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1、毕业论文报告第 1 页 共 27 页装订线目录摘要第一章 绪论1.1 拱桥概述1.1.1 拱桥的特点1.1.2 国内外发展状况1.1.3 我国拱桥的发展方向及主要结构型式1.1.4 我国拱桥的施工方法1.2 论文简述1.2.1 课题介绍1.1.2 建模依据第二章 ANSYS 软件介绍2.1 ANSYS 发展2.2 主要功能及特点2.3 典型的分析过程 2.4 负载定义及附表第三章 有限元分析3.1 模型参数3.2 建模过程3.3 加载及后处理3.3.1 简述自重(deadweight)作用3.3.2 在中跨处施加车辆荷载(load)第四章 模型实验简介第五章 数据分析比较 4.1 第六章 结论
2、展望致谢参考文献毕业论文报告第 2 页 共 27 页装订线拱桥静载受力分析和模态分析计算摘要：本文对跨度为 3 米，矢跨比为 1/6 的系杆拱桥在一定外力作用下的应力、应变、位移和拱桥模态利用 ansys 软件，进行了有限元建模和分析计算，得到了相应的计算结果，并与实验结果进行了比对，证明了建模是合理的，计算结果是可信的。关键词：拱桥 有限元分析计算 结果比对第一章 绪论1.1 拱桥概述1.1.1 拱桥的特点拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱桥的特点不仅体现在它独特的外观上，主要还在于它独特的受力性能上。由力学知识可以知道，一种梁式结构在竖向荷载作用下，支承处仅仅产生竖向支承反力，而
3、拱式结构在竖向荷载的作用下，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力。由于这个水平推力的存在，拱的弯矩将比同等跨径的梁的弯矩小很多，而使整个拱主要承受压力，这样拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝土等材料来建，而且还可以利用抗压性能较好而抗拉性能较差的污工材料来修建。拱桥的主要组成，也是由桥跨结构及下部结构两大部分组成。图 1-1 表示拱桥各主要部分的名称。图 1-1 拱桥的主要组成部分毕业论文报告第 3 页 共 27 页装订线一、拱桥的主要优点有：l)、跨越能力较大。在全世界范围内，钢筋混凝土拱桥目前的最大跨径为 390m，石拱桥为 155m，钢拱桥达 518m。2)、能充分做到就地取材，与钢桥和
4、钢筋混凝土梁式桥相比，可以节省大量的钢材和水泥。3)、能耐久，而且养护、维修费用少;4)、外形美观。5)、构造较简单，尤其是污工拱桥，技术容易被掌握，有利于广泛采用。二、拱桥的主要缺点是：l)、自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，当采用无铰拱时，对地基条件要求高。2)、拱桥(尤其是污工拱桥)建桥时间较长，需要劳动力多。3)、连续多孔的大、中桥梁中为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较复杂的措施，或设置单向推力墩，增加了造价。4)、与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高，当用于城市立体交叉及平原区的桥梁时，因桥面标高提高，而使两岸接线工程量增大，或使桥面纵坡增大，既增大造
5、价又对行车不利。因此也使拱桥的使用范围受到一定的限制。拱桥虽然存在这些缺点，但是由于它的优点突出，只要在条件许可的情况下，修建拱桥往往仍是经济合理的，因此在我国公路桥梁建设中，拱桥，特别是污工拱桥仍得到了广泛的应用。三、拱桥的形式可以按照以下几种不同的方式进行分类。a)、按照主拱圈所使用的建筑材料可以分为:污工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥和钢混凝土组合拱桥等。b)、按照拱上建筑的形式可以分为:实腹式拱桥和空腹式拱桥。c)、按照主拱圈线形可以分为:圆弧线拱桥、抛物线拱桥和悬链线拱桥。d)、按照桥面位置可以分为:上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥(图 1-2)。e)、按照有无水平推力可分为:有推力
6、拱桥和无推力拱桥。毕业论文报告第 4 页 共 27 页装订线拱桥图f)、按照结构受力图式可分为:简单体系拱桥(图1-3)、组合体系拱桥和拱片桥。g)、按照拱圈截面型式可分为:板拱桥、板肋拱桥、肋拱桥、双曲拱桥、箱形拱桥、钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥。1.1.2 国内外发展状况国外：1858 年,奥地利人兰格尔(Josef Langer) 获得了刚性梁柔性拱的系杆拱桥专利。19 世纪末 ,德国易北河上建造了一座跨度为 96. 35 m 的 10 跨透镜形弦杆铁路桥,成为所谓洛泽桥(Lohse2Trager) 的先驱。尼尔森 (O. F. Nielson) 最早提出采用斜吊杆代替竖直吊杆的设
7、想,以大幅度提高结构刚度,并于 1929 年在瑞典获得专利权。1927 年,美国纽约在修建跨越哈德逊河的乔治华盛顿桥梁方案中,克利沃夏因曾为了提高桥梁整体刚度提出过跨度达 1 066. 8 m 的拱悬索桥组合方案。2002 年,马来西亚吉隆坡普特拉贾亚城建成的普特拉贾亚为单孔 300 m 的斜拉拱桥,斜拉索与吊杆均作用在桥面。为现代的代表作。以上的为拱桥在国外的各个时期的代表作和各阶段的发展状况。国内：我国公路拱桥的发展，可粗略地分为四个阶段。第一阶段是50年代到60年代中绝大多数是中小石拱桥，当时也研究过片石混凝土拱桥等，但未能推广。毕业论文报告第 5 页 共 27 页装订线最大跨度拱桥是1
