中承式钢管混凝土拱桥考虑材料延性的抗震动力性能研究

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中承式拱桥是一种常见的拱桥桥型,而钢管混凝土作为一种具有良好延性的材料已被广泛应用于中承式拱桥中,而研究这种材料对中承式拱桥动力性能的影响是十分必要的。  本文以钢管混凝土构件在反复荷载作用下的试验结果为依据,建立了由钢材和混凝土组合而成的复合梁单元有限元模型,并通过大量构件的数值分析,回归出钢管混凝土材料整体的应力-应变本构关系公式,得到了试验结果的验证。在该本构关系的基础上,对茅草街大桥的动力性能进行了分析。  1、通过复合单元法形成了以钢材和混凝土组成的钢管混凝土构件有限元模型,以该模型进行往复荷载作用下的钢管混凝土构件计算,所得结果于试验结果进行比较吻合较好,也说明钢管混凝土具有良好地延性。  2、在此基础上,利用复合梁单元计算了单拱肋在顺桥向、竖向以及横桥向反复荷载作用下的力-位移骨架曲线和弯矩-曲率滞回曲线,并分析了影响单拱肋滞回性能的各种因素,并给出了相应的图表,可为钢管混凝土拱桥动力分析提供一定的参考。  3、由于拱肋在空间上为各向不同的几何形状,无法建立统一的力-位移模型或弯矩-曲率模型,因此在计算结果中提取出相应的应力和应变,通过回归得出钢管混凝土拱肋的应力-应变本构关系公式,以该公式计算所得的拱肋弯矩-曲率骨架曲线和力-位移骨架曲线与复合梁单元所得结果基本吻合,说明该本构关系合理,有效。利用此应力-应变关系,以统一理论概念为基础形成截面统一的切线刚度矩阵,建立3维非线性梁单元来模拟钢管混凝土拱肋。  4、利用大型有限元程序ANSYS建立了茅草街大桥的有限元模型,拱肋采用回归所得的应力-应变本构关系,对该模型进行了地震时程反应分析,并对拱肋材料非线性模型和线性模型所得结果进行了比较。得出对于大跨度中承式钢管混凝土拱桥在地震荷载作用下拱肋材料在面外先进入非线性,在抗震设计中应予以关注。  5、采用大质量法对茅草街大桥模型进行了同步激励和行波激励两种输入模式的地震反应分析,并在模型中引入了拱肋材料的非线性,得出两种输入模式下拱肋在各个方向的位移、弯矩轴力对比,行波输入的地震反应均大于一致激励输入的地震反应。对同节点地震反应时程曲线的比较得出由于行波效应的存在使得结构各点的振动不同步,与一致激励相比发生了较大的变化。  6、分析了横撑布置与桥面系对中承式钢管混凝土拱桥地震响应的影响,得出最大的影响因素是桥面系,桥面系的存在使得拱肋地震弯矩、位移响应大大增加。此外横撑的存在使得拱肋面内弯矩、顺桥向位移、竖向位移有一定变化,但主要影响的是拱肋面外弯矩和位移,横撑的存在对拱桥整体抗震性能来说既有有利的方面,也有不利的方面,关键是在保证拱桥侧向稳定的前提下,应对横撑的设置进行优化,从而达到一个最有利的形式。  本论文的研究成果可为大跨度中承式钢管混凝土拱桥的抗震设计理论和方法提供参考。
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