利用传统的纤维模型法,通过回归分析建立了圆钢管混凝土构件的塑性发展系数模型,据此建立了圆钢管混凝土构件的抗弯承载力计算模型。然后,基于纯弯试验数据库,与搜集的规范中的计算模型进行了对比分析,验证了本文模型具有最高的计算精度。进一步地,引入稳定性影响,利用改进的纤维模型法,通过回归分析建立了圆钢管混凝土构件的齐次广义屈服函数。最后,利用齐次广义屈服函数计算构件的承载力,计算结果与试验结果吻合良好,验证了本文建立的齐次广义屈服函数的精度和合理性。(4)利用线弹性迭代方法——弹性模量缩减法分析了钢管混凝土拱桥的稳定承载力。首先,利用本文建立的齐次广义屈服函数,建立了钢管混凝土拱桥稳定承载力分析的线弹性迭代方法——弹性模量缩减法,并通过与模型试验拱的对比分析,验证了本文方法具有较高的计算精度、计算稳定性和计算效率。然后,以合山红水河钢管混凝土拱桥为背景进行工程实例的应用分析,开展了全桥主要荷载工况下的受力性能分析和温度荷载工况下的参数分析,研究结果可为类似钢管混凝土拱桥结构的设计参数取值提供参考。最后,基于本文建立的齐次广义屈服函数,利用弹性模量缩减法分析了合山桥在基本荷载组合下的稳定承载力,从而评估了该桥在构件和结构两个层面的安全性,为后续结构优化奠定了基础。
【图文】：

示意图,安全事故,拱桥

（ｅ）藏木雅鲁藏布江特大桥逦（ｆ）平南三桥逡逑图１－１邋ＣＦＳＴ拱桥示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＣＦＳＴ邋ａｒｃｈ邋ｂｒｉｄｇｅ逡逑ＣＦＳＴ拱桥作为重要的交通基础设施，一旦发生整体失稳将造成巨大的生命、财产逡逑损失，影响社会稳定。如１９９６年在武隆县建成的峡门口乌江二桥，由于脱空缺陷导致逡逑该桥的承载力安全性不足而被宣布报废拆除，该桥使用时间不足８年［１］，如图２（ａ）所示；逡逑２００２年建成通车的合川市合阳嘉陵江大桥，，由于主拱肋灌注不密实，为保证结构整体安逡逑全，目前该桥行车通行量少，大型货车更是严禁通过［２］，如图２（ｂ）所示；此外，还有因逡逑整体承载力不足而导致的安全事故，如图２（ｃ）、（ｄ）所示。由此可见，研宄分析ＣＦＳＴ拱逡逑桥的整体承载力对于ＣＦＳＴ拱桥的设计、优化与施工控制具有重要意义。且随着ＣＦＳＴ逡逑拱桥跨径的逐渐增大，保证ＣＦＳＴ拱桥结构的整体稳定安全更为重要。逡逑２逡逑

试验曲线,创新点,延展性,钢管

图１－３本文研究路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｒｏａｄｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｉｓ邋ｐａｐｅｒ逡逑１．３．３创新点逡逑（１）从材料层面出发，充分考虑不同型号钢管延展性能的差异，依据承载能力极逡逑限状态，引入钢管应变强化段的影响，建立了圆钢管混凝土（ＣＦＳＴ）构件的极限承载力失逡逑效判据，计算的轴压、偏压和抗弯承载力与试验结果吻合良好，相比于搜集的其他失效逡逑判据，能更加准确预测材料参数不同的ＣＦＳＴ构件的承载力。同时，根据大批量试验数逡逑据，重新拟合了邋ＣＦＳＴ构件核心混凝土的峰值应力、残余变形系数和套箍作用折减系数逡逑等参数的计算表达式，建立了邋ＣＦＳＴ材料本构关系模型，计算曲线与轴压、纯弯和偏压逡逑构件的试验曲线均能较好吻合，且较搜集的其他本构关系而言计算精度更高。逡逑（２）考虑轴压中、长柱和偏压柱在受压过程中的轴向压缩变形和侧向挠曲变形引逡逑起的杆端距离改变，改进了传统的纤维模型法理论，同时采用“弦割法”对算法进行优逡逑化，建立了高精度和高计算效率的改进纤维模型法。改进的纤维模型法克服了传统纤维逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.22

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