钢管初应力对圆形钢管混凝土拱承载力影响及试验方案研究

论文摘要

近20年内,钢管混凝土拱桥在我国已经得到广泛应用,在目前已建和在建的大跨径钢管混凝土拱桥,其施工多采用无支架吊装法、转体施工法架设空钢管拱肋,合拢后再逐根浇筑管内混凝土,按此方法施工,钢管在与混凝土形成复合截面之前,因承受自重和湿混凝土重量,不可避免地会产生初应力。钢管初应力使钢管屈服提前,从而影响到钢管混凝土拱桥的承载力。本文开展了初应力对钢管混凝土拱桥承载力的影响计算,同时为验证计算的正确性和可靠性,针对性的设计了考虑钢管初应力对其力学性能影响的试验方案。主要研究工作如下:①基于空间梁单元非线性几何方程,运用了计入初应力和初应变的一般线弹性本构关系的显式切线刚度矩阵,为本文研究钢管初应力对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响奠定了理论基础;②在收集和总结国内外钢管混凝土的本构关系后,合理的选取了钢管和混凝土的本构关系,采用空间梁单元来计算极限承载力;③展了单肢钢管混凝土拱桥在不同初应力系数、不同矢跨比、不同含钢率、不同跨径下的承载力及影响系数k p的计算。结果表明,对于钢管混凝土拱桥极限承载力计算,应同时考虑双重非线性影响;钢管初应力使钢管混凝土拱桥极限承载力下降,具体降低幅度与初应力系数、矢跨比、跨径、含钢率、几何非线性等因素有关;含钢率不变的情况下,随着跨径增大,初应力对承载力的影响相对减小。以承载力下降10%为界限,单肢钢管混凝土拱桥的钢管初应力系数不应超过0.2。④通过对单肢钢管混凝土拱桥考虑钢管初应力的极限承载力分析,应用最小二乘法理论,在MATLAB下实现了不同跨径、不同矢跨比的单肢钢管混凝土拱桥承载力影响系数计算公式。⑤为验证理论计算,有针对性的开展了考虑钢管初应力影响的单肢钢管混凝土模型拱设计,方案一为拱顶单点加载;方案二为四分点单点加载。⑥针对两个方案开展了不同初应力系数、不同跨径下的承载力计算,结果表明:拱顶加载模型的极限承载力和影响系数k p值要高于四分点加载模型拱。⑦设计了整个模型的试验过程,为接下来模型试验的顺利实施,提供了方法和手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土介绍
• 1.1.1 钢管混凝土的定义
• 1.1.2 钢管混凝土的工作机理
• 1.1.3 钢管混凝土的特点
• 1.2 钢管混凝土在拱桥中的应用和发展概况
• 1.2.1 国内钢管混凝土拱桥的发展概况
• 1.2.2 国外钢管混凝土拱桥的发展概况
• 1.2.3 钢管混凝土拱桥分类
• 1.3 钢管混凝土拱桥极限承载力试验研究现状综述
• 1.3.1 单肢钢管混凝土拱桥极限承载能力试验研究
• 1.3.2 双肢及多肢钢管混凝土拱桥极限承载能力试验研究
• 1.4 初应力对钢管混凝土拱桥极限承载力研究现状综述
• 1.4.1 钢管初应力的定义
• 1.4.2 钢管初应力的研究方法
• 1.4.3 初应力对钢管混凝土拱桥的承载力影响的研究现状
• 1.5 课题研究的重要性和必要性
• 1.5.1 试验研究的重要性
• 1.5.2 试验研究的必要性
• 1.6 课题来源及主要研究工作
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 主要研究方法及内容
• 第二章 CFST 计入初应力的极限承载力有限元分析法
• 2.1 拱桥承载力研究概况
• 2.1.1 稳定理论
• 2.1.2 拱桥极限承载力研究现状
• 2.1.3 拱桥极限承载力有限元分析法
• 2.2 空间梁单元非线性有限元列式
• 2.2.1 空间梁单元非线性切线刚度矩阵的推导
• 2.3 计入初应力的钢管混凝土拱桥有限元分析
• 2.3.1 基本假定与求解方法
• 2.3.2 单肢钢管混凝土拱的求解
• 2.4 本章小结
• 第三章 非线性有限元方程的求解及程序设计
• 3.1 钢管和混凝土的本构关系
• 3.1.1 钢管的本构关系
• 3.1.2 混凝土的本构关系
• 3.1.3 本文选取的钢管混凝土本构关系
• 3.2 非线性平衡方程的数值解法
• 3.2.1 求解方法概述
• 3.2.2 收敛准则
• 3.3 程序流程图
• 3.3.1 非线性求解流程
• 3.4 本章小结
• 第四章 钢管初应力对单圆钢管混凝土拱桥承载力影响分析
• 4.1 钢管混凝土拱桥承载力计算方法
• 4.1.1 计算参数的选取
• 4.2 各不同参数下的极限承载能力计算结果
• 4.2.1 非线性对单肢钢管混凝土拱桥承载力影响
• 4.2.2 初应力系数对单肢钢管混凝土拱桥承载力影响
• 4.2.3 含钢率对单肢钢管混凝土拱桥承载力影响
• 4.2.4 矢跨比对单肢钢管混凝土拱桥承载力影响
• 4.3 钢管混凝土拱桥承载力影响系数计算公式
• 4.3.1 钢管混凝土单肢拱桥承载力计算结果表格
• 4.3.2 承载力影响系数回归公式
• 4.3.3 回归程序
• 4.4 本章小结
• 第五章 单肢钢管混凝土拱桥模型试验方案设计
• 5.1 模型试验参数的选取
• 5.2 试验模型设计原则
• 5.3 试验测试方案设计
• 5.3.1 静力加载法
• 5.3.2 应力和位移测试方法
• 5.4 试验模型制作设计
• 5.4.1 单肢钢管拱模型的制作设计
• 5.4.2 辅助模型试验构件制作设计
• 5.5 初应力的计算和施加
• 5.6 单肢CFST 拱跨L/2 位置单点加载实验方案设计分析
• 5.6.1 单肢钢管模型拱拱顶加载理论计算分析
• 5.6.2 初应力系数对拱顶加载模型拱的影响
• 5.7 单肢CFST 拱跨L/4 位置单点加载实验方案设计分析
• 5.7.1 单肢钢管模型拱四分点加载理论计算
• 5.7.2 初应力系数对四分点模型拱的影响
• 5.8 模型拱结果对比分析
• 5.8.1 拱顶加载与四分点加载的对比分析
• 5.8.2 公式的拟合
• 5.8.3 试验模型的选取
• 5.9 模型拱试验过程设计
• 5.9.1 试验测试方案的选取
• 5.9.2 试验加载方案设计
• 5.9.3 试验过程数据采集及注意事项
• 5.10 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的主要工作和结论
• 6.2 今后的展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果