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独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性分析

时间:2016-08-07 11:29来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是铁路工程论文,本文依托吉林省交通运输科技计划科研项目“钢-混凝土组合梁桥静动力特性、抗倾覆性及设计方法研究”,首先根据规范所规定的方法计算了某独柱墩匝道桥。
第 1 章   绪论 
 
1.1   研究背景 
随着我国交通事业的发展和城市交通量的日益增加。为了方便车辆和行人通行,一些适应道路线形变化的曲线桥梁越来越多的被设计和建造。曲线桥梁[1]最大的优点是能够很好地适应周围地形的限制,并且本身曲线结构的线条平顺、流畅,能够给人们带来美的感受。城市化进程的快速进行使得曲线桥梁被越来越多的建造,尤其在高速公路和城市公路的互通式立交桥设计时,曲线桥梁更是得到了广泛的应用。曲线桥梁作为实现交通汇流和分流的一种重要结构,已经成为现代城市交通工程中一种重要桥型。 独柱墩曲线桥梁作为曲线桥梁中的一种重要桥型,通常被建造在高速公路或城市互通式立交桥交叉口的匝道位置,由于桥下空间较小并且桥梁宽度较窄,因此设计者通常将这些匝道桥设计成独柱墩支撑形式。这种独柱墩曲线桥梁由于占地面积小、并且能够很方便的将各个方向的交通联结起来,因此被广泛建造。在城市化建设中,作为连接立交桥的独柱墩匝道桥,由于能够很好的避开桥址周围大量的市政设施及公用设施,因而近年来被大量修建。 独柱墩匝道桥梁为了减少桥下占地面积,使桥形看起来更加美观,桥梁下部结构往往选择在桥台处设置抗扭双支座,而在跨中处采用独柱墩的支撑方式。桥梁设计者在设计时通常将重点放在桥梁的纵向受力性能分析上,而忽视了桥梁横向抗倾覆稳定性分析,并且由于曲线桥梁“弯扭耦合”现象的存在,会使得桥台的内外侧支座的支座反力分布不均匀,在车辆偏载作用下易引发桥台内侧支座脱空的现象。尤其独柱墩桥梁本身自重较小,中墩采用独柱墩支撑形式,因此其抗倾覆能力较差,容易发生桥梁倾覆事故。独柱墩桥梁的抗倾覆稳定性研究工作一直没有被重视,直到近年来国内发生了多起独柱墩桥梁倾覆事故,人们才意识到关于桥梁抗倾覆稳定性研究工作的重要性。 
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1.2   国内外关于桥梁抗倾覆稳定性的研究现状 
桥梁失稳倾覆事故的发生使得桥梁抗倾覆稳定性的研究工作越来越被人们所重视。国内外关于桥梁抗倾覆稳定性的研究主要在理论方法,相关实验方法和有限元法这三个方面。国外方面数学家欧拉早在 1744 年就提出了压杆稳定理论公式,在他出版的变分法专著中得到了细长压杆失稳后弹性曲线的精确描述和压曲载荷的计算公式。基尔霍夫在 1859 年提出了大变形计算方法。1885 年彭加瑞通过推导和计算明确了稳定分支点的概念。1910 年铁木辛哥导出了均匀受压两端铰支圆弧拱的屈曲临界荷载公式[2]。 Lavelle.  F. H,  Boick. J. S[3]早在 1965 年就提出了应用梁格法来分析曲线梁桥,最初梁格法是用来对工字型曲线梁在竖向荷载作用下进行受力分析的,后来逐渐应用于各种桥型和结构的受力分析中。梁格法的原理是用一个等效梁格来模拟桥梁上部结构,将桥梁上部结构中一段区域内的所有扭转刚度和弯曲刚度都集中在与这段结构所对应的等效梁格内,梁格法适用于对曲线梁桥进行受力分析。 国内方面李国豪[4]在书中对桥梁结构稳定理论作了详细的介绍。他将桥墩结构模拟成一个截面面积不变的压杆结构,从而得到了中心受压杆件的弹性和弹塑性稳定原理。该原理是用压杆来模拟桥墩,当压杆所受压力小于临界力时,压杆没有弯曲,当压杆所受压力达到临界力时,压杆开始失稳,此时的失稳状态称为第一类失稳,此时的压力称为屈曲力,该计算方法使桥墩的稳定性分析有了理论基础。 高伟[5]等人分析了在偏载作用下,橡胶支座上的简支梁横向倾覆稳定性。并讨论了支座变形对简支梁稳定性的影响规律,总结出了梁体横向稳定性的计算方法。该方法主要考虑了橡胶支座变形的影响,使得梁体的稳定性分析更接近真实情况。 
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第 2 章   独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析 
 
