大跨钢桁拱桥用钢等级对桥梁受力及稳定性的影响研究

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钢桁架拱桥以其结构轻巧、造型美观、跨越河谷能力强、施工方便、结构载荷能力高等特点在我国的公路、铁路和公铁两用桥中得到了广泛的应用。随着国民经济的飞速发展和建桥技术的不断提升,设计建造的钢桁架拱桥跨径越来越大,仅采用一般强度钢材难以满足跨越更大峡谷及河流的要求,因此需要将更高强度的钢材应用于桥梁建设中。目前国内外关于钢材强度对拱桥结构的影响研究很少,从钢材的充分利用以及减轻桥梁自重方向来看,研究钢材等级对桥梁结构的影响有着特别重要的实用价值和经济价值。本文以贵州省某拟建跨径为610m的大跨径钢桁架拱桥为研究对象,以一定的原则对桥梁主拱圈箱型截面壁厚进行设计,采用有限元分析软件Midas Civil2021建立全桥有限元分析模型,研究钢材等级对桥梁结构静力效应、稳定性、自振特性的影响,得出相关结论。所做的主要工作如下:(1)简要概述了国内外钢桁架拱桥的发展概况,列举了几座具有代表性的此类桥梁。介绍了桥梁钢材的发展与应用,并对不同强度等级钢材的特性进行了阐述,通过分析国内外研究现状,总结出了相关结论。(2)以实际工程为依托,初步建立有限元模型。在有限元软件中根据主拱杆件所受应力与钢材屈服应力比值恒定的原则,确定不同等级钢材对应的桥梁主拱箱型截面壁厚,最终建立全部的有限元模型。(3)分析了桥梁模型在荷载作用下考虑施工过程成桥与一次成桥的主拱圈挠度、应力等差别,根据分析结果选择差值较小的区段分析在不同荷载工况下各等级钢材对应桥梁拱圈的静力效应随钢材强度的变化规律,比较各等级钢材对应的桥梁拱圈挠度、轴力、应力和弯矩情况。(4)计算分析在各种工况下桥梁的弹性稳定性,分析各桥梁稳定系数和屈曲模态随钢材强度变化规律,结果表明桥梁稳定系数随钢材屈服强度提升基本呈线性降低。通过计算得到桥梁在各工况下的自振周期及振型,结果显示钢材强度提高,自振周期逐渐增大,地震作用减小。(5)在同一桥梁的主拱圈中,根据轴力大小分布情况采用不同等级钢材组合进行方案设计,与单一钢材桥梁进行对比,比较了静力特性、稳定性、主拱钢材用量及经济性。采用不同等级钢材组合较仅采用低等级钢材的桥梁钢材用量更省,经济性更优,此外主拱尺寸更加均匀,方便构件制造和施工,而且主拱的轴力趋于均匀,故在桥梁中采用组合钢材是比较合理的。
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