基于新型广义位移的箱形梁扭转单元及应用

为了改进变截面连续箱梁桥的扭转分析理论，将截面总扭转角分解为自由翘曲扭转角和约束剪切扭转角，选取自由翘曲转角扭率作为广义位移，提出一个2节点8自由度的扭转梁段单元。从约束扭转控制微分方程出发，推导单元刚度矩阵及等效节点荷载列阵。引入应力增大系数，以反映约束扭转对初等梁应力的增大效应。数值算例验证了本文梁段单元的可靠性。最后对一个三跨变截面连续箱梁桥进行分析，结果表明，双力矩影响线与弯矩影响线较为类似，按双力矩影响线进行最不利荷载加载时最大应力值偏小；应力增大系数在集中荷载作用截面出现极值，均发生在腹板与顶板交点处；利用偏载放大系数来考虑扭转附加效应时，不宜考虑弯曲正应力较小及翘曲正应力出现极值的梁段区域。     

钢桁腹-混凝土组合箱梁畸变效应研究

为研究梯形截面的钢桁腹-混凝土组合箱梁的畸变效应，在薄壁箱梁理论的基础上，考虑钢桁腹杆的力学特性，应用改进的板元分析法建立畸变控制微分方程，并给出畸变解析解。通过ANSYS建立实体模型验证所推公式的正确性。结合数值算例，对比分析在均布畸变荷载作用下相同截面参数的钢桁腹-混凝土组合箱梁和传统混凝土箱梁的畸变翘曲正应力，并分析梁宽和钢腹杆俯角对组合箱梁畸变内力的影响。结果表明，相同截面参数下，由于组合箱梁钢桁腹杆的纵向刚度很小，其畸变翘曲正应力为混凝土箱梁的1.71倍；梁宽对畸变内力影响较大，当梁宽增加至4.5 m时，畸变双力矩和畸变矩分别增大至3.68倍和1.36倍，且前者在纵向上双峰的分布趋势逐渐平缓；腹杆俯角对畸变双力矩影响较大，当腹杆俯角增加至27°时，畸变双力矩减小了约14.3%,但其对畸变矩影响很小。     

考虑滑移的钢-混凝土组合箱梁畸变效应研究

通过引入滑移转角位移函数,建立考虑滑移的畸变翘曲正应力,基于势能驻值原理,推导考虑滑移效应的畸变微分方程。定义了一个畸变的滑移影响系数κ,此系数仅与混凝土与钢材材料特性、栓钉类型及栓钉布置形式有关,并给出均布荷载和集中荷载作用下的微分方程初参数解。建立一个考虑滑移的钢-混凝土组合箱梁的Ansys有限元模型,均布荷载作用下畸变应力与畸变角与本文理论吻合良好,验证了本文理论的正确性。将考虑滑移与不考虑滑移的结果进行对比,分析表明,均布荷载作用下考虑滑移的畸变角与畸变翘曲均小于不考虑滑移的情况,且考虑滑移的畸变角更加接近于有限元计算结果。重新定义了考虑滑移的畸变矩和畸变双力矩且考虑滑移影响的结果均大于不考虑滑移的结果。     

波形钢腹板组合箱梁约束扭转分析

波形钢腹板箱梁相比于传统混凝土箱梁其扭转效应更为明显，为了更加合理地分析其约束扭转效应，在乌曼斯基第二理论的基础上考虑波形钢腹板的手风琴效应及顶底板对腹板的约束作用，通过截面等效的途径，推导了约束扭转正应力和二次剪应力的计算公式，数值算例和ANSYS有限元分析验证了所推导公式的正确性。引入正应力系数反映约束扭转正应力与弯曲正应力的占比关系，引入剪应力系数反映二次剪应力对扭转总剪应力的影响程度。结合数值算例，详细分析了悬臂板宽度和波形钢腹板厚度变化对应力系数的影响规律。研究结果表明，偏心集中荷载作用下，扭转翘曲正应力可达到弯曲正应力的45%，波形钢腹板上下两端区域内的约束扭转正应力可达到弯曲正应力水平，二次剪应力可达到扭转总剪应力的52%，减小悬臂板宽度和增大波形钢腹板厚度可显著降低二次剪应力。     