2.1   国内规范对于桥梁抗倾覆稳定性的规定 
过去关于直线和曲线桥梁的抗倾覆稳定性相关规定较少。在《公路桥涵设计通用规范》(JTG  D60-2004)中只规定了桥梁支座禁止出现脱空现象,但并未对抗倾覆的计算方法进行详细说明。 直到近年来的《 》(JTG D62-2012)讨论稿才对桥梁上部结构的抗倾覆稳定性进行说明,并阐述了相关计算方法。该规范规定采用整体式断面的中小跨径桥梁应进行上部结构的抗倾覆验算,上部结构的抗倾覆稳定系数应满足下式要求:公路桥涵规定抗倾覆稳定系数要大于 2.5,而铁路桥涵规定抗倾覆稳定系数只需要大于 1.3,两者之间存在差异主要是因为铁路车道少,宽度小,且车道位置大多靠近桥梁中心线,不容易发生严重的车辆偏载作用。并且铁路桥梁自重较大的特点也使得桥梁的抗倾覆稳定性较强。公路桥梁由于桥梁宽度大、汽车偏载载概率大,不确定性大,这些都不利于桥梁的抗倾覆性。因此公路桥梁的抗倾覆系数应当大于铁路。 
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2.2   独柱墩直线桥梁抗倾覆稳定性分析 
本文以长春市南部快速路上一段钢-混组合梁匝道桥中的直线部分为依托,该独柱墩匝道桥的跨径布置为三跨连续梁,桥梁中心线长为 60 米,每跨中心线长度为 20 米,桥梁横断面为单箱单室的形式,桥面宽度为 8 米,采用单向双车道形式,该匝道桥的桥梁布置图和横断面图如图 2.1 和 2.2 所示。 应用通用有限元软件 ANSYS 对该独柱墩匝道桥进行建模,桥梁上部混凝土板结构采用 shell63 单元进行模拟,下部钢箱结构采用 shell43 单元进行模拟,这两种结构和单元的相关参数如表 2.1 所示。 对于倾覆最不利车道位置的选取,由于该独柱墩匝道桥为单向双车道布置形式,在考虑倾覆最不利车道布置时,应将标准车辆布置于距离桥梁边缘 0.5 米处,即车道中心线距离桥梁边缘为 1.4 米,车道布置图如图 2.4 所示。 
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第 3 章   独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性的影响因素分析 ....... 23 
3.1   曲线半径对桥梁抗倾覆稳定性的影响 ....... 24 
3.2   支座布置对桥梁抗倾覆稳定性的影响 ....... 26 
3.2.1   支座反力及稳定性分析 ..... 27 
3.2.2   支座布置对抗倾覆稳定性的影响规律 ........... 29
3.3   边跨和中跨长度比值对桥梁抗倾覆稳定性的影响 ....... 29
3.4   纵坡对桥梁抗倾覆稳定性的影响 ..... 33
3.5   本章小结 ...... 35 
第 4 章   基于灰色关联的独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性影响因素分析 ... 37 
4.1   灰色系统理论基础及关联度的概念 ........... 37 
4.2   数据变换 ...... 37 
4.3   灰色关联分析模型.......... 39
4.4   独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性影响因素的灰色关联分析 ..... 40
4.5   本章小结 ...... 45 
第 5 章   基于 BP 神经网络和支持向量机的桥梁抗倾覆稳定性分析 ........ 47 
5.1   基本原理 ...... 47 
5.2   基于 BP 神经网络的独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性分析 ...... 51
5.3   基于支持向量机的独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性分析 ......... 58
5.4   BP 神经网络与支持向量机对比分析 .......... 60
5.5   本章小结 ...... 62 
 
