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随着桥梁理论的发展以及社会发展的需求,桥梁正向大跨径、多桥型、轻型化的方向发展。钢管与钢管混凝土复合拱桥作为一种新型结构类型,使得结构的自重大大减轻,同时降低了结构的重心、减小横向地震作用力因此该结构形式也被广泛应用到渡槽支撑结构中。然而,随着结构体系跨径的增大,结构的抗震性能、稳定问题等也变得越来越突出,成为结构设计的重要控制因素之一。因此对该类结构的抗震和稳定问题的研究就显得十分重要。
本文以北赵引黄提水灌溉工程为背景,以设计后各项参数满足规范要求的大跨复合拱式渡槽支撑结构为研究对象,利用MIDAS有限元程序对该结构的抗震性能及稳定进行了研究,主要内容如下:
1、对所建模型进行自振特性分析,得出结构面外刚度小于面内刚度,拱脚部位刚度较大,拱顶部位较柔,属于中等刚性结构。并考虑了拱肋刚度、边梁刚度、拱间杆件、立柱刚度及布置对结构自振频率的影响。可知拱肋刚度的增加或减小对自振频率的影响相当小;自振频率随着边梁面外刚度的增加而增加,增量明显I拱间斜杆和长竖杆加侧撑对结构自振频率的影响也较明显。
2、对大跨复合拱式渡槽支撑结构进行了地震反应谱和弹性时程分析。
考虑结构在一致激励下的地震反应,探讨竖向及水平耦合激励对结构地震反应的影响,给出了在各种地震工况下结构拱肋关键位置的内力和位移响应,并进行了对比分析。并将反应谱计算结果与相应的时程分析结果进行对比分析。得出在三向地震作用下,结构拱顶处产生的该方向位移最大;地震对结构横向位移贡献最大,对竖向位移贡献最小;在双向地震组合下结构位移与地震单独作用下相差不大,而应力和轴力却大于地震单独作用;在各种地震作用下,拱肋产生的最大压应力远低于钢管混凝土的比例极限,说明钢管混凝土组合材料处于弹性阶段,是安全可靠的。
3、基于稳定理论,对结构进行三种工况下的弹性屈曲分析,考虑了初始缺陷的影响,并进行了非线性分析。通过荷载一位移曲线得出结构在几何非线性作用下的稳定安全系数,并对其进行弹性失稳全过程分析。结果表明:线性特征值屈曲分析的安全系数明显偏大,考虑初始缺陷对其影响较小,几何非线性对结构稳定影响较大,得出复合拱桥稳定性分析需要考虑几何非线性的影响。