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大角度V撑蝶形拱式连续梁桥受力性能的研究

作 者: 王立峰
导 师: 贾艳敏
学 校: 东北林业大学
专 业: 林区交通工程
关键词: 大夹角V撑 受力性能 非线性分析 人工神经网络 风险分析
分类号: U441
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


梁式桥是具有悠久历史的桥梁结构体系。按承重结构的静力体系划分,梁式桥包括简支梁、悬臂梁以及连续梁桥。近年,在建筑材料、设计理论、施工工艺水平大幅提高的基础上,以传统梁桥理论为基础进行桥梁结构形式的创新层出不穷,V撑蝶形拱式连续梁桥正是在此背景下出现的新型结构之一。其中,V撑(即V墩)的出现丰富了桥梁的艺术造型,同时彰显了增大整体刚度、减小跨径、改善主梁受力性能等优点。蝶形拱即拱肋向桥外侧有倾角,从远处观望,犹如振翅欲飞的蝴蝶。此桥型外观新颖,富有空间曲线美及力度感,具有明显的艺术造型与技术创新的特点,但V撑蝶形拱的构造复杂,设计和施工难度均相对较高。因此,准确的分析其结构的受力特征、了解结构破坏形式、开展其极限承载力的研究、获取结构在特定荷载工况下的安全储备能力,为今后同类桥型的设计、施工、监控提供可靠的参考和指导,具有重要的现实意义。本文结合黑龙江省黑河市大黑河岛蝶形拱式连续梁桥建设项目,该桥的V撑结构具有大夹角和双向V形的特点,为国内首例。通过理论分析、数值模拟、施工现场监测、神经网络等研究方法,研究了大角度V撑蝶形拱式连续梁桥对不同结构参数的敏感性规律、应力传感器埋设的合理位置的确定、明确风险分析的目标并确定结构失效风险最大阶段。主要工作内容包括结构的理论分析、现场应变传感器的埋设、数据的测试与分析、结构的数值模拟以及多参数敏感性规律的归纳总结。主要研究内容与成果如下:(1)通过数值模拟分析与现场实测相结合的方法,进行大角度V撑蝶形拱式连续梁桥不同参数的敏感性分析,通过人工神经网络技术与参数敏感性分析的结合,根据一个特定的系统和一个给定的基准状态,识别出对系统状态产生影响的参数,从而分析参数变化对系统状态的影响程度。总结了桥梁结构施工阶段及运营阶段的敏感性参数,为同类桥梁设计、施工提供理论支持。(2)应用有限元分析理论和大型有限元分析程序,建立了大黑河岛蝶形拱式连续梁桥的整桥静力分析模型并展开分析研究。通过结构内力的分布情况,选择结构受力不利、受力情况难以明确或重点关注的位置进行传感器的埋设,初步确定传感器的布置形式,并通过现场检测得出测试数据与模型分析的结果的对应关系,进行分析研究,提出了可全面而精确的获得结构受力信息的传感器布置方案,提高同类桥型施工监控与结构分析的工作效率及准确性,从而保障桥梁施工安全。(3)V撑蝶形拱式连续梁的动力性能研究。通过动力分析的基本方法和建模原则,建立了Midas/civil2010建立V撑蝶形拱式连续梁桥抗震分析模型,进行桥梁的自振特性分析。分别建立了考虑桩-土效应的分析模型和不考虑桩-土效应的分析模型,对两种模型前10阶自振特性进行研究,讨论了桩-土效应对结构振动响应的影响,分别应用反应谱法和时程分析法进行抗震分析,明确了动力分析中考虑桩-土效应的必要性,为同类型桥梁的结构优化提供参考。(4)建立了V撑结构的ANSYS空间有限元模型,通过局部应力的理论求解与振弦式传感器实测数据的对比分析,得到不同阶段V撑结构的应力分布状态。利用数据分析程序MATLAB(?)寸测试数据进行数值回归,结合人工神经网络技术,对影响结构破坏、失效的内部、外界风险因素进行预测,开展结构失效的风险分析。提出了基于层次分析—灰度理论—蒙特卡洛—有限元—神经网络(AHP-Gray theory-Monte Carlo-FEM-ANN)的风险分析综合方法。解决了以往风险决策多依赖于决策者经验和定性分析的问题,从而更具可靠性和可操作性。根据影响桥梁施工阶段的风险因素,提出了蝶形拱式连续梁桥施工阶段风险因素的防范对策。本文的研究工作为了解大角度V撑蝶形拱式连续梁桥结构提供了较为实用的研究方法与成果,为设计、施工、监控以及风险评估管理体系的建立起到一定的借鉴作用。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-22
  1.1 预应力混凝土V撑蝶形拱式连续梁桥发展及研究现状  14-18
    1.1.1 预应力混凝土V撑桥梁的发展与研究现状  14-15
    1.1.2 蝶形拱式桥梁的发展与研究现状  15-18
  1.2 预应力混凝土V撑蝶形拱式连续梁桥的总体设计特点  18-20
    1.2.1 V撑蝶形拱式连续梁桥的结构特点  18-19
    1.2.2 V撑蝶形拱式连续梁桥的设计特点  19-20
  1.3 研究的目的和意义  20-21
