异型拱桥的结构分析与研究

论文摘要

异型拱桥是一种由普通拱桥发展而来的新型桥型结构,其外形美观、造型独特。它以独特的构造形式来满足桥梁美学要求,随之也带来了结构受力上的复杂化问题,因此对异型结构合理拱轴线的选取、受力分析以及结构自振特性的研究是十分必要的。本文首先研究了异型结构合理拱轴线的选取方法。以一条初始拱轴线形并在某种特定的荷载工况下,对杭甬运河上的一下承式拱桥建立有限元模型,根据拱轴线各节点、单元间的力学关系,通过有限元程序的迭代计算,求得接近压力线的拱肋上各个离散点坐标值。再将这些不规则的离散点通过最小二乘意义下的多项式拟合,比较确定出异型结构的合理拱轴线。由于葵拱桥的腹拱拱脚对主拱有较大的水平推力作用,使得葵拱桥受力与普通拱桥有所不同。本文通过对主拱拱脚和跨中弯矩影响线的分析,得出了此类异型结构的腹拱跨径、矢跨比以及拱轴线系数的合理选取方法。并引入工程实例,利用Dr.Bridge对潇河桥建立空间有限元模型,研究了葵拱与裸拱结构内力影响线的差异,并对结构受力的敏感性进行了分析。本文还对异型拱桥的动力特性进行了研究。以天津市开发区已建的一座异型截面钢筋混凝土上承式拱桥为背景,从理论上推导了这类带拉索的抛物线拱桥的结构自振频率的解析算法,利用MIDAS对该拱桥建立平面有限元模型,将计算得出的自振频率与解析计算值进行比对,论证了解析算法在理论推导上的正确性。同时建立该异型结构的空间有限元模型,得出结构自振频率和振型特征,并探讨了异型拱桥的立柱(吊杆)斜率和拱肋的截面形式这两组结构参数对自振特性的影响,为今后此类结构的设计和计算提供较大的指导意义和参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 异形拱桥的结构特点
• 1.2 异型拱桥的发展和现状
• 1.3 异型拱桥的发展方向
• 1.4 本文的研究意义及主要内容
• 第二章 异形拱桥的基本特征
• 2.1 合理拱轴线
• 2.1.1 几种常用拱轴线
• 2.1.2 拟合拱轴线
• 2.1.2.1 合理拱轴线有限元优化理论
• 2.1.2.2 合理拱轴线的拟合方法
• 2.1.2.3 算例
• 2.2 立柱（吊杆）斜率的合理选择
• 2.3 腹拱几何要素的合理选取
• 2.3.1 腹拱合理跨径的选取
• 2.3.2 腹拱合理矢跨比的选取
• 2.3.3 腹拱拱轴系数m的选取
• 2.4 小结
• 第三章 异形拱桥的静力分析
• 3.1 无铰拱桥内力计算理论
• 3.1.1 基本结构和弹性中心
• 3.1.2 无铰拱桥内力计算
• 3.2 两铰拱桥内力计算
• 3.3 连拱计算理论
• 3.4 算例
• 3.4.1 潇河大桥简介
• 3.4.2 Dr.Bridge有限元模型的建立
• 3.4.2.1 几何模型
• 3.4.2.2 计算参数取值及荷载工况
• 3.4.3 葵拱与裸拱的内力影响线比较
• 3.4.4 结构受力的敏感性分析
• 3.4.4.1 腹拱在不同约束下对主拱的受力影响
• 3.4.4.2 收缩徐变对葵拱结构的受力影响
• 3.4.5 联合作用
• 3.5 小结
• 第四章 异形拱桥的动力分析
• 4.1 概述
• 4.2 异型拱桥动力学解析分析法
• 4.2.1 抛物线拱的平面挠曲平衡方程
• 4.2.2 抛物线拱的平面挠曲固有振动
• 4.2.3 抛物线拱桥的车辆强迫振动
• 4.3 异型拱桥动力分析的有限元数值分析法
• 4.3.1 桥梁结构振动有限元分析的基本方程
• 4.3.2 桥梁固有振动分析的有限元法
• 4.3.3 桥梁结构动力响应的有限元分析
• 4.4 算例
• 4.4.1 中心庄跨京津塘高速桥简介
• 4.4.2 MIDAS有限元模型的建立
• 4.4.2.1 几何模型
• 4.4.2.2 施工流程及计算荷载
• 4.4.3 结构的平面自振频率
• 4.4.3.1 解析法计算
• 4.4.3.2 有限元计算
• 4.4.3.3 结果对比分析
• 4.4.4 结构的空间自振特性
• 4.4.5 模态敏感性分析
• 4.4.5.1 立柱（吊杆）斜率的影响
• 4.4.5.2 拱肋截面形式的影响
• 4.5 小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