组合集系桥梁构件协作受力特征研究

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近年来,梁拱组合体系桥、自锚式悬索桥和矮塔斜拉桥越来越受到设计者的亲睐。随着经济的发展,人们对桥梁的要求往往不再满足于其基本交通功能要求,而追求其成为一个地标,成为周围和谐环境的一分子。而这些桥型结构新颖,给人以耳目一新的感觉,正好迎合这个需求。这些桥型在结构上有一个共同的特点,都是以受弯为主的梁、受压为主的拱和塔、只受拉的缆索或吊杆等构件组合而成,即所谓的组合体系。由于组合体系桥梁组成构件多且各构件受力功能不一,这就给这类桥型的力学分析带来了一定的困难,而且各构件刚度大小的取值更成了设计者的一个大问题。关于组合体系桥梁各构件间协作受力特性方面的研究较少,大多研究只是对某特定组合体系桥梁进行有限元分析,得出了一些个体的结论,这对设计者确定构件尺寸帮助不大。如果能通过力学公式直接表达各构件的荷载分担比例和计算变形,并对力学公式进行分析,则可以对此类桥型获到比较全面、总体的认识。   本文主要研究此类组合体系桥梁构件间的协作受力关系和各构件的荷载分担比例,由于时间和精力所限,本文仅对下承式三跨连续梁拱组合桥、双塔单跨自锚式悬索桥和矮塔斜拉桥三种组合体系桥梁进行了研究。   通过引入若干基本假定,推导组合体系各构件的荷载分担比例和挠度计算公式。采用有限元分析对公式进行验证和修正或简化,并对计算公式中各个结构参数进行参数分析,研究不同结构参数取值对桥梁受力性能的影响。研究的具体内容有:   (1)求解出了下承式三跨梁拱组合桥在中跨均布荷载和三跨满布均布荷载作用下的拱肋荷载分担比、拱肋跨中挠度、主梁跨中挠度的计算公式。采用有限元分析对公式进行了验算、误差分析和公式修正,并分析了梁拱截面抗弯刚度比、吊杆拱肋等代刚度比、拱肋矢跨比、边跨与中跨跨径比以及拱肋、主梁轴向变形系数等五个结构参数对拱肋荷载比的影响。   (2)推导出了固定索鞍和不固定索鞍下双塔单跨自锚式悬索桥在中跨均布荷载作用时主缆荷载分担比和主梁、主缆跨中挠度的计算公式。通过误差分析对公式进行了简化。最后通过参数分析讨论了缆梁等代刚度比、塔梁抗弯刚度比、吊杆主梁等代刚度比、主缆矢跨比、边跨与中跨跨径比这五项结构参数对主缆荷载分担比的影响。   (3)推导出了单塔双跨、多塔多跨、双塔三跨矮塔斜拉桥的拉索等效膜张力计算公式,并采用有限元分析对其进行了验证。提出拉索等效荷载分担比概念,对常见矮塔斜拉桥的等效荷载系数进行了分析。最后通过参数分析讨论了索梁等代刚度比和拉索倾角对拉索等效膜张力的影响。   上述推导得到的计算公式和结构参数分析,对此类组合体系桥梁初步设计具有重要参考价值。
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