基于数值形函数方法的哑铃形拱模型受力状态分析

发布时间：2020-07-20 21:27

【摘要】：哑铃形钢管混凝土拱桥因其承载能力强、施工过程便捷、跨越距离长、外观造型优美等特点,在各类截面的钢管混凝土拱桥中应用最为广泛。但是目前的研究大多集中在单圆管拱肋,对哑铃形拱肋的理论与实验研究比较少。钢管混凝土拱的面外稳定性问题一直是研究重点,而拱结构的失稳是材料和几何双重非线性综合作用的情况,失稳破坏和强度破坏通常难以鉴别。因此,结构受力状态理论应运而生,建立统一的失效判定准则将这两种失效模式纳入在统一的框架内,关注结构受力状态变化的本质特征——失效状态,更新了结构失效荷载的定义,确定了结构各级性能水准的量化验算指标。目前结构受力状态理论中对实验数据的处理有很多假设,解释比较牵强。因此,需要新的插值方法来辅助研究以全面透彻地研究结构整体的受力状态变化特征。但是常规的插值方法的物理意义不明确且插值精度不高。因此本文结合数值模拟研究一种新的空间插值方法,充分考虑了数据背后的物理模型信息以提高插值精度。通过考虑荷载不确定性和材料缺陷的拟真实模型验证了数值形函数方法的有效性,结果表明其具有良好的插值性能和广阔的发展前景。另外,本文应用结构受力状态分析理论与方法,对哑铃形钢管混凝土拱肋的试验数据进行数据建模分析,揭示结构承载过程中的失效特征,以及结构各个组成部分和各种内力形式的受力状态子模式特征等,验证结构失效判定准则。并且用ANSYS软件对该哑铃形拱桥实验模拟进行有限元模拟分析,并通过与实测值的对比分析了常规模拟的优缺点,结果表明模拟结果与实验数据的差距不可避免,因此很有必要研究插值方法。使用数值形函数方法拓展得到截面应变场,进一步利用纤维模型的本构通过数值积分得到截面轴力和弯矩,从较为精确的内力层次展开分析,更容易把握结构的局部和整体工作性能,从而进一步验证和揭示结构承载过程中的规律性工作特征,丰富了结构受力状态理论。总之,希望通过本文的研究,能丰富和发展钢管混凝土拱的面外受力性能研究,为工程设计的优化提供有效建议。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.22
【图文】：

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哈尔滨工业大学硕士学位论文这主要是因为，与相同跨径的预应力混凝土梁桥相比，钢管混凝土哑铃形拱桥不仅跨越能力强、结构类型众多、造型美观，而且其上下部结构施工方便、造价适中，在不同桥址区多样复杂的地形、地质、景观要求等条件下均可选用适当的结构类型建桥。图 1-1 展示了两个典型的哑铃形拱桥工程实例。1990 年以来，哑铃形拱桥的工程应用不断增多，尤其近 5 年增长速率加快，新建拱桥的数目约有 30%。这主要是因为钢管混凝土哑铃形拱桥不仅跨越能力强、造型美观、造价适中、施工方便，而且相较于单圆管拱，其截面形状较灵活，可调节面内外惯性矩之比。并且在复杂的桥址区地形地质，和多样的景观要求等条件下，可灵活选取适当的结构类型和支承条件进行工程建设。

立面图,立面图

效荷载对初始缺陷的敏感性弱，结果相对比较确定。在试验数据或数值计算数据的基础上进行数据再建模来确定结构的失效荷载和破坏模式，分析结构受力状态特征的演变规律，为揭示结构的失效机理和协调工作性能奠定了基础。2.3 实验简介该哑铃形拱试验模型以郑州黄河公路二桥[9]为原型。模型拱基本按比例1:10 进行设计，模型拱的净跨径 L = 8.5 m，矢跨比与原型一致。两个钢管皆采用 Φ108×4 mm 的无缝低碳钢管，它们由两块厚 4 mm、相距 50 cm 的钢腹板焊接连接，总体布置如图 2-1(a)所示。材料属性由材性试验测得，其中混凝土立方体抗压强度为 49.8 MPa，钢材的弹性模量和屈服强度分别为 201 GPa 和 239.5MPa。模型拱采用面内、面外共同加载，加载装置如图 2-1(b)所示。在跨径的六分点截面处施加面内竖向集中力。面外在拱顶处施加水平力，大小为单点竖向力的 10%。拱轴线为二次抛物线，表达式为 y= -0.104 x2。模型拱为无铰拱，焊接于厚 25 mm 的钢底板上，并用厚 25 mm 的三角钢板焊接于拱脚台座，以加强拱脚的约束固定作用。

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哈尔滨工业大学硕士学位论文2.5.2 有限元模型模拟钢管混凝土构件常用的建模方法为实体单元法、塑性铰法和纤维模型法。实体单元法建立钢管混凝土拱模型需要定义接触来建立钢管和混凝土之间的粘结作用，对于拱这种大型构件而言不易收敛，此外，实体及壳单元计算效率较低，进行极限承载力分析时耗费时间过长。纤维梁柱单元模型直接从截面内纤维的本构关系出发得到单元乃至整个构件的非线性性能，已成为结构精细化模拟的必要手段，得到广泛应用。初始缺陷对钢管混凝土构件的承载力影响显著。使用模型拱加工误差的实测值作为拱的初始形状缺陷，如图 2-7 所示分别为其竖向误差和横向误差。

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