【博士】多重组合体系拱桥的静动力特性研究【2008】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：长沙理工大学　　学位年度： 2008年　　对于特大跨度拱桥，无论在结构体系还是施工工艺上，追求的目标应是在满足功能的前提下，做到造价省、工期短、施工方便、安全耐久和外形美观。正是基于此，多重组合体系拱桥迅速兴起，并得到了广泛的应用。　　本文以广东佛山东平大桥为背景，采用经典力学方法和有限元法对其新结构体系进行静、动力分析，研究了这种结构体系与传统拱桥结构在受力上的差别，并在此基础上采用遗传算法对此桥的设计参数进行了优化；采用梁、壳耦合有限元模型对主、副拱的连接节点进行了局部应力分析，并识别了其连接刚度；针对桥梁转体过程中提升索力大小由油缸控制的特点，优化了转体过程中的结构计算方法，提高了计算效率，并对施工过程中影响结构安全的关键部位的受力状况进行了研究。完成的主要工作有：　　(1)基于力法原理，根据佛山东平大桥的受力特点，对由主拱、副拱、刚性系杆和连续梁组合而成的多重组合体系拱桥结构进行简化，得到了其静力学计算模型，并在此基础上，推导了各组合构件对整体结构受力影响的计算公式，定性地分析了多重组合体系拱桥与传统飞燕式柔性系杆拱桥在力学性能上的差别。同时，建立了多重组合体系拱桥的平面有限元模型，定量地研究了副拱和连续梁等组合结构对整体结构受力的影响。，　　(2)建立多重组合体系拱桥的空间组合有限元模型，以有效振型质量参与系数确定其有效参与振型，并对反应谱进行阻尼修正，进行了结构的地震反应谱分析，研究副拱和边跨连续梁对整体结构自振特性和反应谱分析结果的影响。　　(3)基于遗传算法和有限单元法，选取主拱矢跨比、拱轴系数、各关键截面的截面高度和钢箱壁厚为设计参数，以拱结构材料用量和结构的最大应力为约束条件，以控制截面应力平方均值最小为优化目标，编制结构优化计算程序GA-FEM，对东平大桥的结构设计进行了优化。　　(4)以梁的平截面假定为依据，采用约束方程实现梁、壳连接节点间的自由度传递，构建整体、局部藕合有限元模型进行数值分析，得到了结构平转时主、副拱连接节点的应力分布，识别了连接节点的连接刚度，研究了连接节点内的加劲肋对整体结构受力的影响。　　(5)采用一阶优化理论，建立转体施工拱桥的优化计算模型。此模型指定各吊点提升索力大小为设计变量，将结构物特定点的空间坐标设为目标函数，将液压同步提升技术的控制要求设为约束条件。通过对目标函数进行优化计算，以计算机自动求解代替人工试算，大大减少了计算工作量。　　(6)采用解析法、设计简化方法和精细非线性有限元法，在验证了接触有限元模型参数设定可靠性的基础上，系统地计算了销轴连接结构的接触应力，并将理论计算结果与实测值对比，两者吻合较好。在此基础上，研究了提升力大小和材料本构关系等对接触应力计算结果的影响。　　

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