强震下钢管混凝土拱面内失稳准则与评估方法

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随着钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)拱桥的快速发展和跨径的不断突破,宽跨比和宽高比逐渐变小,稳定问题尤其是动力稳定问题愈突出,而目前关于CFST拱桥的动力稳定性研究较少。在地震等冲击荷载作用下,CFST拱将偏离平衡位置,严重时会产生动力失稳,目前的动力失稳判别准则,如能量准则、B-R(Budiansky-Roth)准则,实用性较差;较为精确的计算方法(非线性时程分析)计算量大,效率偏低。因此,本文采用理论分析、试验验证和数值分析相结合的方法,围绕地震作用下CFST拱的面内动力失稳判别准则和评估方法进行了研究,主要研究工作和结论如下:(1)研究了CFST拱结构两类稳定问题的主要形式、特点,分析了整体失稳和局部失稳的关系。首先,对整体面内失稳的破坏模式进行了研究分析,主要分为面内对称失稳和面内反对称失稳,提出了模型试验中如何判别失稳破坏的方法,然后给出了基于有限元分析CFST拱稳定性的方法和步骤。选取一面内对称失稳模式,根据平南三桥作为原型,按1:30比例制作的钢管混凝土拱试验模型进行面内失稳破坏验证,研究跨中加载导致面内对称失稳的主要形式和特点,试验结果表明,在跨中竖向加载下,CFST拱主要表现为面内对称失稳,整体位移呈现明显的“M”形,达到极限荷载(435k N)时,拱顶的位移迅速增大,斜腹杆在节点处产生冲切破坏,主弦杆产生压弯失稳而隆起,拱肋整体失去稳定性。结合有限元模型研究CFST拱面内失稳的机理,为动力失稳的研究奠定一定的理论基础。(2)基于动力稳定性的基本原理,结合CFST构件的结构的和受力特点,根据钢管和混凝土的应变,推导了屈服临界曲率差、峰值临界曲率差和极限临界曲率差的计算公式,将CFST构件的各临界状态如钢管屈服、混凝土达到峰值应变、混凝土达到极限应变进行了量化,并基于此提出了冲击荷载作用下的动力失稳评估方法,建立动力失稳评估的计算格式。通过13个CFST柱受压失稳破坏的试验,验证了临界曲率差的准确性,极限曲率差能表达结构失稳破坏的状态。再结合单拱算例和试验修正的有限元模型,通过数值计算与能量准则、B-R准则进行对比,验证了基于空间曲率差的动力失稳判别准则的准确性。对于单拱算例,当最大曲率差达到极限曲率差Ku、Ku’时,结构达到失稳临界状态,即结构的失稳临界峰值加速度为55.53g,与能量准则、B-R准则判别结果吻合;对于修正模型,通过极限曲率差判别临界峰值加速度为29.400g与B-R准则判别结果一致。(3)基于结构的振型刚度,建立了反映结构整体位移的能力谱模型,替代传统Pushover方法采用单一控制点的能力谱模型,更能合理地反映结构的整体刚度变化。结合静力修正方法,将低阶振型求动力解与高阶振型求拟静力解进行叠加,得到结构的位移解。再根据动力贡献系数遴选出主振型,提高计算效率。根据位移解,联合基于空间曲率差的动力失稳判别准则,提出了地震荷载作用下CFST拱的动力失稳评估方法。算例结果表明,对于纵桥向激励,Pushover方法得到的位移结果与非线性时程分析结果偏差在15%以内。失稳峰值加速度为28.827g,与非线性时程分析结果(29.400g)仅相差1.95%;在竖向激励下,Pushover方法得到的位移结果与非线性时程分析结果偏差在21.8%以内。在峰值加速度为79.571g的地震作用下,结构产生动力失稳破坏,与非线性时程分析判别结果81.871g,仅相差2.81%。最后,对主跨575m的平南三桥进行强震下的动力失稳评估,判别结构在峰值加速度为8.4g的地震作用下处于动力失稳临界状态,荷载峰值若再增加将导致结构失稳破坏。结合屈服临界曲率差、峰值临界曲率差,可以判别结构钢管屈服、混凝土达到峰值应变时对应的临界状态,提高工程实用性。
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