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摘要
车辐式钢拱的稳定问题相对纯拱来说更为复杂,除长细比、矢跨比之外,还受索盘高度、拉索数量、拉索面积及预应力水平的影响。目前钢拱平面内稳定性及承载力设计方法已经成熟,但对车辐拱的研究仅限于弹性稳定性能的定性分析,尚未有弹塑性稳定承载力的设计计算方法,导致设计人员在初步设计时对于车辐拱各几何参数的取值以及稳定承载力的估算无章可循。针对工程中常见的两铰圆弧车辐拱,采用有限元参数分析,深入研究了其在全跨和半跨均布荷载下的平面内弹塑性稳定性能和主要参数影响规律,提出了关键参数的优化取值范围,并建立了稳定承载力的计算式。首先在有限元模型中采用施加初应变的迭代法,张拉连接索盘和拱脚的两根拉索使其达到目标张拉力,为车辐拱施加不同水平预应力,考察预应力对车辐拱的内力、变形和极限承载力的影响。随后,研究了主要结构参数如长细比、矢跨比、拉索数量、拱索面积比等单因素变化对车辐拱平面内弹塑性稳定承载性能的影响,以稳定承载力效率为标准,提出了各参数的优化设计取值范围,涵盖了工程常用范围。在参数建议取值范围的基础上,采用响应面法设计了30组代表性算例,选择拱索面积比、拉索数量、矢跨比、长细比为4个关键考察因素,以相同条件下对应纯拱的弹塑性稳定承载力为基准值,建立了其平面内弹塑性稳定承载力计算式,并对其精度和适用性进行了分析验证。结果表明:1)预应力的存在对车辐拱的受力性能影响不大,实际施工中拉索可不施加预应力而以张紧为宜,或根据调整拱脚推力的需要进行确定; 2)设计中建议索盘高度为1/2矢高,拉索数量为8～20根,拱索面积比为10～30,矢跨比为0.20～0.50,各参数的优化取值范围涵盖了工程常用范围; 3)从方差分析的结果来看,矢跨比对平面内弹塑性稳定承载力的影响最为显著,长细比次之,而拱索面积比和拉索数量的影响相对较小; 4)响应面法给出的精确算式误差小于5%,简化算式偏于保守,大多数误差在15%之内,且对不同强度的钢材均适用,可以安全地估计车辐拱的平面内弹塑性稳定承载力,供初步设计时采用。
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单位建筑工程学院; 北京交通大学
