【摘 要】
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钢管混凝土(CFST)拱桥由于其线型优美、跨越能力出色、刚度质量比大、施工方便等优点被广泛用于工程实践之中。随着CFST拱桥关键设计技术及架设工艺的突破,拱桥建造跨径呈现逐步增加的趋势,拱肋结构逐渐趋于细长化、柔性化,其稳定性问题已成为制约拱桥跨度发展的主要因素。实际工程中CFST桥梁的结构荷载形式以动力荷载为主,相比于研究广泛的静力稳定问题,关于拱桥动力荷载下的结构稳定问题鲜有涉及,行业标准和现
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“大跨度钢管混凝土拱桥徐变稳定性研究(51678030)”;
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钢管混凝土(CFST)拱桥由于其线型优美、跨越能力出色、刚度质量比大、施工方便等优点被广泛用于工程实践之中。随着CFST拱桥关键设计技术及架设工艺的突破,拱桥建造跨径呈现逐步增加的趋势,拱肋结构逐渐趋于细长化、柔性化,其稳定性问题已成为制约拱桥跨度发展的主要因素。实际工程中CFST桥梁的结构荷载形式以动力荷载为主,相比于研究广泛的静力稳定问题,关于拱桥动力荷载下的结构稳定问题鲜有涉及,行业标准和现行规范也未见相关条文。因此,针对CFST拱桥的动力稳定性开展系统的理论研究具有明确的工程背景和实际意义。论文以大跨度钢管混凝土拱桥为分析对象,结合解析模型推导、数值仿真及开发模拟等研究手段,对拱桥在时变荷载作用下的动力稳定行为开展了一系列理论研究,旨在提出适用于大跨度CFST拱桥的有效的动力稳定分析方法。重点探讨了核心混凝土长期效应对桥梁动力稳定性能的影响机制,并分析了吊杆时变非保向力对长期动力稳定性能的影响规律。本文的主要工作和研究成果如下:(1)针对主动约束混凝土峰值模型对于高强混凝土下的应用局限性,本文建立了新的主动约束混凝土强度预测模型,并在Open Sees开源软件平台上完成了单轴本构模型的开发工作;根据非线性稳定分析理论,针对CFST结构特点,建立了用于结构稳定性分析的精细化数值方法,揭示了CFST拱结构不同荷载工况下的失稳机理,为后续动力稳定分析提供理论依据。(2)结合结构静力和动力失稳特征的联系,根据CFST拱结构在不同工况下的失稳模式差异,提出了适用于任意动力荷载形式作用的动力稳定判别方法和分析流程。以某地震台缩尺试验拱为例进行了地震稳定分析,分析结果验证了提出的动力稳定判别准则的适用性。根据提出的动力稳定分析方法,采用递归算法的数值分析策略,对地震荷载下拱肋的材料参数、几何参数及结构参数进行了敏感性分析。(3)以Mathieu-Hill方程为基础,使用Galerkin法和Bolotin激振理论确定了双重非线性条件下CFST拱在轴压和压弯耦合两种应力状态下的参数振动主要及次要不稳定区域,建立了CFST拱肋在周期荷载作用下参数稳定问题的理论模型和分析方法,并考虑了阻尼和面内对称振动的影响。对实际工程中的某钢管混凝土拱桥进行了参数振动分析,给出了可能的参激振动工况。将推导的失稳区间与能量判别准则确定的主要失稳区域进行了对比,验证了提出的解析模型的适用性。(4)基于逐步积分徐变算法,依托ABAQUS计算平台完成了混凝土的收缩、徐变算法的二次开发工作,与对应的CFST短柱以及CFST拱的徐变后效试验进行了对比分析,验证了提出算法的有效性。以丫髻沙大桥为例进行了地震时程分析,研究了核心混凝土长期效应对CFST组合截面性能演化的影响机制及对动力稳定性的影响规律,并对震后的全桥状态进行了评估。讨论了地震波输入方式、行波效应和混凝土浇筑顺序对CFST拱桥动力长期稳定性的影响。(5)针对吊杆非保向力在静力和动力工况中作用机制的差异,提出了界定CFST拱桥非保向力效应对空间稳定影响程度的物理指标和量化分析方法,重点分析了不同的结构频率、荷载激励频率及连接刚度条件下,吊杆时变非保向力效应对CFST拱桥的横向变形及长期动力稳定性能的影响规律,为今后的拱桥的动力稳定设计提供参考。
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