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        梁拱組合體系橋穩(wěn)定性及影響因素數(shù)值分析

        2022-08-16 09:46:34胡安別克祖巴依爾
        福建交通科技 2022年5期
        關(guān)鍵詞:梁拱拉索穩(wěn)定性

        ■胡安別克·祖巴依爾

        (新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,烏魯木齊 830006)

        隨著城市化進展的不斷加快,梁拱組合橋在城市建設(shè)中應用越來越廣泛[1-2]。 近年來,國內(nèi)學者也對梁拱組合體系橋進行了一些研究,主要有:鄧平躍[3]、朱衛(wèi)國等[4]以某城市跨路梁拱組合橋為例進行了分析,重點分析了鋼管混凝土梁拱組合橋施工穩(wěn)定性能,并指出了梁拱組合橋在施工過程中的薄弱環(huán)節(jié),并針對薄弱環(huán)節(jié)提出了一些建議。 馬明等[5]、石堅等[6]以某梁拱組合橋為研究對象,采用大型有限元軟件模擬的方法分析了橋梁受力性能及第一類穩(wěn)定性問題, 并對梁拱組合橋的拱肋剛度和夾角、橫向聯(lián)系形式、主梁的剛度等參數(shù)變化對梁拱組合橋內(nèi)力和撓度的影響進行了分析,結(jié)果表明主拱肋剛度和橫向聯(lián)系是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要的控制因素。 宮賽[7]、彭容新等[8]以某城市橋梁為研究對象,采用Midas/Civil 有限元軟件,分析了鋼混拱梁組合橋在不同工況下的受力狀態(tài),結(jié)果表明溫度變化對結(jié)構(gòu)受力變形影響最為顯著,且溫度變化會使得高次超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的次內(nèi)力, 不利于橋梁安全。翟曉亮等[9]、陳朝慰[10]以某新月形梁拱組合體系橋為研究對象,采用數(shù)值分析的方法,對相關(guān)參數(shù)影響進行了分析,結(jié)果顯示副拱肋對該梁拱組合體系橋穩(wěn)定性起決定性作用,而主副拱肋夾角對該橋梁穩(wěn)定性影響較小,可以忽略。 筆者以某跨河梁拱組合體系橋為研究對象,采用數(shù)值分析的方法,分析梁拱組合體系橋穩(wěn)定性,并重點分析了拉索和橫撐布置方式、拱肋剛度、矢跨比等因素對橋梁穩(wěn)定性的影響, 研究結(jié)果可為梁拱組合體系橋的設(shè)計提供參考。

        1 工程概況

        某城市跨河橋梁,主跨為120 m,全長250 m,南北引橋均為2×30 m 連續(xù)梁, 主梁和拱肋分別采用鋼箱梁和六邊形鋼箱結(jié)構(gòu)。 橋面系采用雙箱結(jié)構(gòu),梁寬為35.0 m,中心線處梁高3.5 m,板厚15 mm。橋梁頂板采用正交異性鋼橋面板, 厚度為17 mm。橋梁主拱由兩個形似V 形拱組成,鋼拱肋頂和底部寬度均為1.5 m,高2.4 m,拱的高度和跨度分別為32.16 m 和108.42 m,矢跨比為1∶3.37。 設(shè)計荷載包括人群和汽車荷載,設(shè)計使用年限為100 年,結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

        2 數(shù)值建模

        2.1 模型建立

        運用有限元軟件Midas/Civil,系桿和吊桿均采用桁架進行模擬,其余結(jié)構(gòu)采用梁單元進行模擬,模型中共有1263 節(jié)點,共628 個單元,如圖1 所示。在此只分析考慮上部結(jié)構(gòu),對于下部結(jié)構(gòu)作用不予考慮,在承載下部進行固結(jié)處理,將橋梁自重、二期恒載以及預張拉應力等施加到橋梁上。 材料參數(shù)如表1 所示。

        圖1 數(shù)值模型圖

        表1 材料參數(shù)

