【摘 要】
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上承式钢箱拱桥结构本身自重较轻,因此能有效地提高上承式拱桥的跨越能力并且降低对基础的承载力要求。上承式钢箱拱桥随着新型材料与建造技术的不断研究与发展,逐渐在铁路桥梁建设中扮演着越来越重要的角色。上承式钢箱拱桥的超静定次数多、边界约束较多、受力复杂,因此研究其设计参数对桥梁的静力承载能力和整体稳定性的影响很有意义。本文以某重载铁路上承式钢箱拱桥为研究背景,利用Midas/civil建立有限元计算模型
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上承式钢箱拱桥结构本身自重较轻,因此能有效地提高上承式拱桥的跨越能力并且降低对基础的承载力要求。上承式钢箱拱桥随着新型材料与建造技术的不断研究与发展,逐渐在铁路桥梁建设中扮演着越来越重要的角色。上承式钢箱拱桥的超静定次数多、边界约束较多、受力复杂,因此研究其设计参数对桥梁的静力承载能力和整体稳定性的影响很有意义。本文以某重载铁路上承式钢箱拱桥为研究背景,利用Midas/civil建立有限元计算模型,分析了钢箱拱桥的静力承载能力和稳定性等,接着通过改变设计特性参数分析矢跨比、立柱数量以及横撑数量对钢箱拱桥承载力与稳定性的影响。最后,利用有限元软件Ansys对受力复杂的拱座与拱脚结合部位做了局部应力分析,并且考虑焊接残余应力对拱脚与拱肋结合处的的影响,得出以下结论:(1)通过对重载铁路钢箱拱桥的静力承载能力分析可知,在不同的荷载工况下,拱脚处的应力最大,最大应力小于钢箱拱肋材料的设计强度要求;重载铁路上承式钢箱拱桥最大位移值出现在拱顶位置,且最大位移值满足钢箱拱桥的规范容许值。(2)随着矢跨比的减小,钢箱拱肋在各种工况下的压应力均增加。重载铁路钢箱拱桥的拱顶位移和桥面系在跨中的位移也随着矢跨比的减小而增大。(3)在满足行车道板受力要求下,立柱数量对桥梁结构的静力特性影响较小,钢箱拱桥的跨中位移和拱肋的压应力均随着立柱数量增加有小范围的减小。但由于立柱数量增多,桥梁的自重增加较多,应当合理设计立柱数量。(4)在各荷载组合下,结构的各阶屈曲模态特征皆为钢箱拱肋横向失稳破坏,说明结构的竖向刚度大于结构的横向刚度。并且结构的各阶屈曲模态的稳定安全系数均大于要求值,因此该桥的整体稳定性满足要求。(5)随着矢跨比的减小,各阶屈曲模态的稳定安全系数也在不断减小,且低阶模态减小的幅度要大于高阶模态减小的幅度,但各阶屈曲模态特征相同。(6)横撑数量的变化对结构的第一阶模态下的稳定安全系数影响巨大,说明横撑数量对结构的整体稳定性起着至关重要的作用,计算表明:横撑数量越多,结构的稳定安全性越大。设计时宜采用恰当的横撑数量。(7)立柱数量的变化对结构的低阶屈曲模态的稳定安全系数影响较小,计算表明:立柱数量越多,结构的稳定安全系数越大。设计时宜采用恰当的立柱数量。(8)在不考虑焊接残余应力时,最不利荷载组合作用下,钢箱拱肋最大拉应力出现在拱肋与拱座结合处,且钢箱应力和预应力钢筋强度均满足要求,混凝土拱座整体大部分区域处于受压状态,应力等值线变化较为平稳,最大压应力出现在拱座底部内侧。(9)考虑焊接残余应力后的钢箱最大主应力主要分布在焊缝位置处,钢箱嵌入到混凝土块内的部分与焊缝结合处的拉应力较大,远离焊缝处的拉应力较小,最大主拉应力大小为206.635MPa,相比于未考虑焊接残余应力时的最大主应力增加了6.7%。
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