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拱结构具有良好的受力性能和审美价值,经济效益好,是被广泛应用于桥梁工程和结构工程领域的结构型式之一,但拱结构也有不足之处,它在半跨荷载作用下受力性能较差,在外荷载作用下容易失稳。为了更好的改善拱结构的稳定性能,出现了一种将索与拱结合起来的杂交结构形式-索-拱结构,与纯拱结构相比其受力性能提高了很多,在这一新型的结构中由于索的存在有效的控制了拱的变形,因而,结构的刚度和极限承载力都有较大的提高。
本文分析了预应力索拱结构的特点和研究现状,对国内外研究成果进行了总结。指出现有的研究侧重于对轴线形式为圆弧形的索-拱结构,根据拱的轴线形式的多样性本文针对拱轴线形式为抛物线形的索-拱结构进行稳定性能研究。拉索布置形式的不同,索-拱结构的造型多种多样。本文选取了将索连接在拱轴线的1/4和3/4处这种形式的抛物线形索-拱结构进行研究,为该结构在实际工程中应用打下了坚实的基础。本文工作的具体内容有:
1、针对索-拱结构本文利用ANSYS有限元程序,将结构离散为梁元和索元,对其进行非线性有限元分析,采用牛顿-拉弗森法和弧长法对荷载-位移平衡路径进行跟踪研究,研究了索对结构极限承载力的影响。
2、分析了该抛物线形索-拱结构在全跨均布荷载和半跨均布荷载作用下的弹性稳定性能和弹塑性稳定性能,并分别将其与相应的纯拱结构进行比较。从而揭示了抛物线形索-拱结构的受力特性和破坏机理。
3、变化抛物线形索-拱结构中的相关参数,如初始预应力、矢跨比、拉索截面等,考察了这些参数变化对抛物线形索-拱结构弹性稳定性能和弹塑性稳定性能的影响。