        2.2 工況設(shè)置

        橋梁在實際受力過程中,可能受到不同荷載類型的影響,共設(shè)置4 種工況,每種工況包含不同的荷載類型,其中“√”為包含、“×”為不包含,如表2所示。

        表2 工況荷載類型

        3 數(shù)值結(jié)果分析

        3.1 梁拱組合體系橋穩(wěn)定性分析

        根據(jù)上述設(shè)置工況, 對橋梁穩(wěn)定性進行分析,取第一階模態(tài)對應的特征值作為梁拱組合橋的穩(wěn)定性系數(shù),圖2 為4 種工況下前十階穩(wěn)定性系數(shù)。由圖可知,工況一與工況二相比,在風荷載的作用下橋梁的整體穩(wěn)定性有所下降,下降幅度約為3.2%;將工況二與工況三進行比較,得到在全橋人群荷載和車道荷載作用下, 橋梁整體穩(wěn)定性又下降了22.8%,由此可知,相比于風荷載,橋梁受人群荷載和車道荷載影響更大。 將工況三和工況四進行對比,可知工況四時橋梁穩(wěn)定性增大了4.7%,說明全橋滿布比半布穩(wěn)定性差,但相差不大。

        圖2 4 種工況下前十階穩(wěn)定性系數(shù)

        3.2 影響因素分析

        為了得到各種因素對橋梁穩(wěn)定重要性及敏感程度,對上述4 種工況分別建模,重點分析了拉索布置方式、橫撐布置方式、拱肋剛度以及矢跨比對梁拱組合橋穩(wěn)定性影響規(guī)律。

        3.2.1 拉索布置方式影響

        圖4 為4 種工況下橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨拉索著力點移動變化規(guī)律圖, 設(shè)定原始拉索著力點為編號3(如圖3 所示),向右移動為正,反之為負。 由圖4 可知,隨著拉索著力點的變化,工況一~工況四的變化規(guī)律一致,且工況一、工況二、工況四和工況三的穩(wěn)定性依次減小。 拉索著力點向左(遠離兩拱肋相交處方向)移動時,橋梁整體穩(wěn)定性逐漸減小,拉索著力點向右(兩拱肋相交處方向)移動時,橋梁整體穩(wěn)定性呈現(xiàn)出增大的趨勢,在拉索著力點移動到編號5~6 范圍內(nèi)時,橋梁穩(wěn)定系數(shù)最大,穩(wěn)定性能最佳。

        圖3 拉索編號示意圖

        圖4 4 種工況下橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨拉索著力點移動變化圖

        圖5 為4 種工況下橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨拉索間距移動變化規(guī)律圖,間距以圖3 底部拉索間距變化為準, 分別取原始間距的0.5、0.75、1.0、1.25、1.5 倍進行分析。 由圖5 可知,隨著拉索著力點的變化,工況一~工況四的變化規(guī)律一致,拉索間距越小,橋梁穩(wěn)定系數(shù)越大,說明減小橋梁拉索間距可以增大橋梁穩(wěn)定性, 但同時應考慮拉索增加帶來的成本上升,并根據(jù)具體工程合理設(shè)計拉索間距。

        圖5 4 種工況下橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨拉索間距變化圖

        3.2.2 橫撐布置方式影響

        圖6 為橫撐編號示意圖, 從左往右共11 條橫撐。首先考慮單一支撐對橋梁穩(wěn)定性的影響,如圖7所示,以工況二為例進行分析,得到了橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨橫撐位置編號變化規(guī)律圖,由圖可知,當單一橫撐設(shè)置在編號8 時,橋梁穩(wěn)定系數(shù)最大,值為23.78,橫撐設(shè)置在兩端時橋梁穩(wěn)定系數(shù)最差。由此可知,單一橫撐設(shè)置在橋梁拱頂略偏向兩拱相交一側(cè)時橋梁穩(wěn)定性最好,設(shè)置在拱腳時橋梁穩(wěn)定性最差。

        圖6 橫撐編號示意圖

        圖7 橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨橫撐位置編號變化規(guī)律圖

        考慮多種橫撐布置方式的組合,同樣以工況二為例分析,根據(jù)圖7 得到的結(jié)論,制定如下的橫撐組合方式,共分為11 種工況,工況序號依次為A~K,具體如表3、圖8 所示。 由圖8 可知,當采用雙支撐時,設(shè)置在編號8 和9 時橋梁穩(wěn)定性最好,當采用三支撐時,設(shè)置在編號7、8 和9 時能使全橋穩(wěn)定性最高,此時橋梁穩(wěn)定系數(shù)為27.31,是單一橫撐最優(yōu)設(shè)置時的1.15 倍。 且圖7 表明,不能再通過增加橫撐的方式提高橋梁的穩(wěn)定性,在此基礎(chǔ)上,增加橫撐不僅不能增加穩(wěn)定性,反而會使橋梁的整體穩(wěn)定性下降。 究其原因,主要是異形橋梁重心均經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計驗算,且該“V 形拱”拱橋自身具有較好的穩(wěn)定性,在合適的位置設(shè)置一定數(shù)量的橫撐可以增加橋梁的穩(wěn)定性,但當增加橫撐的數(shù)量繼續(xù)增大或增加的橫撐設(shè)置位置不合理時,橫撐自身重量可能會對橋梁產(chǎn)生不可忽略的影響,從而導致橋梁整體穩(wěn)定性下降。