8、961年建成的云南南盘江上的长虹桥(单跨1125m空胶式石拱桥)。第二阶段是60年代中至70年代，主导桥型是低配筋双曲拱桥。由于双曲拱桥耗用钢材少，施工中能化整为零，需要起重设备少，易于当时搞群众运动，因而得到飞速发展。当时也研究过中小跨径混凝土预制块拱、二铰拱等少筋拱桥。最大跨度是1968年建成的河南嵩县前河大桥(跨度150m，双曲拱桥)。第三阶段是70年代末到80年代，主导桥型是大中跨预制钢筋混凝土箱(肋)型拱桥。采用无支架吊装架设法建成的最大跨度是四川宜宾马鸣溪大桥(1979年建成，跨度150m)，采用支架法建成的最大跨度是四川攀枝花市宝鼎大桥(1982年建成，跨度170m)。在这个时期
9、，国外钢筋混凝土拱桥的最大跨度已达390m(南斯拉夫克尔克I桥KrK I，1980年建成)。第四阶段以1990年建成的四川宜宾南门金沙江大桥为标志。该桥系中承式劲性骨架混凝土肋拱桥，跨度240m。居当时中承式拱桥世界第一。宜宾桥采用劲性骨架成拱，悬挂模板，现浇拱肋混凝土，大大减轻了吊装架设重量，保证了成拱安全度浇注过程中，采用水箱加载调整应力和变形，大大节省了钢材，应用现代电算技术和电测手段进行旅工仿真计算和施工监控，使拱桥施工决策走向了科学化。所取得的设计施工经验和科研成果，极大地推动了我国超大化拱桥技术进步。在随后的几年中我国几十座跨度100m 以上的拱桥相继建成。1996年建成的广西邕宁
10、邕江大桥跨度选312m，把中承式劲性骨架混凝土拱桥世界记录提高了72m。该桥采用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法悬拼劲性骨拱桁架、浇注拱肋混凝土、调整施工应力和变形，比水箱法更安全稳妥。四川万县长江大桥也是劲性骨架混凝土拱桥，该桥跨度420m，把上承式拱桥的世界记录由南斯拉夫KRK I大桥的390m提高了30m。在此期间，1995年贵州省建成了跨度330m 的江界河大桥，居预应力桁架拱桥世界第一。1995年广东省建成了跨度200m 的南海三山西中承钢管混凝十拱桥、居钢管混凝土拱桥世界第一。1991年湖南风凰县建成跨度120m 的鸟巢河大桥，居石拱桥世界第一这些跨度记录和取得的设计施工经验及科研成果说明
11、，目前，我国拱桥已面跃居世界拱桥先进行列。1.1.3 我国拱桥的发展方向及主要结构型式1、圈的轻拱型化:拱圈轻型化，可减轻对吊装能力的需求，节省上、下部构造工程量，节省造价。我国箱形拱，受吊重的限制，愎板多而厚，其体积可占主拱圈的 2025 ，而受力上并不需要。因此拱圈轻型化除减薄板件厚度外，还向宽箱，少箱发展，以减少腹扳体积，出现了双箱加顶、底板形成三室箱的拱圈，也出现了向肋拱发展的趋势，或用箱肋，工用矩形肋甚至工字形肋。拱圈的轻型化，对设计和施工也提出了更严的要求：(1)、设计中应考虑大变形理论，用挠度理论或非线性有限元理论来计算内力；(2)、施工中的稳定，特别是肋拱的平面外稳定问题突出。
12、因此往往采用多边段吊装，单中段合拢的施工措施，保证稳定。毕业论文报告第 6 页 共 27 页装订线2、施工阶段拱圈的轻型化：直接影响减少吊装能力的需求。一些大跨径拱桥施工阶段采用钢混凝土组合杆件，或钢管混凝土，合拢后再浇注拱圈，可大大减轻吊装重量。带有钢管的半刚性骨架很可能成为特大跨径拱桥最有前途的施工方法。施工阶段拱圈轻型化后，施工阶段稳定性是关键性技术问题应对各步骤的实际结构，考虑几何非线性和物理非线性的影响，计算每一步骤的稳定系数，保证施工万无一失。3、系杆拱、中承拱有较多采用的趋势：系杆拱由于是无推力结构，对墩台要求，较低，整个桥型结构简便、轻巧，桥面视野开阔，广泛用于公路桥梁。在城市
13、桥梁和平原地区通航河流上，中承拱往往颇受青睐因为它可降低桥高，矢跨比大，可减少推力；桥面建筑高度小，可缩短桥长；造型美观，为城镇增添景色；造价也较低。目前发展趋势较快。4、钢管混凝土拱桥迅速发展：用钢管、或者钢管桁架，架设成拱在钢管内填充砼而形成的拱桥叫钢管砼拱桥。钢管混凝土作为钢混凝土组台材料的一种，一方面借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性，另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用。提高了混凝土的抗压强度和延性将钢材和混凝土有机组合起来；在施工方面钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量轻，进度快，施工用钢量省。由于在材料和施工方法上的优越性，将这
14、种结构用于以受力为主的拱桥是十分合理的。钢管混凝土的出现解决了拱桥材料和施工的两大难题。所以钢管混凝土拱桥目前在我国的发展势头迅猛。我国拱桥的主要结构形式有：1、石拱桥是我国修建最早，类型有肋拱、板拱等；2、钢拱桥； 3、混凝土拱桥类型有箱形拱、桁架拱、板拱、肋拱、刚架拱、桁式组合拱、双曲拱、系杆拱、中承式拱、钢管混凝土拱等。其中不少桥型已居世界先进水平。1.1.4 我国拱桥的施工方法施工方法是大跨径拱桥最关键的技术。无支架施工是大跨径拱桥的发展方向。目前我国拱桥主要施工方法有：1、缆索吊装法: 缆索吊装施工方法是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。也就是用塔架、缆索和扣索扣挂悬臂拱段，直至合拢。我国一般采用 37 段悬拼，个别多到 11 段，而
