鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定性的可靠度分析與安全系數(shù)評(píng)定.pdf

1、由于具有結(jié)構(gòu)自重輕、抗壓極限承載力高、施工方便以及造型美觀等特點(diǎn)，鋼管混凝土近年來在拱橋結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界已建成的鋼管混凝土拱橋總數(shù)超過400座。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始建造鋼管混凝土拱橋，并在隨后的20多年時(shí)間里得到快速發(fā)展，因而相關(guān)領(lǐng)域的理論與試驗(yàn)研究再次引起學(xué)者們的興趣，得到了一些有益的結(jié)論。然而，目前對(duì)于鋼管混凝土拱橋的研究主要集中在新橋型與新技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)踐的快速發(fā)展與理論研究相對(duì)滯后的矛盾日益突出

2、。我國(guó)現(xiàn)已建成鋼管混凝土拱橋300余座，占世界總數(shù)的3/4，并已進(jìn)入大跨橋梁的建設(shè)行列。隨著拱肋材料強(qiáng)度的提高與跨徑的增加，拱肋的長(zhǎng)細(xì)比也隨之增大，因而穩(wěn)定問題更為突出。盡管拱肋的時(shí)不變穩(wěn)定問題已有一些研究成果，但針對(duì)鋼管混凝土拱肋時(shí)變穩(wěn)定問題的研究相對(duì)較少，且已有研究大多不考慮不確定性的影響。此外，鋼管混凝土拱肋的穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要借鑒鋼筋混凝土拱肋，而鋼筋混凝土拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)的取值主要根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和專家建議，其合理性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。針對(duì)

3、鋼管混凝土拱橋的上述問題，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）鋼管混凝土拱肋的時(shí)不變穩(wěn)定性。從彈性穩(wěn)定和非線性穩(wěn)定的角度，通過有限元分析研究鋼管混凝土拱肋的穩(wěn)定承載力，并通過解析表達(dá)式或已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)分析，得到長(zhǎng)細(xì)比、矢跨比以及截面含鋼率對(duì)穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律，并將按彈性理論與非線性理論計(jì)算的穩(wěn)定承載力進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：本文的有限元模型具有較好的計(jì)算精度與效率。
　　

4、（2）鋼管混凝土拱肋的時(shí)變穩(wěn)定性。從穩(wěn)定承載力的角度研究混凝土徐變引起的拱結(jié)構(gòu)抗力退化。對(duì)于圓弧拱的面內(nèi)穩(wěn)定，通過引入徐變積分算子，推導(dǎo)并得到了面內(nèi)徐變穩(wěn)定承載力計(jì)算公式，分析了截面含鋼率和混凝土加載齡期的影響。對(duì)于面外穩(wěn)定，提出采用時(shí)變初始幾何缺陷描述混凝土拱肋在任意時(shí)刻徐變變形的方法，進(jìn)而將該缺陷引入有限元模型求解面外徐變穩(wěn)定承載力。以無(wú)鉸拋物線拱為例，分析了持荷水平、長(zhǎng)細(xì)比、矢跨比、橫向擾動(dòng)力、截面含鋼率以及混凝土加載齡期對(duì)面外徐

5、變穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：鋼管混凝土拱肋面內(nèi)與面外穩(wěn)定承載力受混凝土徐變的影響均較大。
　?。?）鋼管混凝土拱肋時(shí)不變穩(wěn)定性的可靠度分析。首先建立了鋼管混凝土拱肋時(shí)不變穩(wěn)定承載力的極限狀態(tài)函數(shù)，將通用有限元軟件與可靠度分析工具箱相結(jié)合，利用軟件的應(yīng)用程序接口，編程實(shí)現(xiàn)了鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定性的時(shí)不變有限元可靠度分析與靈敏度分析，分析了截面含鋼率對(duì)可靠指標(biāo)與靈敏度指標(biāo)的影響程度。采用蒙特卡羅模擬與拉丁超立方體抽樣方法，得到了穩(wěn)

6、定承載力的統(tǒng)計(jì)矩信息。結(jié)果表明：抗力與荷載不確定性對(duì)鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定承載力可靠指標(biāo)的影響均較大。
　?。?）鋼管混凝土拱肋徐變穩(wěn)定性的時(shí)變可靠度分析。首先建立了考慮徐變的鋼管混凝土拱肋時(shí)變穩(wěn)定承載力極限狀態(tài)函數(shù)，采用蒙特卡羅模擬方法得到了混凝土徐變系數(shù)的統(tǒng)計(jì)矩信息。對(duì)于面內(nèi)穩(wěn)定，以前文推導(dǎo)的徐變穩(wěn)定承載力計(jì)算公式為抗力退化模型；對(duì)于面外穩(wěn)定，以非線性有限元求解的穩(wěn)定承載力與時(shí)間隱式函數(shù)為抗力退化模型，結(jié)合有限元一次可靠度方法與時(shí)

7、變可靠度分析方法，研究了混凝土徐變引起鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定承載力可靠指標(biāo)的衰減規(guī)律，分析了不同隨機(jī)變量對(duì)可靠指標(biāo)與靈敏度指標(biāo)的影響程度。采用蒙特卡羅模擬與拉丁超立方體抽樣方法，得到了面內(nèi)徐變穩(wěn)定承載力與面外徐變變形的統(tǒng)計(jì)矩信息。結(jié)果表明：混凝土徐變對(duì)鋼管混凝土拱肋面內(nèi)與面外穩(wěn)定承載力可靠指標(biāo)的影響均較大。
　?。?）基于可靠度反分析的鋼管混凝土拱肋時(shí)不變與時(shí)變穩(wěn)定安全系數(shù)評(píng)定。對(duì)于時(shí)不變穩(wěn)定性，首先建立了面內(nèi)穩(wěn)定與面外穩(wěn)定承載力的極