结构拓扑优化方法在拱式渡槽拱轴线设计中的应用

针对拱式渡槽拱轴线的受力特点,建立拱轴线拓扑优化模型,并将结构拓扑优化方法生成的拱式渡槽拱轴线与相同矢跨值的圆弧拱轴线和二次抛物线拱轴线进行了对比.结果表明,由结构拓扑优化方法生成的拱轴线,自重作用下的弯矩值以及相同均布荷载作用下的应力值都比相同矢跨值的圆弧拱轴线和二次抛物线拱轴线小.这说明连续体结构拓扑优化方法可应用于作用荷载相对均匀的拱式渡槽拱轴线设计.     

拱的面内稳定分析

工程上常见的拱是抛物线拱,其在全跨均布荷载作用下,拱的任意截面上只会承受压力作用。由于该压力以及拱的曲率半径均随拱轴线而变化,故其屈曲平衡微分方程是变系数的,通常只能通过数值积分来求解,比较麻烦。本文拟采用渐近法求解抛物线拱的面内屈曲问题,提出实用计算方法,对拱的面内稳定分析提供参考依据。     

新型索拱桥索力与拱轴线双优化实用方法

针对新型索拱桥的特点,提出一种可同时进行索力和拱轴线双优化的方法。基于影响矩阵的原理和迭代法,以弯曲应变能最小为优化目标,提出在抗弯惯性矩无穷小的三铰拱索拱桥有限元模型上,进行拱轴线迭代的实用方法,以同时达到索拱桥的索力调整与拱轴线双优化的目标。以跨径600 m索拱桥作为算例,验证本文方法的有效性及实用方法各参数对结果的影响。研究结果表明:与仅考虑一种优化因素相比,本文方法弯矩分布更合理,弯矩极值约小10%,弯曲应变能约小20%。抗弯惯性矩无穷小模型比抗压刚度无穷大模型能得到更小的弯曲应变能状态;三铰拱模型迭代收敛性能比两铰拱与无铰拱模型的优;索拱桥压力线高次抛物线拟合后的结构内力比低次抛物线结果的优。     

拱结构高跨比的优化设计

拱结构设计中,在保证强度的基础上,拱的高跨比应取何值,才能使设计出的拱用料最省,造价最低？对这个问题,至今理论上没有明确的结论。现有的设计规范虽给出了拱的高跨比的一些推荐值,但对高跨比的最佳取值却没提出建议。本文对这个问题提出了研究,在合理拱轴线的基础上,首先分析、建立优化设计的数学模型,然后采用数值方法进行求解,最后导出了竖向均布荷载作用下的最优高跨比,并给出了高跨比的最优范围,供有关结构设计人员参考。     

无铰抛物线拱非线性稳定分析

基于有限元程序ANSYS 10.0,在考虑几何非线性和材料非线性的情况下,对无铰抛物线拱进行了弹塑性全过程的屈曲分析。将拱结构初始缺陷和矢跨比作为主要影响因素,分析其对无铰抛物线拱失稳极限承载力的影响。计算结果表明:无铰抛物线拱初始缺陷越大,失稳极限承载力越小;随着矢跨比的增大,无铰抛物线拱失稳极限承栽力先增大后减小,存在一个理论上的最优矢跨比。     

无铰抛物线拱非线性稳定分析

基于有限元程序ANSYS 10.0,在考虑几何非线性和材料非线性的情况下,对无铰抛物线拱进行了弹塑性全过程的屈曲分析。将拱结构初始缺陷和矢跨比作为主要影响因素,分析其对无铰抛物线拱失稳极限承载力的影响。计算结果表明:无铰抛物线拱初始缺陷越大,失稳极限承载力越小;随着矢跨比的增大,无铰抛物线拱失稳极限承栽力先增大后减小,存在一个理论上的最优矢跨比。     

钢管混凝土哑铃形截面拱桥应用与分析

为对钢管混凝土哑铃形截面拱桥的工程应用与研究提供参考,文中根据收集到的大量已建钢管混凝土哑铃形截面拱桥基础资料,介绍了哑铃形截面拱桥的发展概况、桥跨结构类型、拱肋截面受力特点和各类哑铃形拱桥常用施工方法,并对其结构与构造的主要参数,如拱轴线形、矢跨比、宽跨比、拱肋跨高比、拱肋截面高宽比、拱肋材料特性、横撑和吊杆布置等进行统计分析,提出了钢管混凝土哑铃形截面拱桥主要设计参数的取值范围。分析表明:大多数哑铃形拱桥的矢跨比f/L在0.2~0.25范围;矢跨比为0.2的桥梁最多,约占桥例总数50%;拱肋跨高比L/h主要分布在30~50范围,跨高比一般随跨径增大而增大;拱肋截面高宽比h/d与跨径关系很小,不同跨径区间哑铃形拱桥的高宽比都集中2.5左右,其中高宽比在2~3范围的桥梁占总数90%以上。     

