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高墩曲线连续刚构桥施工阶段稳定性分析

日期:2017/8/29作者:www.51lunwen.com编辑:lgg点击次数:111
销售价格:150元论文编号:lw201708171900214115论文字数:23454 
论文属性:硕士毕业论文论文地区:中国论文语种:中文 

1 绪论

随着经济的飞速发展,我国的交通事业也得到了全面的改善。公路桥梁建设事业的重心逐渐向西部山区过渡。由于西部地区多崇山峻岭,为桥梁建设带来了诸多的困难。在众多因素的影响下,所新建的桥梁为了适应地形和路线的限制,结构形式越来越复杂。集曲线、高墩、大跨于一身的桥梁越来越多,这种复杂的形式不仅增加了结构受力的复杂性,也为桥梁的施工带来了许多困难。高墩曲线桥在经济性方面相对于直桥并无优势,同等情况下曲线桥造价还会略高于直桥。然而从道路的整体线型来看,曲线桥美观舒适,同时减少直角急弯从而降低了交通事故发生的概率。在静力特性方面,曲线桥受曲率的影响,在荷载的作用下会有扭矩产生,即所谓的弯扭耦合现象。由曲率引起的扭矩和弯矩之间会相互影响,曲线桥的静力特性相比直桥要复杂很多。因此,曲线桥的稳定性明显不同于直桥。与此同时,高墩会使整体结构柔度增加,加之高墩带来的墩体自重增大,阻尼较小等问题,使得高墩曲线桥的稳定性问题越来越受到重视。

1.1 研究背景及意义
桥墩作为桥梁的下部结构,主要作用是承担桥梁上部结构的荷载并将其传递给基础[1]。桥墩承担着由相邻两跨上部结构传来的水平力和竖向力,为保证桥梁施工过程的安全性和成桥后的安全性、耐久性,桥墩必须具有足够的稳定性。对桥墩,特别是高墩的稳定性研究具有一定的现实意义[2]。当前连续刚构桥大多采用悬臂挂篮施工,施工稳定性易受干扰。首先,挂篮施工就必然要考虑挂篮跌落对桥梁结构稳定性的影响;其次,上部结构长期处于悬臂状态,且悬臂长度不断增加,结构稳定性会有所降低;最后,高山深谷中风荷载往往较大。因此,对高墩连续刚构桥施工过程中的稳定性研究对此类桥梁的施工有很大的指导意义。在现今阶段,国内外学者对桥梁进行稳定性分析时大多只是计算到结构特征值的屈曲分析阶段。相关设计人员在设计时也只是依据屈曲分析中第一阶屈曲模态对应的临界荷载来验算结构的安全性。这样的分析和设计都存在一个问题,即忽视了工程实际结构是存在初始缺陷的。结构的初始内力和变形对结构稳定性的影响都被忽略了,所以对实际工程的施工难以起到指导作用。我国的刚构桥建设起步较晚,相比一些发达国家还有差距,大跨径高墩曲线连续刚构桥的稳定性分析也正在发展阶段。对此本文结合国内外研究现状,依据实际工程建立有限元分析模型,对高墩曲线连续刚构桥的稳定性进行分析。
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1.2 高墩曲线连续刚构桥概述
连续刚构桥是主跨为连续梁,且上部结构与下部结构整体固结的桥梁结构。连续刚构桥均为预应力混凝土结构,具有 T 型刚构和连续梁桥的优点,施工和养护简单,行车舒适,而且跨越能力也更强[2]。上世纪 50 年代,原联邦德国建造了第一座现代意义上的刚构桥—沃伦姆斯桥(Worms),最大跨度为 114.2m。首次采用悬臂法施工完成了桥梁的建造,突破了传统施工带来的限制[3]。随后于 1964 年建成的本道夫桥(Bendorf)在原有基础上有了创新,将上部连续梁与主墩固结,因而形成了带铰的连续刚构体系。在上世纪 50 年代到 70 年代期间,T 型刚构体系在工程中逐步得到推广,欧洲各国纷纷开始效仿,大量的此类桥梁建成投入使用。在此过程中,T 型刚构桥的缺陷开始暴露出来。由于混凝土的收缩徐变,加之车辆荷载的长期作用下,其悬臂端的挠度会逐渐增大,进而导致了剪力铰和伸缩缝损坏,车辆行驶受到影响,产生跳车现象。而跳车现象又反作用于桥梁,会使得桥梁结构受力产生变化,易造成开裂与损坏。预应力混凝土技术的发展成功地完善了 T 型刚构桥的缺陷,连续刚构桥应运而生。因为预应力混凝土的应用,连续刚构桥的主梁无需伸缩缝,行车更加平顺,同时对于由混凝土收缩徐变和温度变化引起的墩顶水平力等附加内力也得到了解决,大大的改善了结构的受力性能。相对于发达国家,我国对连续刚构桥的建设和研究起步较晚,但经过多年的努力,目前在连续刚构桥的建设方面已达到国际先进水平。1988 修建的广东洛溪大桥,最大跨径 180m,是我国修建的第一座现代意义上的大跨度连续刚构桥,也是我国连续刚构桥建设事业快速发展的标志性桥梁[4]。1997 年主跨达到270m 的虎门大桥辅航道桥建设完成,标志着我国曲线连续刚构桥的建设水平上升到新的高度[5]。总结近二十年我国的桥梁建设成果,可以看出,国内的连续刚构桥建设正逐步向西部多山地区发展,许多建设难度更大的连续刚构桥正在设计建造中。
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2 桥梁稳定分析理论

