钢管混凝土哑铃形截面拱空间受力性能试验研究

进行了钢管混凝土哑铃形拱的面外受力性能试验,与钢管混凝土单圆管拱的面外试验进行了对比,采用经试验验证的有限元模型进行了面外极限承载力的参数分析。研究结果表明:模型拱面内以受压为主,而面外则是以跨中受面外弯矩为主,模型拱最后发生了整体面外失稳破坏,破坏时在跨中与拱脚截面材料进入塑性;模型拱的受力状态中,面外弯矩所占比重最大,约为71%~78%;其面外极限承载力小于面内极限承载力,下降的幅度与面内外荷载比、面外刚度以及截面类型有关;腹腔高度和宽度的增大引起哑铃形截面刚度和极限承载力增大,腹腔高度增大33%或宽度增大50%,模型拱的面外承载力增加约11%~17%或10%~14%;钢管混凝土哑铃形截面拱面外承载力计算方法的构筑中面外抗弯刚度是决定性参数,同时要综合考虑面内抗弯刚度和抗扭刚度的影响;而分支屈曲荷载与极限承载力的比值分析表明,实际工程中钢管混凝土哑铃形截面拱面外屈曲系数大于4是有安全保障的。     

大跨径铁路钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析

以现有拱桥稳定计算理论为指导,建立了格丑沟特大桥主桥136m跨度铁路钢管混凝土系杆拱桥的空间有限元模型,给出了该桥在特定的荷载工况下的稳定系数及失稳模态,结果表明：结构的失稳主要表现在拱肋的面外失稳,弹性屈曲系数均大于一般要求(4~5),弹性稳定满足要求．考虑了非线性影响,对拱肋进行了逐级加载,得到了拱肋的极限荷载,并给出了拱肋达到极限荷载时各控制截面的竖向位移和横向位移,通过比较得出材料非线性对本桥稳定的影响大于几何非线性的影响．并以大量计算结果为依据,揭示了横撑布置形式、拱肋内倾角、矢跨比对该桥稳定性的影响．     

钢管桁架拱平面内失稳与破坏机理的数值研究

对两铰圆弧形钢管桁架拱的弹性及弹塑性失稳机理及承载性能进行了深入研究,考虑了全跨和半跨水平均布荷载、跨中及1/4跨集中荷载等多种类型的荷载效应。分析了钢管桁架拱在不同荷载作用下的失稳破坏机理,指出其会发生整体失稳、弦杆局部失稳、腹杆局部失稳以及局部与整体的相关失稳等多种破坏模式。考察了矢跨比、腹杆尺寸、腹杆夹角和截面宽高比等不同参数对钢管桁架拱稳定承载力的影响,为桁架拱稳定设计方法的建立奠定了重要基础。     

悬链线斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载

基于能量分析方法,推导了主拱肋和稳定拱肋拱轴线为悬链线的斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载计算公式,并通过与有限元数值计算结果比较,证明了该计算公式的正确性,进一步验证了所提出的拱肋系侧倾失稳时横撑切向和径向力学模型的适用性,并将拱轴线为悬链线和圆弧曲线的斜靠式拱肋系的侧倾失稳临界荷载进行了比对分析,阐明了圆弧曲线代替悬链线斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载的适用条件。研究结果表明:拱轴线的线型对斜靠式拱肋系的侧倾失稳临界荷载有一定的影响;当稳定拱肋倾角较小时,悬链线拱肋系的侧倾失稳临界荷载与圆弧曲线拱肋系的差异不超过5%;当矢跨比较小时,圆弧曲线拱肋系代替悬链线拱肋系的侧倾失稳临界荷载产生的误差在10%以下,但矢跨比较大时,二者的差异较大,不可等同。     

