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拱橋是橋梁的基本形式之一, 因其經濟、美觀、剛度較大, 應用十分廣泛, 隨著高強度材料和先進施工方法的不斷出現, 拱橋開始向薄型和大跨趨勢發展, 這就使其穩定問題顯得日益突出, 甚至成為制約其發展的主要因素之一。

按照拱橋在失穩時是否發生質變的觀點, 可將其穩定分為第一類穩定問題和第二類穩定問題, 其中第 一類穩定問題是指對于較柔細的拱, 當其承受的荷載達到一定的臨界值時, 拱的平衡狀態就會出現分枝, 使原來的平衡狀態失去穩定性而轉向新的平衡狀態; 而第二類穩定問題是指對于不太細長的拱, 平衡形式不發生質變, 可能在發生面內彈性屈曲之前, 就進入了彈塑性狀態, 應按塑性分析法確定其壓潰荷載, 是極值點問題。 

拱橋屬于壓彎構件, 而且不可避免地存在著初始缺陷, 因此嚴格地說應屬于第二類失穩, 但由于其方 程求解的復雜性, 在實際拱橋設計中, 對中小跨度的拱橋多按第一類穩定理論驗算拱橋的穩定性。

1、國內規范

在我國《公路橋涵設計規范》中, 要求對各施工階段及成橋后拱截面的強度和穩定進行計算。對于長細比不大, 且矢跨比 f/L 在0.3以下的拱, 縱向穩定性驗算表達為強度校核的形式, 即將拱肋換算成相當長度壓桿, 按平均軸向力, 采用鋼筋混凝土軸心受壓構件強度計算公式; 當拱肋(換算直桿)的長細比大于《橋規》規定值時, 則按壓桿臨界力驗算縱向穩定, 安全系數 K = N L/N j 約為 4～ 5。這種計算方法是基于拱的彈性屈曲分析, 假定拱軸線不變形, 沒有考慮幾何非線性和材料非線性(一般安全系數比考慮非線性稍高,偏于不安全) , 因此主要適用于小跨度拱橋的縱向穩定性計算。

同時, 我國規范還要求當拱圈寬度小于跨徑的1/20, 或拱肋寬度小于聯系各拱肋的橫系梁間距的 1/20 時, 應驗算拱圈或拱肋的橫向穩定。當計算用橫系梁連接的拱肋橫向穩定時, 可將拱橋視為等于拱軸長度的平面桁架, 按受壓組合構件決定其計算長度和長細比。這種方法屬于當量組合壓桿法, 由于沒有考慮拱肋局部撓曲的影響, 比較間接和粗略, 可能和實際結果相差較大, 而且對拱肋橫向穩定的計算目前也尚處于探索階段, 仍是主要靠試驗方法或近似計算來解決。

2、德美規范

在德國的鋼結構規范DN 18800-Ⅱ-1988 規范草案中, 對拱的面內、面外穩定是利用等效長細比把拱化做受壓直桿的穩定問題來計算, 基本思想和我國規范相近。

在《美國公路橋梁設計規范》中, 對于鋼及鋼筋混凝土拱在計算面內穩定時均采用彎矩放大系數法, 并且在建立力學模型時要求計入受壓構件的非彈性性能, 在穩定分析中要求包括變形效應和構件的軸線偏離直線的情況。可見該規范對于拱考慮了第二類穩定問題, 對于中小跨度拱, 把拱看作一根壓彎桿件, 用彎矩放大系數法來考慮“梁柱效應”, 用強度驗算來代替拱的第二類穩定問題的驗算。但是該規范對橫向穩定亦未做特別說明。

摘自：石家莊鐵道學院學報《拱橋穩定分析的規范方法與建議》