大跨钢管混凝土刚架系杆拱桥主拱优化设计

摘要

刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中出现的新桥型。与拱梁组合体系不同，刚架系杆拱中拱肋和桥墩固结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力。下承式刚架系杆拱是一种自平衡的桥梁，它无需副跨，又能有较大的跨越能力，因此在跨越铁路、公路和河流时，具有很强的竞争力。 拱体系是钢管混凝土的重要应用领域。目前，国外对钢管混凝土拱桥拱肋线形和拱肋截面的优化设计研究不多，国内对钢管混凝土拱桥拱肋优化的研究多以拱轴线线形为主，但对拱肋截面优化的相关文献却较少。截面取值大多靠以往的设计经验，钢管混凝土拱桥方面还没有针对性的专项规范可依，存在设计时比较保守的问题。本文以一座下承式刚架系杆拱桥为工程背景，以拱肋的综合造价为目标函数，运用ANSYS有限元软件的分析优化功能对拱肋的线形及截面进行优化，可供实际工程设计参考。 本文主要工作： （1）从理论和实际分析钢管混凝土拱桥拱轴线和截面尺寸的参数选取； （2）建立ANSYS有限元分析模型，按其施工过程进行分析； （3）以拱肋、吊杆和系杆的综合造价总和为目标函数，以拱肋稳定承载力、局部承载力、活载引起的挠度、钢管和混凝土的应力为约束条件基于优化理论建立优化数学模型； （4）基于ANSYS二次开发的APDL语言，编制优化程序，对该桥的拱肋线形和截面进行优化； （5）将优化结果用Midas/civil程序进行全面检算，以验证优化结果的合理性及可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1钢管混凝土拱桥的发展

1.2钢管混凝土拱桥的特点、类型及适用范围

1.2.1钢管混凝土拱桥的特点

1.2.2钢管混凝土拱桥的主要类型及结构特点

1.3下承式刚架系杆拱

1.4钢管混凝土拱桥拱肋的设计研究现状

1.5问题的提出

1.6本文主要研究工作

第二章钢管混凝土拱桥拱肋的构造

2.1钢管混凝土拱肋构造

2.1.1拱肋截面形式

2.1.2拱肋的截面尺寸

2.1.3拱肋钢管的径厚

2.1.4多管(桁式)拱肋

2.2拱肋的线型

2.2.1拱轴线方程

2.2.2矢跨比

2.3本章小结

第三章结构优化设计及ANSYS优化方法

3.1优化设计概述

3.2结构优化设计的一般数学模型

3.3 ANSYS优化方法与技术

3.3.1零阶方法

3.3.2一阶方法

3.3.3 ANSYS优化工具

3.3.4 ANSYS优化设计的基本过程

3.3.5有限元分析模型的优化策略

3.4 ANSYS参数化设计语言(APDL)

3.5本章小结

第四章基于ANSYS的拱肋优化实例

4.1工程概况

4.1.1设计概况

4.1.2主要计算参数

4.1.3设计标准

4.2有限元模型的建立

4.2.1单元的选取

4.2.2桁式钢管混凝土截面的模拟

4.2.3腹杆系的处理

4.2.4钢管混凝土拱桥有限元结果

4.3拱肋设计计算

4.3.1一般规定

4.3.2截面刚度和构件弹性模量的计算

4.3.3荷载的施加与计算

4.3.4施工阶段的划分及系杆张拉力的计算

4.3.5拱肋截面内力的计算与检算

4.3.6极限承载能力检算

4.3.7 正常使用极限状态验算

4.4优化过程的程序编制

4.4.1计算模型的设计变量

4.4.2约束条件

4.4.3目标函数

4.5优化模型的规模及求解

第五章优化结果比较与验算

5.1优化结果对比分析

5.2优化结果的验算

5.2.1有限元模型

5.2.2荷载组合

5.2.3拱肋内力的计算与验算

5.2.4拱肋整体稳定性验算

5.2.5 正常使用阶段验算

5.2.6活载作用下的变形验算

5.3优化程序的适用性

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2存在的问题与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果