钢桁腹杆-劲性骨架混凝土(SRC)组合拱极限承载力及简化计算研究

钢桁腹杆-劲性骨架混凝土（SRC）弦杆组合拱是一种新型的组合结构型式,结合了劲性骨架施工方便快捷和组合结构能大幅减轻结构自重的优点,有望进一步提高拱桥的跨越能力,具有良好的应用前景。该文以跨径为420 m钢桁腹杆-SRC组合拱桥的试设计为基础,进行了组合拱极限承载力的模型试验,试验结果表明,模型拱没有出现面外失稳破坏,结构呈整体破坏;组合拱沿拱轴线方向塑性变形速度要远大于沿截面高度方向,最后因塑性区域开展过大而丧失承载能力,破坏模式接近于钢管混凝土拱的极值点失稳破坏。而后对影响组合拱受力性能的参数进行有限元分析表明,组合拱极限承载力随着混凝土外包系数的增加而增大;腹杆与弦杆钢管的外径比可以提高组合拱的极限承载能力,但超过一定范围时,提高不显著;钢腹杆布置形式对组合拱极限承载力影响较大。最后建立了组合拱的极限承载力简化计算公式,可为此类新型组合拱结构的应用提供参考。     

倒三角截面空间桁架拱平面外弹塑性稳定设计方法研究

该文研究了倒三角截面两铰桁架拱和固支桁架拱的平面外稳定性能:首先介绍了倒三角形桁架拱的平面外弹性屈曲荷载,此后采用大挠度弹塑性有限元方法,通过引入纯压正则化长细比和纯弯正则化长细比,分别建立了纯压和纯弯桁架拱的平面外弹塑性稳定设计方法。在此基础上,研究了杆件的变形对桁架拱平面外整体稳定性能的影响,并通过两个相关系数将该影响体现在稳定承载力设计方程中。进一步,依据有限元数值计算结果,提出了全跨水平均布荷载或半跨水平均布荷载作用下桁架拱的轴力和弯矩稳定承载力设计方程,供倒三角截面桁架拱平面外稳定性设计。     

钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力试验研究

进行了钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力全过程的试验研究。研究表明,在面内和面外荷载共同作用下,面内的受力性能对初始缺陷的敏感性要大于面外受力;面外变形是钢管混凝土单肋拱极限承载能力的主要控制因素;与面内受力相反,空间受力时,几何非线性成为钢管混凝土拱的非线性性能与极限承载力的主要影响因素,材料非线性降为次要的影响因素。对应用通用程序进行钢管混凝土拱空间受力双重非线性有限元分析进行了探讨。     

中承式钢管混凝土拱桥动力特性分析

中承式钢管混凝土拱桥结构的振动问题较为突出,因此,其结构动力特性引起广泛关注。基于收集到的158座国内已建成的中承式钢管混凝土拱桥的设计资料,统计分析该桥型的主要结构设计参数和构造特征,进行基准桥梁试设计。采用Midas Civil空间有限元分析软件,建立了有推力和无推力中承式钢管混凝土拱桥动力计算的基准有限元分析模型,分析比较其动力特性;并进一步探讨了无推力中承式钢管混凝土拱桥在矢跨比、宽跨比、主拱肋刚度、横撑布置方式、吊杆失效以及支座布置等参数变化时桥梁结构动力特性的改变。结果表明:大跨径中承式钢管混凝土拱桥具有密集高阶模态的特点,且桥面板、拱肋的耦合振动明显;对无推力中承式钢管混凝土拱桥,在常用取值范围内,主要设计参数对结构动力特性的影响较小,合理布置横撑及增大桥面宽度,可明显改善结构的横向稳定性。     

波形钢腹板钢管混凝土模型拱面内极限承载力试验研究

进行了波形钢腹板钢管混凝土模型拱的面内两点非对称和对称加载试验。对模型拱的挠度、钢管应变、波形钢腹板应变、极限承载力等进行了分析。试验结果表明:波形钢腹板钢管混凝土拱是一种受力性能很好的新型组合拱。在这种结构中,波形钢腹板与钢管混凝土弦杆均能发挥其各自的优势。它与钢管混凝土单圆管和哑铃形拱相比,刚度与承载力有了很大提高;与钢管混凝土桁拱相比,避开了节点破坏问题,模型拱呈总体破坏特征,从而使其延性与极限承载力明显提高。有限元分析表明:在承载力分析中应考虑双重非线性的影响。极限承载力简化计算不能采用钢筋混凝土拱的极限状态法,而可以采用钢管混凝土单圆管和哑铃形拱中的等效梁柱法。     