ANALYSIS OF SHEAR LAG EFFECT OF TWIN-CELL BOX GIRDERS

针对单箱双室箱梁,考虑各翼板间剪力滞翘曲的差异,并结合全截面轴力自平衡条件,定义了箱梁各翼板的剪滞翘曲位移函数. 利用最小势能原理,建立了双室箱梁考虑剪力滞效应的控制微分方程. 对一典型的单箱双室简支箱梁,利用空间板壳数值方法和本文解析解方法,研究了满跨均布载荷和跨中集中力作用下截面的剪力滞分布规律. 结果表明,本文提出的剪力滞翘曲位移模式能够反映双室箱梁各翼板间剪力滞翘曲的差异,本文解析解与有限元数值解吻合良好. 双室箱梁中腹板部位顶、底板处的剪力滞效应与边腹板部位有一定差异,对算例结构,中腹板部位的顶、底板应力小于边腹板部位的应力.     

单箱双室组合箱形梁桥静力学特性的研究

为了准确分析单箱双室波纹钢腹板组合箱梁的竖向弯曲力学性能,考虑了组合箱梁的剪力滞、剪切变形、腹板褶皱效应以及剪滞翘曲应力自平衡等因素,设置了3个剪滞纵向翘曲位移差函数,进而基于能量变分法建立了组合箱梁的弹性控制微分方程和自然边界条件。研究表明,褶皱效应对组合箱梁力学性能具有一定影响,且集中荷载下组合箱梁的褶皱效应更为突出;简支边界条件下,组合箱梁剪力滞效应明显,特别是集中荷载组合箱梁的剪力滞效应趋强;本文方法具有一定的理论和工程实用价值,且对该类结构设计具有重要的指导作用。     

开口薄壁梁的扭转理论与应用

以Vlasov薄壁构件理论为基础, 推导了开口薄壁构件一阶扭转理论. 该理论考虑了翘曲剪应力对截面转角的影响, 截面的转角分为自由翘曲转角和约束剪切转角, 在约束扭转中, St.Venant扭矩仅仅与自由翘曲转角有关, 而翘曲扭矩仅与约束剪切转角有关. 利用半逆解方法求出了约束扭转中薄壁构件的St.Venant扭矩表达公式; 依据能量方法, 建立了约束剪切转角和翘曲扭矩之间的关系, 并提出了翘曲剪切系数概念, 给出了一阶扭转理论的微分方程. 为了有效求解微分方程, 给出了求解微分方程的初参数法方程和相应的影响函数矩阵; 当St.Venant扭矩可以忽略时, 得到与一阶弯曲理论(Timoshenko梁理论)相似的一阶扭转理论简化形式. 最后利用算例证明了一阶扭转理论和简化理论的有效性.      

薄壁箱梁的翘曲连续性条件

基于薄壁杆件理论,分析了薄壁箱梁弯曲剪流和约束扭转翘曲剪流计算时的翘曲连续性 条件. 从翘曲连续性条件出发,推导了薄壁箱梁约束扭转翘曲剪流的一般公式,此外,还指 出了有关文献中的错误并进行了更正. 最后对一个悬臂箱梁的约束扭转翘曲剪流进行了计算 比较.     

