钢管混凝土拱肋稳定性的可靠度分析与安全系数评定

发布时间：2020-02-28 12:09

【摘要】：由于具有结构自重轻、抗压极限承载力高、施工方便以及造型美观等特点，钢管混凝土近年来在拱桥结构中得到广泛应用。据不完全统计，目前全世界已建成的钢管混凝土拱桥总数超过400座。我国从20世纪90年代开始建造钢管混凝土拱桥，并在随后的20多年时间里得到快速发展，因而相关领域的理论与试验研究再次引起学者们的兴趣，得到了一些有益的结论。然而，目前对于钢管混凝土拱桥的研究主要集中在新桥型与新技术的应用，实践的快速发展与理论研究相对滞后的矛盾日益突出。我国现已建成钢管混凝土拱桥300余座，占世界总数的3/4，并已进入大跨桥梁的建设行列。随着拱肋材料强度的提高与跨径的增加，拱肋的长细比也随之增大，因而稳定问题更为突出。尽管拱肋的时不变稳定问题已有一些研究成果，但针对钢管混凝土拱肋时变稳定问题的研究相对较少，且已有研究大多不考虑不确定性的影响。此外，钢管混凝土拱肋的稳定设计主要借鉴钢筋混凝土拱肋，而钢筋混凝土拱肋稳定安全系数的取值主要根据以往经验和专家建议，其合理性仍需进一步验证。针对钢管混凝土拱桥的上述问题，本文的主要研究内容如下：（1）钢管混凝土拱肋的时不变稳定性。从弹性稳定和非线性稳定的角度，通过有限元分析研究钢管混凝土拱肋的稳定承载力，并通过解析表达式或已有试验数据对本文的有限元模型进行验证。采用有限元数值模拟进行参数分析，得到长细比、矢跨比以及截面含钢率对稳定承载力的影响规律，并将按弹性理论与非线性理论计算的稳定承载力进行对比分析。结果表明：本文的有限元模型具有较好的计算精度与效率。（2）钢管混凝土拱肋的时变稳定性。从稳定承载力的角度研究混凝土徐变引起的拱结构抗力退化。对于圆弧拱的面内稳定，通过引入徐变积分算子，推导并得到了面内徐变稳定承载力计算公式，，分析了截面含钢率和混凝土加载龄期的影响。对于面外稳定，提出采用时变初始几何缺陷描述混凝土拱肋在任意时刻徐变变形的方法，进而将该缺陷引入有限元模型求解面外徐变稳定承载力。以无铰抛物线拱为例，分析了持荷水平、长细比、矢跨比、横向扰动力、截面含钢率以及混凝土加载龄期对面外徐变稳定承载力的影响规律。结果表明：钢管混凝土拱肋面内与面外稳定承载力受混凝土徐变的影响均较大。（3）钢管混凝土拱肋时不变稳定性的可靠度分析。首先建立了钢管混凝土拱肋时不变稳定承载力的极限状态函数，将通用有限元软件与可靠度分析工具箱相结合，利用软件的应用程序接口，编程实现了钢管混凝土拱肋稳定性的时不变有限元可靠度分析与灵敏度分析，分析了截面含钢率对可靠指标与灵敏度指标的影响程度。采用蒙特卡罗模拟与拉丁超立方体抽样方法，得到了稳定承载力的统计矩信息。结果表明：抗力与荷载不确定性对钢管混凝土拱肋稳定承载力可靠指标的影响均较大。（4）钢管混凝土拱肋徐变稳定性的时变可靠度分析。首先建立了考虑徐变的钢管混凝土拱肋时变稳定承载力极限状态函数，采用蒙特卡罗模拟方法得到了混凝土徐变系数的统计矩信息。对于面内稳定，以前文推导的徐变稳定承载力计算公式为抗力退化模型；对于面外稳定，以非线性有限元求解的稳定承载力与时间隐式函数为抗力退化模型，结合有限元一次可靠度方法与时变可靠度分析方法，研究了混凝土徐变引起钢管混凝土拱肋稳定承载力可靠指标的衰减规律，分析了不同随机变量对可靠指标与灵敏度指标的影响程度。采用蒙特卡罗模拟与拉丁超立方体抽样方法，得到了面内徐变稳定承载力与面外徐变变形的统计矩信息。结果表明：混凝土徐变对钢管混凝土拱肋面内与面外稳定承载力可靠指标的影响均较大。（5）基于可靠度反分析的钢管混凝土拱肋时不变与时变稳定安全系数评定。对于时不变稳定性，首先建立了面内稳定与面外稳定承载力的极限状态设计表达式，然后在给定目标可靠指标的基础上，采用有限元可靠度反分析方法，分别求解面内与面外时不变稳定安全系数。对于时变稳定性，为考虑混凝土徐变的影响，首先在时不变稳定承载力极限状态设计表达式的基础上，引入徐变稳定安全系数，并采用可靠度反分析方法求解该系数。最后，分析了不同设计参数对时不变和时变稳定安全系数的影响规律。结果表明：不确定性对钢管混凝土拱肋稳定安全系数的影响较大，不考虑不确定性的计算结果偏于不安全。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU398.9

【参考文献】