非对称异型钢拱桥承载能力分析及稳定性研究

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非对称异型钢拱桥造型奇特,拱肋线形优美,极大的利用了空间效应。大小拱肋采用三点支撑,在中间桥墩附近,拱肋合二为一,并穿过主梁,拱梁分离,拱墩结合,其独特的结构形式使得结构的受力比较复杂,特殊性较强,稳定问题突出,内力分布不均匀,对承载能力的要求较高。因此,研究此类结构的承载能力及稳定性具有重要意义。本文以两大小孔非对称异型钢拱桥为研究背景,建立全桥Midas/Civil有限元模型,分析该景观钢拱桥的承载能力及稳定性。本论文的主要工作内容如下:(1)利用有限元分析模型,研究该景观钢拱桥的承载能力,探讨了矢跨比、吊杆间距等因素对承载能力的影响。最大应力出现在大拱侧中间拱脚截面,最大应力为-206.1MPa,最大竖向位移出现在大拱合拱处,最大竖向位移为-122.6mm,说明桥梁结构的强度、刚度满足要求。随着矢跨比的减小,大拱轴力增加,弯矩减小,拱顶截面的内力变化幅度最大,大拱在拱脚及拱顶处的应力减小,其余截面的应力增加;大拱及主梁的最大竖向位移随矢跨比的减小而减小;吊杆间距从5m增加到7m,对合拱至中间拱脚段的内力影响最大,该区段内大拱轴力减小,弯矩增加。(2)基于稳定理论分析了该异型钢拱桥的稳定性,探讨了矢跨比、吊杆间距和横撑数量等因素对稳定性的影响。结构的稳定安全系数为22.869,远大于4~5的限值要求,说明结构的稳定性良好;横向风荷载对稳定的影响很小,此类结构的竖向刚度大于横向刚度,稳定性由大拱和主梁控制;矢跨比从1/2.4减小到1/3.4,结构的各向稳定性均明显增加,矢跨比进一步减小,结构的稳定有所下降;吊杆间距从5m增加到7m,结构的竖向稳定降低,横向稳定先增大后减小;横撑数量由0根增加到6根时,结构的稳定安全系数明显增加,横撑数量继续增加,稳定的增幅趋于平缓;选择矢跨比1/3.4、吊杆间距6m和横撑数量6根可以有效的提高该景观桥的整体稳定性。(3)利用Ansys建立中间拱脚部位的拱座局部模型,采用间接法模拟T形焊缝的温度场及应力场,以单元初始应力的方式考虑焊接残余应力的影响,并将整体模型分析得到的荷载加到局部模型上。仅在外荷载作用下,拱肋固结点处的应力集中现象比较明显,钢箱的最大等效应力为192.55MPa,恒载产生的应力占76%,除固结点外,钢箱、混凝土的应力分布比较均匀,满足强度要求;在残余应力和组合荷载共同作用下,钢箱焊缝单元的应力出现明显增大现象,焊缝节点的最大等效应力为223.29MPa,增幅为52.27%,残余应力导致钢箱的应力发生重分布,降低了固结点处钢箱的集中应力。
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