第 5 章   基于 BP 神经网络和支持向量机的桥梁抗倾覆稳定性分析 
 
独柱墩曲线桥梁的抗倾覆稳定性受多种因素的综合影响,由于这些影响因素具有多变性和参数的不正确性等特点,因此抗倾覆稳定状态与影响因素之间呈现出高度的非线性关系。神经网络和支持向量机以其自身独有的特点适用于处理高度非线性问题。 因此本章应用 BP 神经网络和支持向量机对独柱墩曲线桥梁的抗倾覆稳定性进行分析。 
 
5.1   基本原理 
人工神经网络简称神经网络[45],简写为 。它是依据人脑的基本功能和特征,利用工程技术手段模拟生物神经系统的功能或结构而发展起来的一种新型信息处理系统或计算体系。 BP 神经网络作为人工神经网络中多层前馈网络的经典代表形式,其构成主要是 1个前端输入层、中间若干隐含层以及一个后端输出层。每层的节点即模仿生物神经网络中的神经元,每层的节点仅与紧邻层次的节点相连接,且信息的输入方向均由上层向下层传导。支持向量机(SVM)的理论是建立在统计理论之上的智能分类理论方法,在解决小样本、非线性以及高维模式的模型中有着较为优异的学习泛化能力,得到很好的统计规律,因此可以较好的处理好给定训练样本的学习精度(复杂性)以及对任意样本进行零错误识别(推广能力)之间的冲突,SVM 作为一种监督式的学习方法被广泛运用到回归统计分析当中。 SVM 的基本优化原理是[60]:定义特征空间上间隔最大的线性超平面,通过将寻求间隔最大的线性超平面的算法转化为一个求解凸二次规划的问题。基于 Mercer 核对定理进行展开,将样本空间非线性映射到一个高维的特征空间之中,使得在此空间中能够运用线性学习机的办法解决一定样本空间中的回归分析以及非线性分类等问题。 
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结论 
 
由于近年来我国发生了多起桥梁倾覆事故,倾覆桥梁中独柱墩桥梁占有很大的比例。因此本文从桥梁自身抗倾覆能力角度出发,以独柱墩曲线桥梁为研究对象进行研究,得到了如下研究结论: 
1.无论是独柱墩直线桥梁还是独柱墩曲线桥梁,在公路-I 级车道荷载作用下的抗倾覆稳定系数都大于在车辆荷载作用下的抗倾覆稳定系数,说明在实际桥梁抗倾覆检测中,应该根据桥梁的实际通车情况进行计算。 
2.随着独柱墩曲线桥梁曲线半径由小变大,桥台双支座的支座反力分布越逐渐平衡,但桥梁的抗倾覆能力逐渐降低,当半径增大到一定程度时,即倾覆轴线变为桥台外侧支座连线,这时抗倾覆能力会突然增强。桥台双支座间距越大,该双支座的支座反力分布越均匀,且桥梁的抗倾覆稳定性越强。桥台双支座间距越小,该双支座的支座反力分布越不均匀,且桥梁的整体抗倾覆稳定性越弱。设置合理的中墩单支座偏心距可以明显改善桥台双支座的支座反力分布不均匀的现象,而且能够提高桥梁的抗倾覆能力。边中跨长度比值越大,桥梁抗倾覆能力越强。桥梁纵向坡度越大,近地面处桥台双支座的支座反力分布越不平衡,并且桥梁整体抗倾覆能力越弱,因此桥梁纵坡为 0%时的抗倾覆性能是最好的。 
3.针对本文研究的影响独柱墩曲线桥梁抗倾覆稳定性的 5 个因素,关于抗倾覆稳定系数的关联度排序为:边中跨长度比值>桥台双支座间距>桥梁半径>桥梁纵坡>中墩单支座偏心距。边中跨长度比值尽量设置在 0.75 以上,这样既能使桥梁拥有较强的抗倾覆能力,又能使结构纵向受力合理。在桥下空间允许的情况下,应该尽可能设置较宽的桥台双支座间距。桥梁半径应该根据路线需要合理设置,半径不能过小防止桥台内侧支座发生脱空。中墩应该设置合理偏心距。尽量不要设置纵坡,在必须要设置时应该根据地形需要设置较小的纵坡。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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