斜靠式拱桥侧倾失稳机理的理论与实验研究

Leaning-type arch bridge is a new type arch bridge developed in recent years, and the lateral stability of which often is a key restraining factor in the design. Focus on the elastic and extreme value point lateral buckling of leaning type arch bridge,the method of theoretic derivation, FEM numerical simuilation,and model test are adopted, and the following study will be carried out: The lateral and radial mechanical model of transverse brace between the main arch rib and stable arch rib are proposed when there is a lateral buckling occuring;Based on Ritz method, the numerical model of the main members of leaning-type arch bridge's deformation energy, external loading potential energy and non-directional load potential energy of hangers are constructed, and the analytical solution of leaning-type arch rib's lateral buckling critical load is derived, then comparing results with those obtained from FEM calculations, it will be verified that the analytical solution presented is accurate sufficiently,then the numerical simuilation of FEM is adopped, the initial defect, geometrical nonliear and material nonlinar are considered comprehensively, in conjuction with the modle test rusluts, the semi-analytical soulution calculation formula is obtained;The impacts of those design parameters on the lateral buckling critical loads are analysied, such as main arch ribs, stable arch ribs, transverse braces, hangers, and deck of bridge; The lateral buckling mechanism of leaning type arch bridge are reveled furthemore,and the belive range of buckling is explianed, and the calcuation mehtod of lateral buckling critical load of leaning-type arch bridge is proposed finally.

斜靠式拱桥是近年发展起来的一种新型拱桥，其侧向稳定性是控制设计的关键因素。本项目以斜靠式拱桥为研究对象，采用理论推导、有限元数值模拟和模型试验的研究方法，针对斜靠式拱桥的弹性和极值点侧倾失稳，展开了以下系列研究：构建斜靠式拱桥发生侧倾失稳时主拱肋与稳定拱肋间横撑沿拱肋径向和切向的力学模型，基于Ritz能量法，构造桥梁各主要构件的变形能、外力势能以及吊杆非保向力势，推导斜靠式拱桥侧倾失稳临界荷载的解析解，并通过有限元数值解验证其正确性，进一步采用非线性有限元数值模拟方法，综合考虑斜靠式拱桥的初始缺陷、几何非线性、材料非线性，并结合模型试验结果，获得便于工程应用的斜靠式拱桥极值点侧倾失稳临界荷载的半经验计算公式，分析主拱肋、稳定拱肋、横撑、吊杆和桥面系等设计参数对临界荷载的影响，揭示斜靠式拱桥侧倾失稳机理，阐明其侧向失稳置信区域，最终提出侧倾失稳临界荷载计算方法。

斜靠式拱桥是近年发展起来的一种由X型拱桥演变而来的新型拱桥，这种桥型造型独特，视野开阔且经济指标良好，然而由于该类桥主拱肋间未设横撑，其侧向稳定性是控制设计的关键因素。本项目以斜靠式拱桥为研究对象，采用理论推导、有限元数值模拟和模型试验的研究方法，完成了以下研究工作：（1）构建了斜靠式拱桥发生侧倾失稳时主拱肋与稳定拱肋间横撑沿拱肋径向和切向的力学模型；（2）基于能量法，构造了斜靠式拱桥梁各主要构件的变形能、外力势能以及吊杆非保向力势，推导了拱轴线为圆弧曲线、抛物线和悬链线的斜靠式拱桥侧倾失稳临界荷载的解析解，并通过有限元数值解验证其正确性；（3）采用非线性有限元数值模拟方法，综合考虑斜靠式拱桥的初始缺陷、几何非线性、材料非线性，并结合模型试验结果，获得便于工程应用的斜靠式拱桥极值点侧倾失稳临界荷载的简化计算公式；（4）分析了主拱肋、稳定拱肋、横撑、吊杆和桥面系等设计参数对临界荷载的影响，揭示了斜靠式拱桥侧倾失稳机理，最终提出了侧倾失稳临界荷载计算方法。. 本项目已取得如下成果：（1） 在《Journal of Constructional Steel Research》(JCR一区期刊)、《土木工程学报》、《工程力学》国内外学术刊物发表科研论文15篇，其中被SCI检索4篇、EI检索6篇；（2）于2013年获国家发明专利两件，其中一件已成果转让，转让经费15万元；（3） 于2013年和2014年分别获软件著作权两项；（4）本项目部分成果获得2014年获得广东省科技进步三等奖、2016年获得教育部科技进步二等奖（已公示）；（5）本项目部分研究成果“斜靠式拱桥侧倾临界荷载简化计算方法”已应用于广东省江门市胜利大桥的设计； （6）项目负责人于2015年获“羊城学者首席科学家”资助、2016年遴选为广州大学博士生导师。