混凝土两铰圆弧拱的面内徐变稳定性

结合两铰圆弧拱的面内屈曲微分方程和混凝土徐变的Arutyunyan-Maslov方程,并引入徐变积分算子和失稳条件推导了混凝土两铰圆弧拱的面内徐变临界力计算公式。基于该公式,通过算例讨论了徐变系数和截面含钢率对徐变临界力的影响,并对素混凝土拱、钢筋混凝土拱和钢管混凝土拱的徐变临界力进行了对比。结果表明:对于不同拱肋材料,混凝土徐变均会导致临界力的降低;由于材料组成的差别,徐变对素混凝土拱临界力的影响最大,钢筋混凝土拱次之,而对钢管混凝土拱的影响最小;与已有方法相比,该公式反映了截面配筋率或含钢率对徐变临界力的影响。     

面外支撑非均匀布置的 箱型与圆管截面拱平面外弹性屈曲

在面外设置离散支撑,是建筑与桥梁工程设计中提高钢拱面外稳定性采用的有效措施。该文研究了面外支撑沿拱轴线非均匀布置时,箱型与圆管截面两铰拱的平面外弹性屈曲性能。该文首先将拱段间的相互约束作用等效为拱段两端的约束弹簧,采用数值拟合法获得了被约束拱段的平面外弹性屈曲荷载;此后借鉴压弯直构件端部弯矩与转角关系,提出了支撑间拱段的相互约束作用计算方法,并由此得到了面外支撑非均匀布置时,钢拱的平面外弹性屈曲荷载迭代计算步骤。根据该文提出的方法所获得的离散支撑钢拱的平面外弹性屈曲荷载与有限元计算结果吻合较好。     

张弦梁平面外弹性稳定性能研究

无平面外支撑的张弦梁在平面内受荷过程中可能发生平面外失稳。该文首先将张弦梁的平面外失稳分为索撑体系的失稳和张弦梁整体失稳,并采用平衡法和能量法对索撑体系的稳定性进行研究;其次对于张弦梁平面外整体失稳,指出将撑杆和拉索的作用等效为集中力、提取钢梁进行稳定设计的方法并不安全;该文采用Ritz法建立张弦梁的势能方程,结合势能驻值原理,得到张弦梁在全跨均布荷载和纯弯荷载下的平面外弹性屈曲荷载,结果与有限元吻合较好。该文得到的张弦梁平面外屈曲荷载计算公式对其平面外稳定设计具有参考作用。     

圆弧拱平面外弹性弯扭屈曲临界荷载分析

该文从采用经典平衡理论推导了双轴对称纯压、纯弯圆弧拱的平面外弯扭屈曲方程,给出了两铰圆弧拱的平面外屈曲荷载解析解,其中考虑了截面翘曲刚度、荷载作用位置等参数的影响。推导中进行适当的近似,使过程更加简化和直观。对3 种不同形式均布径向荷载的情况进行了讨论,并与有限元结果进行了对比。研究表明,3 种均布径向荷载中以静水压力作用下屈曲荷载最高,该文提出的双轴对称截面纯压、纯弯两铰圆弧拱的平面外屈曲荷载解析解与有限元数值解吻合良好。     

圆管拱结构平面外弹塑性二次分岔屈曲性能

该文使用一种新的数值跟踪策略对无平面外支撑和有顶点平面外支撑的弹塑性圆管拱的平面外二次分岔屈曲的荷载-位移曲线的全过程进行跟踪分析,得到了跨中集中荷载和全跨均布荷载作用下,相同截面不同矢跨比的拱的平面外弹塑性二次分岔屈曲荷载,将其与平面内二次分岔屈曲荷载比较。计算结果表明:对于具有相同截面的无平面外支撑弹塑性圆管拱,在跨中集中荷载作用下,平面内二次分岔屈曲荷载小于平面外二次分岔屈曲荷载,平面内二次分岔屈曲会先于平面外屈曲发生,矢跨比0.2 时平面外二次分岔屈曲荷载最大。全跨均布荷载作用下的拱平面外二次分岔屈曲会先于平面内二次分岔屈曲发生;矢跨比0.3 时平面外二次分岔屈曲荷载最大。矢跨比为0.1 时,拱的平面内与平面外屈曲荷载相差最大。对于有顶点平面外支撑拱,在集中荷载作用下,支撑对分岔屈曲荷载作用不明显,只是改变了屈曲形式。全跨均布荷载作用下,支撑可以大幅提高全跨均布荷载作用下拱的平面外屈曲荷载,尤其是对矢跨比小的拱的影响更大一些,平面外二次分岔屈曲会先于平面屈曲发生。     