2.1 概述
结构的破坏形式有两种:一种是强度破坏,另一种是失稳破坏;前者主要表现为截面应力大于截面材料所能承受的应力而导致构件或结构破坏。后者则主要表现为截面材料虽然能承受截面应力,但是结构不再处于稳定的状态[11]。桥梁结构的稳定性问题是关系到桥梁安全性和经济性的关键问题。伴随着大跨径、高墩的增多,箱形截面的大范围应用和高强轻型材料不断地投入到工程应用当中,无论是桥梁结构的整体刚度还是局部刚度都会有所下降。这时结构的稳定性就会被削弱,稳定问题就显得十分重要。桥梁形式多样故而失稳的形式也各有不同,总体来说,按照范围可分为构件局部、某个构件、部分或整个结构失稳。
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2.2 两类稳定问题
构件处于平衡状态时,施以微弱的扰动可使构件在平衡位置自由振动。处于稳定平衡下的构件,其运动随时间增加而收敛。反之则是认为不稳定的。当自由振动的频率趋近于零时,构件处于临界状态,此状态对应的就是临界荷载。但也并不是绝对的,因为实际中会存在某些结构属于非保守结构体系,非保守结构体系在失稳时作用于结构上的荷载方向会发生变化。对于非保守体系的稳定问题,静力法则和能量法则都不再适用,必须用动力法则进行分析。认为,实际工程中并不存在理想体系,结构或构件往往都是带有初始缺陷的。例如压杆的初始缺陷主要表现为初弯曲,或作用在杆件上的荷载存在初偏心。对于高墩曲线连续刚构桥来讲,高墩在施工过程中受墩身重力和施工偏差的影响会出现初弯曲,以及上部结构传递的竖向荷载存在的初偏心等都会对结构的稳定性产生影响。在荷载的作用下,非理想杆件会立即产生弯曲。存在初始缺陷的非理想体系的临界荷载总是低于欧拉临界荷载。
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3 高墩曲线连续刚构桥施工稳定性分析.....16
3.1 工程背景..........16
3.2 有限元建模.....19
3.3 0 号块阶段高墩稳定性分析..........21
3.4 最大悬臂阶段高墩稳定性分析....29
3.5 成桥阶段稳定性分析.... 37
3.6 本章小结..........42
4 高墩最大悬臂阶段几何非线性分析..........43
4.1 概述..........434.2 程序中几何非线性分析方


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