大跨度钢管混凝土拱桥计算模型探讨开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

钢管混凝土拱桥是在薄壁钢管中填充普通混凝土而形成的组合截面拱桥，其结构本质属于套箍混凝土类型，内填混凝土增强了钢管壁的稳定性，弥补了自身稳定性不足的特点，而钢管对核心混凝土的套箍作用使其工作时处于三向受压状态,从而提供了核心混凝土的抗压强度和抗变形能力^[1]。钢管混凝土拱桥具有跨径适应能力大、承载能力大、施工快捷、地基适应能力强、振动小、建设和养护费用低等优点。这种造价相对低廉的桥梁形式迎合了我国的交通现状，因而在我国近年来得到迅速的发展。

随着钢管混凝土拱桥在我国的深入应用，其跨径不断增大，恒载在总荷载中的比重也随之增大，这使得混凝土长期徐变问题在钢管混凝土拱桥结构分析和设计理论中越来越突出。国内外相关学者已对钢管混凝土拱桥的徐变问题开展了大量的实验研究^[2-6]，在理论分析方面取得了有价值的结论。混凝土徐变效应的核心在于钢管混凝土的应力重分布问题^[2]。普遍认为由于混凝土收缩、徐变使钢管和混凝土之间产生空隙，破坏了钢管与混凝土的协同工作，使钢管和混凝土的内力和应力发生了明显改变，引起钢管应力增加，从而使得混凝土应力减小。

钢管混凝土拱作为主要的承重结构，对其受力分析尤为重要,我国也有相关规程和规范^[7-12]。利用有限元建模来分析钢管混凝土受力，避免重复计算，简化了计算。有限元法是基于近代计算机的快速发展而发展起来的一种近似数值方法, 用来解决力学、数学中的带有特定边界条件的偏微分方程问题。其中midas/ civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计，特别是针对桥梁结构^[13-14]，midas/ civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。钢管混凝土结构有限元建模有多种方式，如组合截面法、双单元法等。组合截面法根据刚度等效的原则，将钢管混凝土视为单一的组合材料，其定义的截面是利用等效截面特性值来进行分析和计算的。组合截面法假定钢材和混凝土紧密地连接在一起，且没有考虑钢管对混凝土的套箍作用，是考虑了实际施工阶段的建模方法，操作起来比较方便，实际应用价值高，但由于只建一个单元，无法查看各个材料界面的响应。与组合截面法只建立一个单元不同，双单元法则需要在两个节点之间分别建立钢管单元和钢管内的混凝土两个单元，且两个单元共节点，其优势是建模后处理结果中可以分别查看混凝土和钢材的各受力情况，分别评估各个材料的性能。由于实际的两种截面存在着一定的受力联系，而双单元法的共节点形式无法考虑各个材料的联合作用。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

（1） 两种计算模型理论对比研究：组合截面法根据刚度等效的原则，将钢管混凝土视为单一的组合材料，在两节点间建立一个单元，施加起来比较方便，但由于只建一个单元，无法查看各个材料界面的响应；双单元法则需要在两个节点之间分别建立钢管单元和钢管内的混凝土两个单元，且两个单元共节点。其优势是建模后处理结果中可以分别查看混凝土和钢材的各受力情况，分别评估各个材料的性能，但由于实际的两种截面存在着一定的受力联系，而双单元法的共节点形式无法考虑各个材料的联合作用。

（2） 以贵州某实际工程项目为背景，开展建模分析方法研究，熟悉掌握空间有限元分析程序的使用midas/civil，按照双单元模拟、组合截面模拟两种方法，分别建立相应的有限元计算模型。

3. 研究计划与安排

第1周 调查收集资料；

第2周 了解钢管混凝土现有模拟方法，阅读背景项目设计文件，了解钢管混凝土桁架提篮拱结构形式，收集材料和荷载参数；

第3周 研究探讨两种模拟方法，熟悉midas/civil程序的使用；

4. 参考文献（12篇以上）

1.姚玲森主编.桥梁工程[m],人民交通出版社，2010.

2.吴波，瞿光义.钢管混凝土拱桥徐变产生的截面内力重分布计算［j］,西安公路学院学报，1991,11(4): 22-28.

3.谢肖礼，秦荣.收缩徐变对钢管混凝土拱桥影响的理论研究［j］,广西科学, 2001,8(1):22-25.