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梁拱组合体系设计理论关键问题研究

易云焜

   梁拱组合体系是对传统拱桥的发展,是梁桥和拱桥的结合体,集合了两者的优点。在60~200m跨径范围内,梁拱组合体系造价低廉、施工难度小、对通航基本无阻碍,是最具有竞争力的桥型之一。常见的梁拱组合体系有平行式和内倾式(即提篮拱)两种;但近年来,将拱肋外倾,形成外倾式梁拱组合体系(即蝶形拱)的桥梁也屡见不鲜。本文对平行式梁拱组合体系的概念设计进行了归纳总结,对平行式梁拱组合体系的简化计算和梁拱协作机理进行了研究,对外倾式梁拱组合体系的拱肋倾角和吊杆夹角进行了参数分析以及提出了一种新的确定外倾式梁拱组合体系空间多索面吊杆张拉力的方法。 1.平行式和外倾式梁拱组合体系的概念设计 比较全面地归纳和总结了平面梁拱组合体系总体设计参数(矢跨比、拱肋高跨比、主梁高跨比、拱肋倾角、索面布置等)的一般确定原则以及结构截面尺寸(包括拱肋、主梁、吊杆)的常用取值;结合现有工程实例,总结了外倾式梁拱组合体系的结构布置规律。比较全面地总结了梁拱组合体系关键部位的试验和有限元分析结果,提出了梁拱组合体系关键部位钢筋的四个作用:拱肋的配筋要求;主梁的配筋要求、拱肋与主梁结合传力的配筋要求;局部应力集中的配筋要求。由此得出了关键部位钢筋布置的四个原则:拱肋的纵向钢筋和箍筋;主梁的纵向钢筋和箍筋;垂直于拱肋的斜拉筋;支座和角隅的加强钢筋网。 2.梁拱组合体系的实用计算 对均布荷载作用下,梁拱组合体系吊杆力的有限元结果进行分析、综合,作出了吊杆力大小相等的假定,并将吊杆力假定为膜张力,将梁拱组合体系分解成梁拱组合体和吊杆两种构件,由变形协调方程,通过结构力学方法求解出了均布荷载作用下梁拱组合体系的吊杆均布膜张力以及跨中拱肋、主梁挠度的简化公式。分析了简化公式误差产生的原因,即,用四次抛物线膜张力修正均布膜张力、余弦荷载修正膜张力产生的误差,分别提出了修正系数c1、c2,再将修正后的结果与有限元结果的比较,提出了综合修正系数c3。讨论了轴向变形的影响,给出了特例情况下的公式简化,并从动态变形协调角度得出了同样的计算公式。提出了集中荷载作用下的影响线求解思路。 3.梁拱组合体系的梁拱协作机理研究 由结构力学方法,给出了外荷载分别作用在拱肋、主梁以及均布膜张力作用下梁拱组合体的有关计算公式,并求解出了梁拱组合体的弹性中心公式。求解出了拱梁荷载比、拱梁弯矩比的计算公式,讨论了梁拱截面抗弯刚度比、吊杆拱肋等代弯矩刚度比、矢跨比、轴向变形影响系数对它们的影响曲线关系。由拱梁弯矩比、主梁轴力、主梁挠度、拱肋挠度四个指标,对刚拱柔梁、柔拱刚梁、刚拱刚梁进行了界定,得出了界定值,认为可将EI_b/EI_a≤1/50定义为刚拱柔梁;可将EI_b/EI_a≥20定义为柔拱刚梁,且必须将柔拱刚梁的计算模式取为朗格拱,不能仅将EI_a=20EI_b。 4.外倾式梁拱组合体系的合理倾角确定 根据拱肋、主梁、吊杆的夹角关系对外倾式梁拱组合体系进行了分类,由拱肋与竖直平面的夹角关系提出了基本体系Ⅰ、由拱肋和吊杆的夹角关系提出了基本体系Ⅱ。通过基本体系Ⅰ的位移、内力影响线分析,以及梁拱结构变形、结构内力、吊杆力、结构稳定性能等结构性能指标与拱肋倾角的关系的参数分析,得到了这些指标与拱肋倾角的变化关系,提出了合理的拱肋倾角值,即不超过30°;通过这些指标与吊杆夹角的关系的参数分析,得到了这些指标与吊杆夹角的变化关系,提出了合理的吊杆夹角值为零,即拱肋外力与拱肋同平面。 5.空间多索面吊杆张拉力的确定 探讨了桥梁结构的合理设计状态含义,并将其分为施工、成桥、运营等三个阶段,论述了三个阶段合理设计状态的定义和相互关系。提出运营阶段是桥梁合理设计状态的核心,但由于运营阶段的可变作用、收缩徐变等影响难于确定,实际中常常求解成桥时的合理设计状态。提出了一种新的、借助于大型通用有限元软件ANSYS的一阶优化算法的、能确保施工、成桥、营运设计受力和线型状态合理的、根据实际施工过程全仿真的、方便处理各种非线性因素影响的成桥合理设计状态索力(吊杆力)确定方法。这种方法简单可行,能建立成桥索力(设计变量)与合理设计状态指标(优化目标)的直接、正向联系。……