大跨钢拱架—混凝土组合拱桥施工至成桥全过程稳定性研究及优化设计

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钢拱架-混凝土组合拱桥是近年来新兴的一种拱桥形式,结合了目前较为成熟的钢拱架施工技术的优势和钢-混组合结构的优点,但稳定性问题突出。本论文依托一座正在规划设计的钢拱架-混凝土组合拱桥工程,首先考虑三种组合截面的处理模式,建立了钢拱架-混凝土组合拱桥施工各阶段至成桥全过程有限元模型。通过对有限元分析的结果进行比较得出:采用混凝土与钢拱架多弹性连接单元的组合截面处理模式(模式(2))比少弹性连接单元的组合截面处理模式(模式(1))能更有效与后期施工各阶段相结合;采用联合截面建立的组合截面处理模式(模式(3))受力结果与前两者相差较大;且其形成的拱结构模型更接近于钢管混凝土拱,故不可取。然后从局部稳定性和拱结构整体稳定性两方面入手,在考虑几何非线性效应影响的基础上,选用模式(2)对该拱桥模型施工至成桥全过程进行了稳定性分析,研究结果表明:组成钢拱架各类构件在各阶段满足钢构件局部稳定验算要求,各阶段不存在局部失稳的现象;但是在拱圈浇筑混凝土的C2、C3、C4三个阶段,拱结构整体稳定系数小于4。针对存在的问题,一方面,由于组成钢拱架9#钢构件为主要受力构件,在考虑混凝土浇筑工序不变的条件下,以9#钢构件截面特性为变量进行参数化分析。在考虑几何非线性的基础上,分析结果表明:⑴在裸钢拱架阶段C0,改变钢拱架9#构件的截面特性对裸钢拱架的整体稳定性影响不显著,反而随着9#钢构件截面的增大,拱结构稳定性有所降低;⑵在拱圈浇筑混凝土阶段随着9#类钢构件截面的增大,拱结构稳定性有较大提升。由⑴⑵比较后得出采用型钢规格L100×6时各阶段整体稳定系数值较大。另一方面,考虑不改变组成钢拱架各构件的截面特性,提出了7种不同的混凝土浇筑方案。有限元分析结果表明,提出的7种方案中稳定性均要高于原方案,比较7种方案,优选出方案3为最合理的混凝土浇筑方案。另外,本文基于预压荷载的参数化分析发现:在钢拱架-混凝土组合拱桥施工中若采用恒压荷载的施工方法能有效减小由于拱架变形对混凝土浇筑成型造成的不利影响。
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