抛物线拱的内力精确计算实用公式

采用结构力学的弹性中心方法,建立固端抛物线拱的力法正则方程,推导出在均布荷载作用和跨中集中荷载作用下的内力精确计算公式,并通过算例进行了比较验证。还分析了压弯刚度对拱推力的影响,指出忽略拱的轴向压缩变形的影响,可导致推力的计算误差达到30%。     

水平弹性支承系杆拱桥的理论计算

为研究矢跨比、拱肋刚度和水平弹性支承刚度等设计参数对结构受力特性的影响,根据结构力学的力法导出了水平弹性支承的等截面抛物线拱在均布荷载作用下内力的计算表达式,便于结构设计初步阶段结构参数的确定.算例中本文公式计算结果与有限元计算结果一致,验证公式推导的正确性.分析结果表明:水平弹性支承的系杆拱桥可以根据支座水平刚度比不变、结构水平总刚度不变的原则进行简化.     

高铁弱胀缩性隧道底鼓病害及仰拱结构分析

高速铁路隧道穿越红粘土等弱膨胀地层,隧道仰拱底鼓病害是常见问题之一。为探索弱胀缩性土隧道仰拱底鼓病害形成原因及合理仰拱结构形式,以某弱胀缩性地层高铁隧道为依托工程,通过数值模拟正交试验,确定了弱胀缩性土隧道仰拱底鼓病害的敏感性因素;将仰拱结构单元简化为三铰拱模型,将其所受胀缩力简化为沿隧道结构的均布荷载,考虑膨胀力作用,建立仰拱-围岩的受力模型,确定胀缩性黏土地层中隧道仰拱的最优拱轴线线型;在此基础上,通过改变仰拱结构的矢跨比来对仰拱结构进行优化,得到了穿越红粘土等弱膨胀地层高铁隧道仰拱最优矢跨比。研究结果表明:隧道仰拱结构变形最受围岩等级及胀缩性控制,其次为衬砌厚度,最后为仰拱曲率半径、混凝土强度、隧道洞径;增大仰拱厚度可有效控制仰拱底鼓变形,但对隧道拱顶沉降的抑制效果欠佳;胀缩性黏土地层中隧道仰拱的最优拱轴线应为圆弧线;在合理拱轴线的条件下,仰拱结构所受最大轴力与其矢跨比呈反比,且矢跨比越大,仰拱与过渡圆弧接茬处所受轴力越大,对拱脚产生的影响越显著。研究成果为特殊土地层高铁隧道底鼓病害的致灾机理及控制技术提供参考。     

拱的大挠度分析

基于有限变形理论导出了等截面圆弧拱在荷载作用下考虑非线性二阶项的微分方程,并得到了无铰拱与两铰拱载荷在荷载作用下位移的解析解。为大跨径拱的分析与计算提供了理论依据。     

L形拱肋加固拱桥受力机理研究

为了研究L形拱肋加固拱桥的机理,依托实际工程,采用大型有限元程序对L形拱肋加固法进行建模分析。结果表明:L形拱肋加固拱桥既能分担原主拱承受的外荷载,使原主拱最大压应力减小;又能改善原主拱的受力模式,使其实际拱轴线与合理拱轴线吻合更好更趋近于"轴心受压"L形拱肋截面设计时,应以L形拱肋与原主拱合理的抗压刚度比控制为主,抗弯刚度比控制为辅。L形拱肋加固拱桥,宜采用满堂支架及兼顾换填桥面铺装的施工方法,以利于L形拱肋恒载轴力的形成,优化其受力状态避免出现拉应力或混凝土开裂现象。     

蝴蝶型拱桥稳定性参数分析

建立实桥有限元模型,研究蝴蝶拱桥稳定性能,对不同荷载作用、矢跨比、主拱倾角、拱肋连杆位置及构件刚度等参数进行分析.分析结果表明:选择合理主拱矢跨比与外倾角可使蝴蝶拱获得更优稳定性;跨中处肋间连杆对稳定性影响大;构件刚度对结构稳定的影响度依次为主拱肋、肋间连杆及副拱肋.     

单跨均布荷载作用下两跨连续梁弹塑性分析

采用柔度法对两跨连续梁在一跨有均布荷载作用下的加载全过程进行了弹塑性分析,结果表明,受力变形过程可分为3个阶段:全梁弹塑性变形阶段,左跨中点附近产生弹塑性变形到形成塑性铰阶段,中间支座处截面由弹塑性变形到形成塑性铰阶段.讨论了加载各阶段的荷载、弯矩和位移计算公式,可供对连续梁进行强度和刚度计算时参考.     

