大跨徑鋼管混凝土拱出平面徐變穩(wěn)定性能研究

近二十年來，鋼管混凝土拱橋因力學性能優(yōu)越、施工方便等優(yōu)勢在我國發(fā)展迅速，其最大跨徑已超過500米。但跨徑的增大導致鋼管混凝土拱肋出平面徐變穩(wěn)定問題突出。若干上世紀90年代建成的鋼管混凝土拱橋近年已出現(xiàn)安全問題。我國現(xiàn)行的國家標準《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)范（GB 50923-2013）》未考慮拱肋出平面徐變穩(wěn)定問題。相關研究剛剛起步，缺乏試驗驗證，且分析中未考慮施工過程影響，結果偏于不安全。本項目工作如下： 1）考慮橋面系的非保向力作用，進行圓形截面鋼管混凝土拋物線無鉸拱在沿跨度方向均布荷載作用下的出平面徐變穩(wěn)定性能試驗，獲得構件在持荷一年后的穩(wěn)定承載力為150kN，時效作用對鋼管混凝土拱肋位移的影響不可忽視。 2） 通過UMAT二次開發(fā)程序對ABAQUS有限元軟件進行二次開發(fā)，采用歐洲規(guī)范EC2模型及逐步積分法模擬核心混凝土在變應力作用下的時效作用，采用韓林海模型模擬高應力狀態(tài)下核心混凝土的非線性性能及約束作用，建立了較為精確的鋼管混凝土拱肋徐變穩(wěn)定性能有限元分析模型。該模型可同時考慮施工過程、混凝土的老化、軸力與彎矩組合作用下構件的長期效應、幾何與材料非線性等因素。通過與試驗結果進行對比，驗證了有限元模型的可靠性。 3）通過系統(tǒng)的參數(shù)分析，研究核心混凝土時效作用所引起的屈曲前變形對圓形截面鋼管混凝土拋物線無鉸拱出平面穩(wěn)定承載力的影響，確定關鍵參數(shù)，提出考慮該影響的拱肋出平面穩(wěn)定承載力設計公式。分析發(fā)現(xiàn)，時效作用最多可使拱出平面穩(wěn)定承載力降低14%，所提出的設計公式與有限元結果吻合良好，相差不超過10%，且偏于安全。 4）分析發(fā)現(xiàn)，時效作用所引起的拱肋屈曲前線型偏移是影響拱肋穩(wěn)定承載力的最關鍵因素。為此，提出一種簡化方法預測拱肋長期位移，并通過增加拱肋初始缺陷考慮該偏位量對其穩(wěn)定承載力的影響，建立了一種鋼管混凝土拱出平面徐變穩(wěn)定承載力的簡化分析方法。其分析結果與精確模型的分析結果相差不超過5%，是合理可靠的。 5）考慮施工過程影響，分析四肢桁式鋼管混凝土拱肋出平面徐變穩(wěn)定性能，確定主要影響因素。分析發(fā)現(xiàn)，兼顧時效作用與施工過程影響后，四肢桁式鋼管混凝土拱出平面徐變穩(wěn)定性能，確定主要影響因素。分析發(fā)現(xiàn)，兼顧時效作用與施工過程后，四肢桁式鋼管混凝土拱的出平面穩(wěn)定承載力降低幅度顯著增大，最大可降低23%。 2100433B

近二十年來，鋼管混凝土拱橋因力學性能優(yōu)越、施工方便等優(yōu)勢在我國發(fā)展迅速，其最大跨徑已超過500米。但跨徑的增大導致鋼管混凝土拱肋出平面徐變穩(wěn)定問題日益突出。事實上，由于現(xiàn)有設計并未考慮徐變對拱肋出平面穩(wěn)定的影響，若干上世紀90年代建成的鋼管混凝土拱橋近年已出現(xiàn)安全問題?，F(xiàn)有兩部鋼管混凝土拱橋地方標準（2011年）均未考慮拱肋出平面徐變穩(wěn)定。而相關研究剛剛起步，研究結論缺乏試驗驗證，且分析時未考慮施工過程影響，計算結果偏于不安全。因此，本項目擬進行鋼管混凝土拱出平面徐變穩(wěn)定性能試驗；考慮施工過程影響，系統(tǒng)分析鋼管混凝土拱肋出平面徐變穩(wěn)定性能，確定主要影響因素，提出有限元簡化計算方法，并建立鋼管混凝土拱肋出平面穩(wěn)定安全系數(shù)的徐變折減系數(shù)設計公式。本項目的研究成果將進一步完善鋼管混凝土拱橋設計理論，促進該橋型的發(fā)展。

內容介紹

《鋼管混凝土徐變》在對鋼管混凝土構件進行力學分析的基礎上，應用混凝土徐變的繼效流動理論及多軸應力下混凝土徐變理論，對鋼管混凝土構件的徐變進行了分析，并給出簡便的設計公式，將其應用于鋼管混凝土的格構柱、框架結構和拱橋結構中。全書共分7章，主要內容包括緒論、鋼管混凝土的軸心受壓構件徐變、小偏心受壓構件徐變、大偏心受壓構件徐變、受彎構件徐變及鋼管混凝土結構徐變等。《鋼管混凝土徐變》可供從事土木工程、力學研究等的科技人員及高等院校相關專業(yè)師生參考。

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本書重點闡述鋼管混凝土徐變理論。本書主要內容包括鋼管混凝土軸心受壓、偏心受壓、受彎構件以及鋼管混凝土構件在溫度影響下的徐變行為分析，鋼管混凝土結構在考慮幾何非線性、溫度效應等因素作用下的徐變效應分析，鋼管混凝土結構徐變效應的概率分析以及徐變對鋼管混凝土結構適用性可靠度的影響，徐變對鋼管混凝土結構動力特性、確定性動力響應、隨機振動響應和動力可靠度的影響等內容。本書的研究內容屬于鋼管混凝土徐變研究的前沿問題。本書按照研究問題劃分章節(jié)，每一章都獨立、完整地敘述了一類問題，包括相應的研究背景、研究方法和過程、研究結論等。 本書可供從事土木工程領域研究的科技人員及高等院校相關專業(yè)的師生參考。

快速水化的核心混凝土在很早齡期就開始與鋼管協(xié)同承受荷載，體現(xiàn)鋼管混凝土早齡期徐變區(qū)別其他結構的特點。早齡期徐變使鋼管混凝土應力分布和變形具有顯著的動態(tài)性和復雜性。為合理計算鋼管混凝土初始應力和變形，對早齡期徐變進行研究是必要的。.本項目對鋼管混凝土早齡期徐變開展試驗和理論研究。應力狀態(tài)下早齡期核心混凝土強度和彈性模量發(fā)展對分析早齡期鋼管混凝土力學性能非常重要，故開展試驗并應用可壓縮堆積模型建立計算方法。在此基礎上，應用水化動力學和粘彈性理論建立核心混凝土早齡期徐變模型。通過確定鋼管與核心混凝土彈性模量比時程曲線，解決彈性理論對早齡期混凝土不適用的難題，結合試驗，建立鋼管混凝土早齡期徐變計算方法。進行鋼管混凝土壓彎構件早齡期徐變試驗，分析早齡期徐變對鋼管混凝土應力分布和變形的影響。最后，探討徐變在早齡期與標準齡期計算上的統(tǒng)一性。項目立題新穎，創(chuàng)新性強，理論研究難度大。申請人前期工作基礎扎實。