华中科技大学硕士学位论文高墩大跨连续刚构桥稳定仿真分析姓名：廖萍申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：李黎20040315II摘 要 随着大跨度桥梁结构迅速发展桥塔越来越高箱梁壁越来越薄由此导致了桥梁的稳定问题非常突出特别是对高墩大跨度桥梁其稳定与强度具有同等的重要性本文沪蓉国道湖北西段薄壁高墩大跨连续刚构桥龙潭河特大桥为工程背景用大型有限元程序 ANSYS研究了该桥的高墩稳定性龙潭河特大桥的最高墩有 179m是目前同类桥梁中的最高墩由此引起的高墩稳定性问题尤为突出 本文首先对目前桥梁结构稳定研究的现状及存在的问题进行了评述探讨了桥梁结构两类稳定问题的基本理论研究了桥梁结构非线性有限元计算过程与计算方法分别采用梁单元和壳单元建立龙潭河特大桥施工和成桥阶段的空间有限元模型并分别对两种模型进行动力特性分析静力分析及线性稳定分析 其次针对日照对桥梁结构变形的影响采用热结构耦合分析的方法计算该桥在单边日照下的偏位以此作为初始缺陷进行非线性稳定分析其中非线性稳定分析包括几何非线性和双重非线性几何材料非线性稳定分析两个方面在几何非线性方面采用 U.L.列式法求解切线刚度矩阵在材料非线性方面在壳模型中采用 COMBIN39 多线性单元即多弹簧模型MS 模型来模拟墩底塑性铰区在梁模型中用 COMBIN40 双线性弹簧单元模拟墩底塑性铰以上两种非线性方程均采用弧长法求解 最后对几何非线性和双重非线性的稳定分析结果进行了比较得出非线性因素对于该桥稳定性的影响 通过全文的分析得到了对于该桥高墩设计十分重要的参数包括施工和成桥各工况的临界荷载及稳定安全系数并提出了分析中还有待解决的问题 关键词刚构桥 高墩 稳定性 非线性 临界荷载 IIIAbstract With the development of the long-span bridge structure, more and more high strength materials are put into application, bridge tower becomes dominant and the wall of the box girder becomes much thinner. As a result, the stability of bridge becomes more important. The bridge stability plays the same important role as the strength especially for high-pier and long-span bridge. In this paper, an engineering caseLong Tan He Great Bridge is consideredthe bridge is a long span continuous rigid frame bridge with thin-wall high-piers, built on Hu-Rong national highway in the west of Hubei province. The stability of the high-piers is analysed by using the current FEM software ANSYS. Long Tan He Great Bridge processes the highest pier at present, the stability problem of high pier caused by this is particularly outstanding. Firstly, the paper summarizes the investigation development on stability of bridges with high-piers and some existing process; discuss two kinds of basic theories of stability about bridge structure; further studies the nonlinear FEM compution technique and process of the nonlinear stability problem. By utilizing the current finite element program ANSYS, two types of finite element models, i.e., beam model and shell model, are established for the nonlinear stability comparative analysis in the construction stage and completed bridge stage. Further more, three kinds of analysis are performed, i.e., structure dynamic characteristic analysis, static strength analysis and linear stability analysis. Secondly, the deflection caused by unilateral sunlight is investigated by using thermal-structure coupling analysis method. Nonlinear stability analysis is carried out by regarding the deflection as the initial defect, and two aspects are included in nonlinear stability analysis. The first one, only geometric nonlinearity is considered and the other one, the geometrical and material nonlinearity are considered simultaneously. For geometric nonlinearity, Updated Lagrangian formulations are adopted to derive the IVtangent stiffness matrix. In order to simulate the nonlinear behavior of plastic hinge in the bottom region of the piers, the multi-curves element COMBIN39 with the Multi-spring model is used in shell model, and the bilinear rotational spring element COMBIN40 is used in beam model. Finally, in order to obtain the effect factor of nonlinearity, the paper compares the result of geometrical nonlinearity and geometrical and matieral nonlinearity. Some important parameters for the design of the thin-wall and high-pier bridge are obtained in these analyses, including critical load and stability safety factor in the construction stage and in all cases of the completed bridge. some problems remain to be solved are put forward. Key words: Rigid Frame BridgeHigh-pierStabilityNonlinearityCritical Load. I独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 廖 萍 日期2005 年 3 月 12 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在_年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 廖 萍 指导教师签名李黎 日期2005 年 3 月 12 日 日期2005 年 3 月 12 日本论文属于 11 绪 论 1.1 课题的提出及意义 世界上曾经有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故这些事实证明桥梁结构的稳定性日益成为关系到安全与经济的主要问题它与强度问题有同等重要的意义随着桥梁结构的跨度不断增大桥塔高耸化箱梁薄壁化以及高强材料的应用结构整体和局部的刚度下降使得稳定问题显得比以往更为重要 在桥梁结构的发展历程中曾经出现过不少因静力或动力荷载引发的桥梁结构失稳的悲剧例如加拿大的魁北克桥1907 年在架设过程中由于悬臂端下弦的腹板翘曲而引起严重破坏事故俄罗斯的克夫达敞开式桥在 1875 年因上弦压杆失稳而引起全桥破坏前苏联的莫兹尔桥在 1925 年试车时由于压杆失稳而发生事故澳大利亚墨尔本附近的西门桥在 1970 年在架设拼拢整孔左右钢箱梁时上翼板在跨中央失稳导致 112 米的整跨倒塌1 随着公路交通运输事业的发展高等级公路在高原沟壑区越来越多的出现由于高原沟壑区地形特点为沟深坡陡跨越深谷地段的桥梁其桥墩高度达到百米以上为了减少桥墩顺桥向的抗推刚度往往将桥墩的截面积设计得较小2这种高柔桥墩结构在集中轴压力(上部结构支反力) 分布轴压力(墩身自重)和水平推力(温度摩阻力汽车制动力风力等)及局部温差(太阳照射)共同作用下其稳定问题往往成为施工和设计的控制因素采用传统的以弹性理论为基础的设计计算方法求解高柔桥墩的稳定内力将会引起较大的偏差目前对高桥墩的几何非线性导致的二次效应(内力与变形)尚没有给出完整的解答用经典理论分析求解也非常困难许多设计单位使用的平面杆系有限元计算程序尚不具备这方面的功能因此迫切希望得到解答此类问题的实用计算方法本课题就是结合一座高墩大跨连续刚构桥的施工成桥阶段的稳定问题展开研究的 21.2 目前的研究现状及存在的问题 随着公路交通运输事业的发展高等级公路在山区越来越多的出现由于地理环境所限及高等级公路对线型和行车舒适度的要求高墩大跨度连续刚构桥梁正在国内外被广泛的采用表1.1列出了世界上已建成的高墩大跨度预应力混凝土梁桥 表 1.1 世界高墩预应力混凝土梁桥按墩高排名 序号 桥名 国家 建成年 墩高 m 最大跨径 m 桥墩结构型式 1 龙潭河特大桥 中国 待建 179 200 双矩形薄壁墩 2 元江特大桥