一座现有拱桥面内失稳的可靠度随机有限元分析

用基于一次可靠度方法的可靠度随机有限元对一座现有的钢筋混凝土拱桥面内稳定性进行剩余可靠度计算,并对影响稳定性可靠度的主要参数进行了灵敏度分析。以随机变量和随机场表示现状荷载(汽车荷载、人群荷载、桥面二期恒载和结构自重)及结构参数(主拱圈弹性模量)。用作者提出的基于线性回归的随机场离散方法离散上述随机场,以有限元稳定分析的解作为复杂结构的隐式功能函数。上述功能以及失稳特征值对基本变量的梯度计算均已包含在作者开发的可靠度随机有限元程序RESFEP中。分析给出此桥稳定性可靠度值。灵敏度分析表明:在各随机变量中,拱肋弹性模量随机场离散变量对拱桥可靠度指标影响最大,汽车荷载随机场离散变量次之;在各随机变量的均值和标准差中,拱肋弹性模量随机场离散变量均值和标准差对拱桥可靠度影响最大,汽车荷载随机场离散变量的均值和标准差次之。     

内侧交错布索索拱结构面内弹性稳定的研究

基于小挠度理论,推导了两类内侧交错布索-索拱结构(等长均布式和两端辐射式)在径向均布荷载作用下面内弹性挠曲的总势能方程。基于能量变分原理,采用Ritz法求解两类索拱面内弹性屈曲临界荷载及屈曲形态,讨论了结构参数对弹性屈曲临界荷载的影响。结果表明:该文方法具有较高的精度和效率。拱的轴向伸缩和剪切变形对临界荷载的影响很小,可忽略不计。第一类索拱面内的屈曲形式为反对称,而第二类索拱,多数情况为反对称,少数为正对称。内侧交错布索对提高拱结构的整体稳定性效果显著。两类索拱的临界荷载随索截面积的增加而增加,随拱长细比的增加而减小,随拱矢跨比的增加而先增加后减小。初始张拉力对临界荷载的影响较小。     

闭合截面压弯钢拱的平面外稳定性能研究

该文针对压弯作用下闭合截面圆弧拱的平面外弹性屈曲性能及稳定设计方法进行研究。首先通过势能驻值原理分析均匀轴压力和弯矩同时作用下,钢拱的平面外弹性屈曲性能。在此基础上,在弹塑性范围内讨论弯矩对钢拱的平面外稳定削弱作用,推导得到考虑弯矩作用的压弯钢拱正则化长细比,进而将压弯钢拱的平面外稳定问题简化为纯压钢拱的稳定问题。该文提出的压弯钢拱平面外稳定设计方法与数值分析计算结果吻合较好,可用于钢拱的平面外稳定承载力设计。     

宜宾长江公路大桥斜拉桥抗震性能评价

采用单梁式有限元模型对宜宾长江公路大桥斜拉桥的动力特性和地震响应进行了计算,考虑了桩-土相互作用和群桩效应,采用反应谱法和时程分析法对该桥进行了地震反应的对比分析。计算结果表明:桥梁结构的抗震性能满足要求;抗震结构体系采用弹性索梁-塔连接体系是合适的,还可进一步降低弹性索刚度或者采用弹性索+阻尼器体系来减小桥梁地震反应;建议大跨度斜拉桥应该采用反应谱法和时程分析法同时计算,结构内力和变形以这两种方法计算结果的较大值作为抗震设计的依据。