平南三桥施工稳定性及缆风影响分析研究

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随着施工技术和材料的发展,钢管混凝土拱桥在大跨桥梁中得到越来越广泛的运用,结构自重轻,长细比大,宽跨比小是该类型桥梁的主要特点。缆索吊装法是大跨度钢管混凝土拱桥主要的施工方法,在整个施工过程中,结构长期处于悬臂状态,稳定性问题突出。本文针对大跨度钢管混凝土拱桥施工稳定性以及缆风影响问题,采用数值分析的方法,以平南三桥为对象进行了研究,主要工作和成果如下:(1)基于平南三桥的设计施工文件和桥梁工程有限元软件Midas Civil,采用双单元材料模型理论进行了建模,计算了各材料的等效参数及模型外荷载,依据拱肋的非对称吊装方案,进行了施工阶段的划分。(2)对Midas Civil有限元软件实现非线性分析的几种方法进行了比较和论述,采用了Pushover塑性铰功能进行材料非线性分析,对一个试验拱进行了模拟,对比了试验拱实测结果与有限元分析结果,误差均小于5%,结果表明运用Pushover塑性铰进行非线性分析具有足够的准确性。(3)针对平南三桥施工阶段稳定性问题,选取6个典型工况进行了非线性稳定分析,基于各工况的失稳模态和稳定安全系数,分析了非线性因素对施工稳定性的影响,并对提高各工况的稳定性提出了合理建议。相比于线弹性屈曲的稳定安全系数,几何非线性使稳定安全系数的降低幅度达到3.7%~27.4%,材料非线性使稳定安全系数的降低幅度达到11.9%~40.5%,双重非线性使稳定安全系数的降低幅度达到22.5%~47.9%,结果表明平南三桥施工阶段非线性效应显著,材料非线性的影响大于几何非线性。(4)针对风荷载下拱肋悬拼和斜拉扣挂施工时的稳定性问题,基于设置缆风的平南三桥有限元模型,研究了风荷载作用下缆风初张力及水平夹角对拱肋稳定性的影响,揭示了缆风初张力及水平夹角与稳定安全系数之间的关系,得到了双重非线性下稳定安全系数与缆风水平夹角间的关系式,并对缆风布置提出了优化建议。在所研究工况下,缆风初张力使得稳定安全系数提升的最大幅度为9.6%,缆风水平夹角使得稳定安全系数提升的最大幅度为112.7%,结果表明缆风对受横风作用的拱肋施工稳定性有明显提升作用,而非线性影响下,线弹性屈曲稳定安全系数下降最大下降幅度为40.2%,缆风的非线性效应会显著影拱肋响稳定性。
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