中（下）承式系杆拱桥有限元分析与施工监控

论文摘要

本文主要研究中（下）承式系杆拱桥结构体系和施工监控方法,以正在施工的复式提篮拱桥科研项目为背景,并为重庆大学基础应用基础研究基金项目（项目编号:717411067）。该桥型特点是内拱外倾、外拱内倾,两两组成组合拱肋,并与内、外吊杆和桥面系组合成空间结构体系。其受力复杂,空间效应明显,设计思路不同于通常的系杆拱桥,对于这类桥梁究竟如何分析计算,其结构受力特点如何,受力是否合理,施工如何保证工程质量,实现设计意图等,是桥梁设计者所关心的,笔者根据其自身特点总结出一套切实可行的设计和施工方法,主要内容如下:1.建立中（下）承式系杆拱桥力学模型与吊杆索力优化计算方法。在传统的拱桥计算方法中,为了将实际的拱桥结构转化为力学模型,多年来沿用了多体系假设、多平面假设、上下部结构假设、铰接与刚性连接假设等分析方法。这种假设对于一般的拱桥分析是足够精确的,但对于复杂的结构,尤其对中（下）承式系杆拱桥显得无能为力。论文根据拱桥自身的结构特点和力学特征,对其进行力学性能研究,采用以拱肋、吊杆和桥面体系为一体的整体精细有限元杆梁力学模型。推导出以索力为设计变量、桥面系弯矩应变能最小为优化目标的吊杆索力优化计算公式,并与其它几种常用优化方法进行比较分析。计算出吊索的调索量,得到吊索系的几何刚度阵[ K cg],在引入吊索系几何刚度阵的情况下进行拱桥的静动力分析,形成一个完整的、具有创新性的中（下）承式系杆拱桥的力学分析的理论与方法。（附表内发表论文对应编号:[3],[4]）2.推导出考虑吊杆系初始几何刚度阵的拱桥动力特性和稳定特征值有限元分析方法。中（下）承式拱桥的断桥与垮塌事故大多与吊杆的健康状态有关,传统设计中主要利用桥面简支梁模型计算吊杆内力[ K ]= [K0]（ [ K0]为拱桥整体刚度阵）,忽略桥面连续及弹性支撑对吊杆内力的影响,即按线性迭加理论进行分析,计算结果较为粗糙。为了解该桥型的动力和稳定性能（其横向刚度和稳定较弱）,论文首次利用一阶摄动理论推导出引入吊杆系几何初始刚度阵的拱桥动力特性和稳定特征值有限元计算公式,其中[ K ]= [K0]+[Kcg]( [ Kcg]为吊杆长度调整产生的几何刚度阵)。在组建吊杆初始刚度矩阵时考虑桥面系对吊杆索力的影响,给出不同施工阶段合适的简支梁（一期恒载下）和弹性支承连续梁（二期恒载和活载下）桥面系计算模型,以尽可能真实地反映拱桥的实际受力情况,提高计算精度。根据拱桥前15阶振动周期和振型和稳定模态总结出相关的变化规律。针对不同吊杆损伤和吊杆布置形

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 拱式组合结构—系杆拱桥发展综述
• 1.1.1 系杆拱构造概述
• 1.1.2 系杆拱结构受力特点
• 1.2 提篮拱体系
• 1.3 复式提篮拱桥发展综述
• 1.4 复式提篮拱桥设计与施工中存在的问题
• 1.5 大跨度桥梁施工监控的现状及其重要作用
• 1.5.1 国外发展状况
• 1.5.2 国内发展状况
• 1.6 本文研究的意义和内容
• 2 中（下）承式拱桥有限元分析相关理论推导
• 2.1 拱桥力学模型建立
• 2.2 吊杆索力的确定与优化
• 2.2.1 最小弯矩能量法确定吊杆张拉力
• 2.2.2 刚性支承连续梁法确定吊杆张拉力
• 2.2.3 刚性吊杆法确定吊杆张拉力
• 2.2.4 内力计算结果比较
• 2.3 考虑吊索初始刚度阵对拱桥动内力影响有限元分析
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 吊索系几何刚度阵
• 2.3.3 吊索长度调整量的计算
• 2.3.4 考虑吊索系长度调整后，拱桥动力计算
• 2.4 吊杆损伤影响有限元分析
• 2.5 拱桥几何非线性有限元推导
• 2.6 本章小结
• 3 中（下）承式系杆拱桥稳定性分析
• 3.1 拱桥稳定性研究与发展
• 3.2 中（下）承式拱桥稳定性分析
• 3.2.1 稳定有限元分析
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.3 吊杆损伤对拱桥稳定分析
• 3.4 本章小结
• 4 中（下）承式拱桥动力分析
• 4.1 拱桥动力分析必要性
• 4.2 动力有限元分析结果及结论
• 4.2.1 动力有限元数值分析
• 4.2.2 考虑吊索系的初始几何刚度计算结果比较
• 4.2.3 动力分析结论
• 4.3 吊杆损伤对拱桥自振频率的影响
• 4.4 不同吊杆布置形式的拱桥动力特性对比
• 4.5 动力响应有限元分析
• 4.5.1 匀速移动荷载过桥的瞬态动力响应分析
• 4.5.2 冲击荷载作用下的动力响应分析
• 4.6 本章小结
• 5 复式提篮拱桥体系静力有限元仿真计算实例
• 5.1 复式提篮拱的构造
• 5.2 结构特点和方案分析
• 5.2.1 结构传力路径
• 5.2.2 结构方案分析
• 5.3 主桥桥形和主要技术参数
• 5.4 拱桥静力有限元计算机仿真分析
• 5.4.1 计算模型综述及各构件截面
• 5.4.2 拱桥静力有限元计算机仿真分析
• 5.4.3 成桥运营阶段静力计算与分析
• 5.5 其它因素对拱桥静内力影响分析
• 5.5.1 几何非线性对静内力影响分析
• 5.5.2 吊杆损伤对静内力影响分析
• 5.6 本章小结
• 6 拱桥施工监测与控制
• 6.1 前言
• 6.2 施工监控的目的和意义
• 6.2.1 施工监控目的
• 6.2.2 施工监控意义
• 6.2.3 监控的目标状态
• 6.3 施工监控原则与控制措施
• 6.3.1 监控原则
• 6.3.2 监控方法
• 6.4 监控的主要内容
• 6.4.1 监控主要任务
• 6.4.2 监控主要内容
• 6.4.3 施工监控工作的具体安排和精度要求
• 6.5 主要结构施工控制过程
• 6.5.1 主拱肋浇筑施工模拟分析
• 6.5.2 施工支架卸架控制分析
• 6.6 施工控制计算--最小二乘法结合倒装分析法
• 6.6.1 利用最小二乘法对结构参数识别和修正
• 6.6.2 倒装法计算各施工阶段吊杆张拉力和拱桥内力
• 6.7 本章小结
• 7 结论和展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 有待完善的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附：
• 1.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• 2. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况
• 3. 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书