大跨度钢管混凝土拱桥徐变稳定性研究

Stability of arches is a main issue to structural safety. For concrete filled steel tubular (CFST) arch bridges, creep has important effects on their stability. Construction process of long-span CFST arch bridges determine concrete core loaded at very early age, which results in nonlinear creep. The nonlinear creep of the concrete core has significant effects on stresses on steel tubes and long-term rigidity of the structure. Additionally, creep uncertainty should induce inconformity of deformation development of arch ribs, and spatial stability problem will occur..This proposal aims at creep stability of CFST arch bridges with long-span. On the basis of viscoplasticity theory and damage mechanics, a method will be put forward on nonlinear creep of CFST arch ribs by considering initial stresses on steel tubes and the long-term rigidity. Furthermore, a long-term rigidity model of CFST ribs is proposed, in which debonding effects of creep is taken into account. The model can substitute common-used age-adjusted effective modulus method, which cannot reflect actual rigidity of the arch ribs. Finally, creep stability bearing capacity and stability limiting condition are investigated by considering creep uncertainty. .The work of the proposal embodies synthetically nonlinear creep, interface bonding evolution, long-term rigidity and spatial stability, and has strong challenge in theoretical research and innovations. The achievements will be valuable to life-cycle design theory and construction control of the arch bridges.

拱式结构稳定性是影响结构安全的主要问题。对于钢管混凝土拱桥，徐变对其稳定性具有重要的影响。大跨度钢管混凝土拱桥施工特点决定了核心混凝土加载龄期很早，其徐变呈非线性特点，且对钢管应力和长期刚度影响更大。由于徐变随机性，也将导致拱肋空间变形发展不均衡，产生空间稳定问题。.本项目开展钢管混凝土拱桥徐变稳定性相关理论和试验研究。基于粘塑性理论和损伤力学理论，建立考虑钢管初应力及早龄期徐变的钢管混凝土拱肋非线性徐变计算方法。提出钢管混凝土拱肋长期刚度计算模型，能够考虑徐变脱粘的影响，并解决按龄期调整有效模量法无法反映结构真实刚度的问题。在上述工作基础上，考虑徐变随机性，进行钢管混凝土拱肋徐变稳定承载力及极限状态的研究，为拱桥的设计提供支撑。.本项目研究综合体现非线性徐变、粘结性能演变、长期刚度及空间稳定性等前沿问题，理论挑战性强，创新点明确，研究成果对拱桥的寿命周期设计理论和施工控制具有重要的价值。

随着钢管混凝土的极限跨度不断被刷新，稳定性问题已经成为制约拱桥跨度发展的限制因素。作为一种钢-混凝土组合结构，钢管混凝土的力学性能很大程度取决于钢管与内填混凝土在受力过程中的耦合效应，尤其考虑混凝土时变性能后，这种效应更为复杂。目前，针对徐变稳定性的研究尚不系统。本项目主要对钢管混凝土拱肋徐变稳定问题，开展了相关的研究。主要研究工作如下：.1.建立了考虑核心混凝土弹性模量提高的拱肋长期刚度模型，采用Dirichlet级数拟合徐变和收缩数据，并将其在ABAQUS平台上进行二次开发，模型结果分别与单元模型和实桥模型进行了对比，反应了其良好的适用性。.2. 开展了脱粘对钢管混凝土构件的徐变影响试验研究。针对带有不同脱粘弧长率的钢管混凝土梁进行三点加载试验，归纳得出了刚度折减系数与脱粘弧长率之间的关系，结果表明脱粘会导致钢管混凝土梁徐变量增大。.3.建立了考虑不同脱粘弧长率下的刚度退化模型，提出了考虑脱粘现象的刚度折减系数的计算方法，建立了考虑徐变、脱粘条件下的钢管混凝土拱肋长期刚度计算模型。.4.推导了考虑双重非线性下的钢管混凝土拱的临界荷载公式。同时将计算的双重非线性下长期刚度简化为等效竖向变形作为初始几何缺陷引入到数值模型中，研究了不同参数下等效竖向变形对大跨度钢管混凝土拱桥稳定承载力的影响规律。.5. 考虑了大跨度钢管混凝土拱桥关键的设计参数，如拱轴线型、矢跨比、等效长细比、含钢率等对拱肋徐变稳定性的影响，并给出了有利于提高徐变稳定性的参数建议值范围。.6. 针对随机性对于大跨度钢管混凝土拱桥的影响进行了研究，得出了徐变对于大跨度钢管混凝土拱桥稳定性的影响规律，并给出了时变可靠度理论下，结构的可靠度、徐变稳定安全系数的指标。. 本项目研究了钢管混凝土界面脱粘对核心混凝土徐变的影响规律，考虑了脱粘对截面刚度产生的不利影响，发现对于大跨度钢管混凝土拱桥，失稳荷载系数对于各随机变量的敏感性不同，拱肋截面含钢率对于徐变稳定性的影响最大。.