  1.4 研究的主要内容  21-22
2 大角度V撑蝶形拱式连续梁桥静力特性分析  22-44
  2.1 V撑蝶形拱式连续梁桥有限元理论  22-26
    2.1.1 有限元法基本原理  22-23
    2.1.2 求解元基本方程  23-26
  2.2 工程概况  26-29
  2.3 全桥施工阶段静力分析  29-36
    2.3.1 全桥施工方法及施工阶段划分  29
    2.3.2 控制截面施工过程中的应力变化  29-36
  2.4 全桥使用阶段静力分析  36-42
    2.4.1 收缩徐变对全桥恒载内力的调整及主梁下挠的影响  36-38
    2.4.2 全桥活载效应及其与成桥内力的比较  38-39
    2.4.3 全桥使用阶段最不利荷载组合作用下的应力  39-42
  2.5 本章小结  42-44
3 大角度V撑蝶形拱式连续梁桥非线性分析  44-67
  3.1 蝶形拱式连续梁桥材料非线性分析理论  44-47
  3.2 蝶形拱式连续梁桥几何非线性分析理论  47-54
    3.2.1 几何非线性分析的有限元法  47-49
    3.2.2 建立空间杆单元的刚度矩阵  49-54
  3.3 非线性问题求解方法  54-57
    3.3.1 切线刚度法  54-55
    3.3.2 直接求解法  55
    3.3.3 增量法  55
    3.3.4 初应变法  55-56
    3.3.5 应力转移法和初应力法  56-57
  3.4 MIDAS/Civil非线性有限元分析方法  57-58
    3.4.1 材料非线性分析  57
    3.4.2 几何非线性分析  57-58
  3.5 稳定分析基本理论  58-59
  3.6 V撑蝶形拱式连续梁桥非线性分析  59-66
    3.6.1 荷载工况  59
    3.6.2 分析模型  59-60
    3.6.3 分析结果  60-66
  3.7 本章小结  66-67
4 大黑河岛蝶形拱式连续梁桥抗震分析  67-98
  4.1 大角度V撑蝶形拱式连续梁桥动力特性  67-81
    4.1.1 桥梁结构动力特性分析方法  67-73
    4.1.2 桥梁结构动力分析建模原则  73
    4.1.3 桩-土效应的模拟  73-75
    4.1.4 大夹角V撑蝶形拱式连续梁桥基本振动特性分析  75-81
  4.2 桥梁抗震分析的反应谱法  81-86
    4.2.1 反应谱分析方法  81-82
    4.2.2 大夹角V撑蝶形拱式连续梁桥反应谱抗震分析  82-86
  4.3 桥梁抗震分析的时程分析法  86-97
    4.3.1 动态时程分析法基本理论  86-87
    4.3.2 地震波的合理选择  87-88
    4.3.3 大黑河岛车行桥地震波的选择  88
    4.3.4 大夹角V撑蝶形拱式连续梁桥动态时程分析  88-97
  4.4 本章小结  97-98
5 大角度V撑蝶形拱式连续梁桥空间效应分析  98-131
  5.1 V撑蝶形拱式连续梁桥应力测试  98-102
  5.2 V撑局部应力分析  102-112
    5.2.1 荷载工况  102-103
    5.2.2 空间有限元模型  103-105
    5.2.3 局部应力分析  105-112
  5.3 风险分析基本原理  112-121
    5.3.1 风险的基本概念  112-113
    5.3.2 风险识别主要内容和方法  113-115
    5.3.3 风险概率估计  115-116
    5.3.4 风险分析基本流程  116-119
    5.3.5 人工神经网格  119-121
  5.4 V撑施工风险分析  121-127
    5.4.1 V撑风险识别  122-125
    5.4.2 结构失效风险概率分析  125-127
  5.5 施工风险决策  127-129
    5.5.1 风险应对决策原则  128
    5.5.2 风险决策指南  128-129
    5.5.3 风险应对措施  129
  5.6 本章小结  129-131
6 结论与展望  131-133
参考文献  133-140
攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研工作  140-142
致谢  142-143

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学
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