        圖8 橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨橫撐工況變化規(guī)律圖

        表3 工況橫撐布置方式

        3.2.3 拱肋剛度的影響

        鋼材的剛度與截面形式相關(guān),本節(jié)通過改變拱肋的厚度來分析拱肋剛度變化對橋梁穩(wěn)定性的影響。 以工況二為例分析,得到橋梁穩(wěn)定性系數(shù)隨拱肋鋼板厚度變化規(guī)律,由圖9 可知,一階、二階和三階穩(wěn)定系數(shù)隨鋼板厚度增大而增大,且變化規(guī)律一致,均呈現(xiàn)出類似線性增長關(guān)系,以一階穩(wěn)定系數(shù)為例,相比于拱肋鋼板厚度取30 mm 時,鋼板厚度取70 mm 時橋梁穩(wěn)定系數(shù)增大了約67%。

        圖9 橋梁穩(wěn)定性系數(shù)隨拱肋鋼板厚度變化規(guī)律

        3.2.4 矢跨比的影響

        矢跨比是決定橋梁拱形形狀的重要參數(shù)之一,設(shè)定原始模型矢跨比倍數(shù)1,計算得到了4 種工況下不同矢跨比倍數(shù)的橋梁穩(wěn)定性系數(shù), 如圖10 所示。 由圖可知,原模型的矢跨比最為合適,在原模型基礎(chǔ)上增大或減小矢跨比均會導致橋梁穩(wěn)定性降低,因此,在設(shè)計類似橋梁前應考慮合理的矢跨比,使得橋梁穩(wěn)定性達到最優(yōu)。

        圖10 橋梁穩(wěn)定性系數(shù)隨矢跨比倍數(shù)變化規(guī)律

        4 結(jié)論

        以某跨河梁拱組合體系橋為研究對象,采用數(shù)值分析的方法,探討梁拱組合體系橋穩(wěn)定性并重點分析了拉索和橫撐布置方式、拱肋剛度、矢跨比等因素對橋梁穩(wěn)定性的影響,得到以下結(jié)論:(1)相比于風荷載, 橋梁受人群荷載和車道荷載影響更大,且全橋滿布人群荷載和車道荷載比半布穩(wěn)定性差,但相差不大。 (2)拉索著力點橋梁兩拱肋相交處方向移動時,橋梁整體穩(wěn)定性呈增大趨勢,反之減??;在拉索著力點移動到編號5~6 范圍內(nèi)時,橋梁穩(wěn)定性能最佳; 減小橋梁拉索間距可以增大橋梁穩(wěn)定性,但同時應該考慮拉索增加帶來的成本上升,并根據(jù)具體工程合理設(shè)計拉索間距。 (3)單一橫撐設(shè)置在橋梁拱頂略偏向兩拱相交一側(cè)時橋梁穩(wěn)定性最好,設(shè)置在拱腳時橋梁穩(wěn)定性最差。 當采用雙支撐時,設(shè)置在編號8 和9 時橋梁穩(wěn)定性最好,當采用三支撐時,設(shè)置在編號7、8 和9 時能使全橋穩(wěn)定性最高,且不能再通過增加橫撐的方式提高橋梁的穩(wěn)定性。(4)橋梁穩(wěn)定系數(shù)隨拱肋剛度增大而增大,呈現(xiàn)出類似線性增長的關(guān)系,相比于拱肋鋼板厚度取30 mm時,鋼板厚度取70 mm 時橋梁一階穩(wěn)定系數(shù)增大了約67%。 (5)在原矢跨比的基礎(chǔ)上增大或減小矢跨比均會導致橋梁穩(wěn)定性降低,在設(shè)計前應考慮合理的橋梁矢跨比,使其穩(wěn)定性達到最優(yōu)。

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