文档介绍：浙江大学硕士毕业论文钢管硷拱桥非线性稳定性的有限元分析
摘要
钢管混凝土拱桥具有跨越距离大、承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐
火和耐腐蚀性能好等优点,在实际工程中得到了越来越广泛的应用。钢管混凝土
拱桥的破坏主要是拱肋的失稳破坏和强度破坏,失稳破坏有拱肋面内失稳和面外
失稳破坏。对于大跨度的拱桥,在其达到面内外失稳时结构一般己进入弹塑性的
变形范围,此时结构位移也比较大,因此拱桥的面内外稳定性问题是一个材料与
几何非线性的双重非线性问题。
本文同时考虑几何和材料的非线性,采用有限元方法分析钢管混凝土拱桥的
面内和面外稳定性问题。本文首先建立了钢管混凝土拱肋的更为精细的有限元计
算模型,即对钢管、核心混凝土及管内钢筋分别创建有限单元,其中对外围钢管
采用节点平板壳体单元,核心混凝土采用节点实体单元,钢筋采用两节点拉
压杆单元然后利用完全方法法导出了节点实体单元和节
点平板壳单元的切线刚度矩阵,对最终的非线性方程采用基于荷载增量的
迭代方法进行求解。应用该有限元模型,首先对一钢管混凝土拱
肋试验模型的面内极限承载力进行了计算,计算结果与试验结果以及采用单一梁
单元的计算结果作了比较,验证了该方法的有效性而后又对该拱肋模型进行了
面外稳定性分析,获得了前几阶的面内外失稳形态以及在不同量值面外干扰力作
用下的失稳极限承载力。在此基础上对一工程实例—义乌草园桥的单拱肋的面
内极限承载力和面外稳定性进行了计算,将面内的挠度计算结果与实测结果作了
比较,并着重分析了在侧向水平风荷载共同作用下的拱肋的失稳形态和面内外失
稳的顺序。实例计算表明本文的有限元计算模型不仅可以模拟任意截面形状、任
意边界条件、任意荷载下的钢管混凝土拱肋,而且与采用统一理论的单一梁单元
相比能更精确地求得拱肋的面内外失稳形态和极限承载力。
关键词钢管混凝土拱,稳定性,非线性,有限元分析,有限元模型,极限承载
力,增量迭代法
浙江大学硕士毕业论文钢管硅拱桥非线性稳定性的有限元分析
吓
浙江大学硕士毕业论文钢管硅拱桥非线性稳定性的有限元分析
第章绪论
引言
人们对自然的探索,必然是由表及里,由浅而深。结构工程的发展也必然遵循
这一客观规律。随着钢结构、混凝土结构的出现和应用,自然地产生了钢筋混凝土
结构,经历了长时期的工程实践和广大工程技术人员的研究和体会,在充分发挥各
种建筑材料的性能,从而最大可能地节约材料的基础上,钢和混凝土组合结构也就
应运而生,从劲性混凝土到组合梁,又到钢管混凝土。
因此,随着建筑科技的发展,在传统的四大结构形式木结构、砖石砌体结
构、钢筋混凝土结构、钢结构等的基础上,出现了钢一混凝土组合结构。这类新型结
构形式充分发挥了钢和混凝土两种材料的优点,与钢结构相比,它节省钢材,并增
强了构件及建筑物的刚度与钢筋混凝土结构相比,它减轻了重量,增大构件的延
性,并具有更高的强度,充分发挥了钢受拉和混凝土受压两种不同材料的
特点,。
钢组合结构按其组合方式又可分为钢管混凝土结构、型钢钢筋混
凝土结构以及其他类型钢一混凝土组合结构,如外包钢混凝土结构简称外包钢结
构,压型钢板和混凝土组合楼板,钢一混凝土组合梁、混合梁、混合柱、混合节点
结构体系等。其中钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢
管结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构,它利用钢管和混凝土两种材料在
受力过程中的相互制约,使其具备了优异的性能。这是因为,一方面,钢管对棍
凝土的约束作用,使混凝土在三向受力情况下,不仅强度得到提高,还增强了其塑
性和延性另一方面,由于混凝土在存在,又提高了钢管的稳定性。通过两种材料
的组合,使钢管混凝土具有承载力高、韧性和塑性好、抗震和防火性能优越、节约
材料和施工方便等优点。但是,也正是由于两种材料间的相互作用,构成了钢管混
凝土力学性能的复杂性。
钢管混凝土结构概述
钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。按截面形式的不同,分为
方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。钢管混凝土利用钢管和混凝土
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两种材料在受力过程中的相互制约,即钢管对混凝土的约束作用,使混凝土处于复
杂应力状态之下,从而使混凝土强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善。同时,
由于混凝土的变形,使钢管亦处于复杂应力状态。通过二者的组合,充分发挥两种
材料的优点,使钢管混凝土具