尼尔森体系拱桥指的是用斜吊杆代替传统的竖直吊杆的新型拱桥。近些年来,由于其具有刚度大、外形美观、跨越能力强等优点,广泛应用于高速铁路建设中。然而,该类拱桥在施工过程中难以确保拱肋线形的精度,对施工质量要求严格,吊杆布置、拱肋设置、横向支撑等设计参数对拱桥的稳定性影响很大,进而影响了拱桥的稳定极限承载力。因此,有必要针对关键设计参数对拱桥稳定性的影响进行研究,建立一套尼尔森体系钢管拱桥的优化设计方法。本文依托下承式128m尼尔森体系钢管混凝土拱桥实际工程,借助MIDAS/CIVIL有限元分析软件,对吊杆布置、拱肋设置、横向支撑等参数等对拱桥稳定性影响进行深入研究,所做的工作及成果主要有如下几点:(1)简述了拱桥屈曲稳定性计算理论的进展和有限元分析法。介绍了失稳类型的分类;给出了拱桥失稳的形式;简要叙述了拱桥屈曲稳定性问题的理论分析进展;对拱桥屈曲稳定性的有限元解法进行了介绍。(2)讨论了吊杆参数对钢管混凝土拱桥的屈曲稳定性影响。计算了竖直吊杆布置、无交叉斜吊杆布置和网状斜吊杆布置的拱桥在不同荷载工况下的稳定安全系数;分析了平行吊杆布置角度在45°~90°变化时,结构屈曲稳定安全系数的改变规律;分别计算了柔性吊杆、半刚性吊杆和刚性吊杆下结构屈曲稳定系数的变化。研究发现:与竖直吊杆相比,尼尔森体系的吊杆对增加拱桥结构稳定性更有利,其中网状斜吊杆比无交叉斜吊杆更具优势;设置合理的布置角度可充分利用斜吊杆的稳定性优势;提升吊杆刚度对提高拱桥稳定性效果十分显著。(3)讨论了拱肋参数对钢管混凝土拱桥的屈曲稳定性影响。分别建立拱肋倾角在0°~15°时的桥梁三维有限元模型,分析得到拱肋倾角参数对拱桥稳定性的影响;分析了裸拱下拱肋倾角改变对拱桥稳定性的影响;改变拱肋刚度,讨论了拱肋相对刚度变化时,拱桥屈曲稳定系数变化规律。研究发现:拱肋倾角参数对拱桥稳定性影响显著,拱的内倾角设置应结合实际工程来确定;拱肋横向支撑可以显著改善拱桥结构的稳定性;拱肋刚度的增加可以提升拱桥的结构稳定性,但是提升效果会逐渐减弱。(4)讨论了横向支撑对钢管混凝土拱桥的稳定性影响。分析了横向支撑位置变动对拱桥屈曲稳定性的影响;分析了横向支撑数量改动对拱桥屈曲稳定性的影响;然后,仅改变横撑的形式,讨论了“一”字型、K型、X型和“米”字型等横撑形式对拱桥屈曲稳定性的影响。研究发现:当横撑布置位置在3/8~1/4跨拱肋时,结构的一阶稳定系数提升明显,工程中可优先考虑;横撑布置数量并不是越大越好,选择合适的布置数量可达到最佳的经济效益;K型、X型和“米”字型横撑对拱桥结构稳定性的影响相差不大,可选择材料用量更少的K型代替X型和“米”字型横撑;一味地加强横撑刚度以提高拱桥结构屈曲稳定是不经济的。(5)讨论了尼尔森体系钢管混凝土拱桥的参数设计的优化方法。对优化理论进行了介绍;基于优化理论,对结构优化参数进行了响应面分析,拟合出了拱桥稳定性与设计参数的非线性函数关系;将优化函数数值结果同数值模拟结果对比,验证优化方法正确性。