鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定性的可靠度分析與安全系數(shù)評定.pdf

1、由于具有結(jié)構(gòu)自重輕、抗壓極限承載力高、施工方便以及造型美觀等特點，鋼管混凝土近年來在拱橋結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界已建成的鋼管混凝土拱橋總數(shù)超過400座。我國從20世紀90年代開始建造鋼管混凝土拱橋，并在隨后的20多年時間里得到快速發(fā)展，因而相關(guān)領(lǐng)域的理論與試驗研究再次引起學(xué)者們的興趣，得到了一些有益的結(jié)論。然而，目前對于鋼管混凝土拱橋的研究主要集中在新橋型與新技術(shù)的應(yīng)用，實踐的快速發(fā)展與理論研究相對滯后的矛盾日益突出

2、。我國現(xiàn)已建成鋼管混凝土拱橋300余座，占世界總數(shù)的3/4，并已進入大跨橋梁的建設(shè)行列。隨著拱肋材料強度的提高與跨徑的增加，拱肋的長細比也隨之增大，因而穩(wěn)定問題更為突出。盡管拱肋的時不變穩(wěn)定問題已有一些研究成果，但針對鋼管混凝土拱肋時變穩(wěn)定問題的研究相對較少，且已有研究大多不考慮不確定性的影響。此外，鋼管混凝土拱肋的穩(wěn)定設(shè)計主要借鑒鋼筋混凝土拱肋，而鋼筋混凝土拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)的取值主要根據(jù)以往經(jīng)驗和專家建議，其合理性仍需進一步驗證。針對

3、鋼管混凝土拱橋的上述問題，本文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）鋼管混凝土拱肋的時不變穩(wěn)定性。從彈性穩(wěn)定和非線性穩(wěn)定的角度，通過有限元分析研究鋼管混凝土拱肋的穩(wěn)定承載力，并通過解析表達式或已有試驗數(shù)據(jù)對本文的有限元模型進行驗證。采用有限元數(shù)值模擬進行參數(shù)分析，得到長細比、矢跨比以及截面含鋼率對穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律，并將按彈性理論與非線性理論計算的穩(wěn)定承載力進行對比分析。結(jié)果表明：本文的有限元模型具有較好的計算精度與效率。
　　

4、（2）鋼管混凝土拱肋的時變穩(wěn)定性。從穩(wěn)定承載力的角度研究混凝土徐變引起的拱結(jié)構(gòu)抗力退化。對于圓弧拱的面內(nèi)穩(wěn)定，通過引入徐變積分算子，推導(dǎo)并得到了面內(nèi)徐變穩(wěn)定承載力計算公式，分析了截面含鋼率和混凝土加載齡期的影響。對于面外穩(wěn)定，提出采用時變初始幾何缺陷描述混凝土拱肋在任意時刻徐變變形的方法，進而將該缺陷引入有限元模型求解面外徐變穩(wěn)定承載力。以無鉸拋物線拱為例，分析了持荷水平、長細比、矢跨比、橫向擾動力、截面含鋼率以及混凝土加載齡期對面外徐

5、變穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：鋼管混凝土拱肋面內(nèi)與面外穩(wěn)定承載力受混凝土徐變的影響均較大。
　?。?）鋼管混凝土拱肋時不變穩(wěn)定性的可靠度分析。首先建立了鋼管混凝土拱肋時不變穩(wěn)定承載力的極限狀態(tài)函數(shù)，將通用有限元軟件與可靠度分析工具箱相結(jié)合，利用軟件的應(yīng)用程序接口，編程實現(xiàn)了鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定性的時不變有限元可靠度分析與靈敏度分析，分析了截面含鋼率對可靠指標與靈敏度指標的影響程度。采用蒙特卡羅模擬與拉丁超立方體抽樣方法，得到了穩(wěn)

6、定承載力的統(tǒng)計矩信息。結(jié)果表明：抗力與荷載不確定性對鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定承載力可靠指標的影響均較大。
　　（4）鋼管混凝土拱肋徐變穩(wěn)定性的時變可靠度分析。首先建立了考慮徐變的鋼管混凝土拱肋時變穩(wěn)定承載力極限狀態(tài)函數(shù)，采用蒙特卡羅模擬方法得到了混凝土徐變系數(shù)的統(tǒng)計矩信息。對于面內(nèi)穩(wěn)定，以前文推導(dǎo)的徐變穩(wěn)定承載力計算公式為抗力退化模型；對于面外穩(wěn)定，以非線性有限元求解的穩(wěn)定承載力與時間隱式函數(shù)為抗力退化模型，結(jié)合有限元一次可靠度方法與時

7、變可靠度分析方法，研究了混凝土徐變引起鋼管混凝土拱肋穩(wěn)定承載力可靠指標的衰減規(guī)律，分析了不同隨機變量對可靠指標與靈敏度指標的影響程度。采用蒙特卡羅模擬與拉丁超立方體抽樣方法，得到了面內(nèi)徐變穩(wěn)定承載力與面外徐變變形的統(tǒng)計矩信息。結(jié)果表明：混凝土徐變對鋼管混凝土拱肋面內(nèi)與面外穩(wěn)定承載力可靠指標的影響均較大。
　　（5）基于可靠度反分析的鋼管混凝土拱肋時不變與時變穩(wěn)定安全系數(shù)評定。對于時不變穩(wěn)定性，首先建立了面內(nèi)穩(wěn)定與面外穩(wěn)定承載力的極