桁式钢管混凝土系杆拱桥拱轴线及吊杆索力优化

目前，针对桁式拱系杆拱桥拱轴线形和吊杆索力优化研究相对单一，为得到下承桁式钢管混凝土系杆拱桥的最佳成桥状态,对拱轴线形和吊杆索力进行一体优化。通过基于影响矩阵的最小结构体系应变能原理对吊杆索力进行优化,并利用Matlab中无约束优化算法进行求解；采用桁式拱肋主管偏心距最小法对拱轴线进行优化。经过迭代计算,得到一组满足偏心距阈值的无约束优化吊杆索力和拱轴线形。结果表明：优化后的吊杆索力较优化前更加均匀且均有不同程度的减小,短吊杆索力减小近30%,其抗疲劳性能得到大幅提高；成桥状态下主拱受力良好,上、下弦杆的跨中弯矩小且均匀,轴力值有所降低；优化后主梁端部截面弯矩值有所增大,轴力值基本不变,优化效果不明显；主拱上、下弦杆钢管和混凝土截面分配应力均小于材料承载力,均符合规范要求。     

两铰“U”型钢反拱的屈曲载荷分析及工程应用

为解决"U"型钢截面反拱梁在底鼓治理中出现的失稳破坏问题,建立了两铰反拱受力模型,利用弹性稳定理论求出两铰圆弧反拱稳定特征方程,求解出两铰反拱临界屈曲载荷解析解;并利用ANSYS建立"U"型钢反拱梁模型,模拟分析U25、U29和U36三种不同截面反拱梁在承受径向均布载荷条件下,反拱梁临界屈曲载荷和Mises应力与反拱圆心角之间的关系.结果表明:当反拱圆心角在70°时,三种"U"型钢截面反拱的临界屈曲载荷达到最大,随后加大圆心角则屈曲载荷平均以4.0%的速度缓慢下降,表明反拱梁在圆心角70°时稳定性较好,而Mises应力最大值则均出现在反拱梁的两端部和跨中底部,最小值出现在梁跨中上表面.设计的U36型钢反拱梁在淮南某矿石门处100 m试验段内的底板治理中得到成功应用,研究成果可为类似底板治理工程提供一定技术参考.     

用单位力轨迹线作两铰拱影响线

利用两铰拱在Ｐ＝１作用下的轨迹线规律，求做抛物线两铰拱的推力和某截面的弯矩影响线。     

双缆悬索桥体系的力学特性(Ⅰ)

鉴于双缆体系在多塔悬索桥中的应用前景,研究了双缆悬索桥体系的基本力学特性,主要分析了双缆体系在承受满布均布荷载时,荷载在上缆与下缆间的分配情况,推导了主缆竖向刚度表达式.研究表明,均布荷载在上缆与下缆间的分配比例取决于缆的截面参数及垂跨比,垂跨比越大,承受均布荷载时主缆的竖向刚度越大.由以上关系导出主缆在均布荷载下由缆...     

均布荷载作用下连续梁的跨差与弯矩的变化关系探讨

在设计中当等截面连续梁的计算跨度相差不超过10%时,可用等跨的图表来进行内力计算.针对这一问题,对于均布荷载作用的情况,采用弹性理论计算方法,对跨差达到20%范围内的弯矩进行分析,并结合可变荷载与永久荷载比值的范围,用计算数据说明,正截面设计中可在更大的范围内采用等跨的图表进行计算.     

钢管混凝土抛物线空腹拱平面内稳定性能

钢管混凝土抛物线空腹拱是在钢管混凝土桁架拱上取消斜腹杆的拱结构。本文采取理论推导和数值模拟相结合的方式,对钢管混凝土抛物线空腹拱的平面内稳定性能进行深入研究。首先,使用有限元软件建立钢管混凝土圆管拱模型,与实验进行对比,证明建模方法的正确性。其次,推导出钢管混凝土抛物线空腹拱的换算长细比,并基于ABAQUS的分析结果,采用考虑矢跨比的轴压稳定系数公式,发现该公式能预测有限元计算结果。再次,对跨中加载和半跨加载分别进行一阶线弹性分析,研究钢管混凝土抛物线空腹拱中压力和弯矩的变化规律,并分析不均匀轴力和不均匀弯矩对压弯设计公式的影响。最后,推导出空腹拱的全截面塑性弯矩公式,根据二分法原理利用python语言求出全截面塑性弯矩的数值,并根据有限元的计算结果,提出压弯共同作用下钢管混凝土抛物线空腹拱的设计公式,使其能用于指导工程实践。