桥梁钢管贝雷式支架受力精细化分析与设计计算方法研究

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随着我国大跨度桥梁不断涌现,大型、超高的钢管贝雷式支架越来越频繁地被应用于桥梁建设中。而钢管支架和贝雷梁的稳定问题比较突出,是桥梁施工中的主要风险来源。目前在进行钢管贝雷式支架设计时,一般是把贝雷梁视为等效梁结构,忽视杆件的局部稳定对结构整体受力的影响,对贝雷梁的整体与局部破坏模式还未有全面的认识;而下部的钢管支架在计算时计算长度取值和横向连接还不规范,这些因素增加了钢管贝雷式支架应用的风险。因此有必要对钢管柱贝雷式支架的合理构造和设计方法展开研究,规避施工中风险,该研究成果具有一定的工程应用意义。主要研究内容如下:(1)基于贝雷销轴的精细化接触分析方法,建立了贝雷梁实体有限元模型,通过不同侧向支撑间距下的稳定分析,获得了结构的破坏模式及稳定承载力,进一步探究了缺陷对不同破坏模式下的稳定承载力影响。分析结果表明:销轴结构具有极大的安全储备,结构进入塑性阶段时的轴力远大于弦杆容许轴力。贝雷梁的侧向支撑间距对结构的失稳模式起决定性作用,当侧向支撑间距小于5m,结构发生局部失稳。当破坏模式为整体失稳时,结构的稳定承载力对整体缺陷较为敏感,而破坏模式为局部失稳时,弦杆的面外局部缺陷为主要影响因素。(2)在实体模型的基础上,建立了简化杆系有限元模型,通过不断加强贝雷梁各已失稳的杆件,得到贝雷梁各杆件的失稳模式和稳定承载力,并探究了支撑架布置形式对贝雷梁稳定承载力的影响。计算结果发现,贝雷梁各杆件的失稳顺序如下:首先是跨中段上弦杆发生面外失稳,其次是支点处竖杆发生面内失稳,最后为梁端处斜杆出现面内失稳。提取各类杆件的稳定承载力,换算而成的长度系数小于0.8。而同时布置竖向和横向支撑架后,贝雷梁发生的失稳模式为支点处竖杆出现面内屈曲失稳,此时单根梁的极限承载力远大于设计使用的容许弯矩。(3)采用弹塑性大挠度有限元法分析了边界条件、几何缺陷、侧向支撑间距、柱顶自由长度和横向连接系布置形式等因素对钢管立柱稳定承载力的影响。结果表明:柱顶自由是最不利的边界条件,在此边界条件下,钢管柱的极限承载力受整体缺陷影响大,而局部缺陷对结构的极限承载力影响程度与整体缺陷幅值呈负相关关系。侧向支撑间距和柱顶自由长度对结构稳定承载力的影响规律类似,当结构的柱顶自由长度和支撑间距小于4m后,稳定承载力的提升幅度就大大降低。对于多根钢管立柱,增大纵桥向的柱间距和布置纵桥向斜撑可改善结构的整体刚度和极限承载力。
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