考虑屈曲前变形的钢管混凝土抛物线拱平面内稳定研究

Concrete-filled steel tubular (CFST) arches are gaining increasing usage in bridge engineering, supporting structures of subway tunnels, arch flumes and long-span sport stadiums owing to light weight, high carrying capacity and convenient construction procedure. With the enhancement of the span ability of CFST arches, in-plane stability has become more and more important during practice design, and in some cases turns to be a key issue. In current design codes or standards, the CFST arches are taken as axial compressive or eccentric compressive columns with equivalent length. This method is derived from the classical buckling theory which ignores the effect of pre-buckling deformation on the in-plane strength. Thus, the equivalent beam-column method is not suitable for shallow arches in which the pre-buckling deformation has a notable effect on the buckling behavior. In addition, the equivalent beam-column method ignores the non-uniform distribution of bending moment, leading to a large gap between the prediction and test result. This project intends to investigate pre-buckling effect on the in-plane stability of parabolic CFST arches experimentally, and to develop an interaction equation accounting for non-uniform distribution of moment. This project aims to further improve the design theory and method of in-plane stability of CFST arches.

钢管混凝土拱因具有自重轻、抗压强度高、施工便捷等优点，在桥梁工程、地铁隧道开挖支护、渡槽结构以及大跨度体育场馆中得到广泛应用。随着钢管混凝土拱跨度的不断增大，其平面内稳定问题日益突出，往往成为控制设计的关键因素。现行规程或行业标准均推荐采用等效梁柱法进行钢管混凝土拱的平面内稳定设计，但该方法基于经典弹性稳定理论，未考虑屈曲前变形对稳定承载力的影响，因此不适用于屈曲前变形显著的钢管混凝土浅拱。此外，等效梁柱法忽略了弯矩沿拱身不均匀分布对稳定承载力的影响，导致计算结果与拱的实际承载力存在较大出入。本项目以工程中较常采用的抛物线拱作为研究对象，采用理论与实验相结合的方法，研究屈曲前变形对钢管混凝土拱平面内稳定承载力的影响；在此基础上，建立考虑弯矩不均匀分布的压弯相关设计公式以用于钢管混凝土抛物线拱的平面内稳定设计。本项目旨在进一步完善钢管混凝土拱平面内稳定的设计理论与设计方法。

随着钢管混凝土拱桥跨度的不断增加，其平面内稳定问题日益突出。现行规范或规程均推荐采用等效梁柱法进行钢管混凝土拱的平面内稳定设计，但该方法基于经典弹性稳定理论，未考虑屈曲前变形对稳定承载力的影响，因此不适用于屈曲前变形显著的大跨径钢管混凝土浅拱。此外，等效梁柱法忽略了弯矩沿拱身不均匀分布对稳定承载力的影响，导致计算结果与拱的实际承载力存在较大出入。本项目以工程中较常采用的大跨径钢管混凝土抛物线拱作为研究对象，研究了屈曲前变形对钢管混凝土拱平面内稳定承载力的影响；在此基础上，建立了考虑弯矩不均匀分布的压弯相关设计公式以用于大跨径钢管混凝土抛物线拱的平面内稳定设计。主要研究内容、重要结果和关键数据如下：. （1）通过三种不同矢跨比钢管混凝土抛物线拱在三种不同荷载工况下的试验研究，得到了在均布竖向荷载和四分点荷载作用下，钢管混凝土抛物线拱的平面内失稳破坏模式为反对称失稳；在拱顶加载工况下，钢管混凝土抛物线拱则呈现出正对称的失稳破坏模式。钢管混凝土抛物线拱平面内稳定荷载-位移曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段和失稳破坏三个阶段，不同矢跨比和加载工况下钢管混凝土拱均具有较强的塑性变形能力。. （2）通过本文所得的弹塑性稳定承载力与现有规范计算结果的对比分析发现，规范的计算公式并不能准确计算结构的稳定承载力。为考虑矢跨比对稳定承载力的影响，本文对现有规范采用的稳定系数进行了修正，并通过与有限元结果对比可知，修正后的稳定系数计算公式可以较好的计算钢管混凝土抛物线拱的平面内稳定承载力。提出了钢管混凝土抛物线拱在压弯作用下的稳定承载力计算公式，并通过与有限元结果的对比分析得到利用该公式计算压弯作用下结构的平面内稳定承载力是安全可靠的。. 本项目的研究可用于工程中较常采用的钢管混凝土抛物线拱的平面内轴压及压弯稳定承载力计算，改善了传统设计理论不能考虑矢跨比对钢管混凝土抛物线拱影响的缺点，使得计算结果更加安全可靠，有较强的工程指导意义。