薄壁箱梁广义坐标法刚度矩阵的推导及应用

在符拉索夫广义坐标法初参数方程的基础上,推导出可用于均布扭转荷载作用下薄壁箱梁翘曲分析的刚度矩阵,该刚度矩阵具有较高的单元精度,可用于由较多薄壁箱梁组成的复杂结构的整体有限元分析。通过对广义坐标法刚度矩阵和乌曼斯基理论、修正乌曼斯基理论求得薄壁箱梁的位移和应力进行分析比较,为各方法在实际工程中的应用提供一定的参考。     

H形钢梁考虑有限翘曲约束刚度的扭转效应分析

为考虑半刚性连接对H形钢梁翘曲变形的有限约束，引入翘曲约束刚度的概念，提出介于简单支承和固定支承之间的半刚性连接H形钢梁约束扭转计算方法。结合数值算例，验证本文方法的正确性，详细分析翘曲约束刚度变化对翘曲正应力和二次剪应力的影响。研究结果表明：翘曲约束刚度引起的双力矩沿跨度呈线性变化，翘曲正应力随翘曲约束刚度的增大而减小，二次剪应力随翘曲约束刚度的增大而增大。     

钢桁腹式混凝土组合箱梁翼板纵向应力的计算方法研究

为研究钢桁腹式混凝土组合箱梁翼板纵向应力沿横桥向的分布情况,运用有限元软件ANSYS建立一座35m等截面简支钢桁腹式混凝土组合箱梁的有限元模型,考虑斜向腹杆杆力作用会使翼板产生附加轴力及相应的附加应力,故利用能量变分法原理推导出组合箱梁的翼板纵向弯曲应力和纵向附加应力计算公式,并据此探讨适用于计算组合箱梁的翼板纵向应力的方法。将有限元值和理论值进行比较,吻合程度良好。研究结果表明,组合箱梁的下翼板纵向应力可采用纵向弯曲应力计算公式进行计算;为获得组合箱梁的翼板附加轴力,可将组合箱梁的钢桁腹杆和混凝土纵梁取出,认为两者通过节点构造共同构成平面桁架,翼板附加轴力即为平面桁架的弦杆杆力;组合箱梁的上翼板纵向应力可通过纵向弯曲应力和经修正的纵向附加应力叠加获得。     

剪力滞效应对箱形梁挠度影响的研究

从剪力滞翘曲应力的轴向平衡条件出发,选取双室箱梁的合理翘曲位移函数,引入相应于剪力滞翘曲变形的惯性矩和惯性积等几何特性,用能量变分法建立薄壁箱梁剪力滞效应分析的控制微分方程。通过求解控制微分方程,导出集中荷载和均布荷载作用下简支箱梁和悬臂箱梁的挠度公式及有限梁段单元刚度矩阵,模型试验和ANSYS壳单元计算结果证实了其正确性。结合简支、悬臂和连续箱梁数值算例,具体分析剪力滞效应对箱梁挠度的提高程度。结果表明,无论在集中荷载还是均布荷载作用下,剪力滞效应对简支箱梁的挠度均有显著提高。在集中荷载作用下,剪力滞效应对连续箱梁挠度的提高可达14%;对于跨宽比约为4.0～6.0的简支箱梁,可将按初等梁计算的跨中挠度乘以提高系数1.05～1.11;计算悬臂箱梁的挠度时,一般可以忽略剪力滞效应的影响。     

变宽截面箱梁剪力滞效应研究

将变宽度截面箱梁的剪力滞翘曲位移函数定义为三次抛物线形式,用能量变分原理建立了分析变宽截面箱梁剪力滞效应的控制微分方程,并用差分法求解此方程。分别计算了简支箱梁在集中荷载和均布荷载作用下的正应力,并用有限元法作了验证。将计算结果与等截面箱梁的应力进行对比,总结变宽箱梁剪力滞效应的分布规律。结果表明,均布荷载作用下,相对于等截面梁,变宽箱梁的顶板应力变化幅度更大,峰值更高,箱梁的顶板宽度变化对剪力滞效应影响较大;在集中荷载作用下,等截面与变宽度箱梁跨中截面的应力相近,应力分布曲线吻合较好,说明顶板宽度变化对剪力滞效应影响较小;分别在集中和均布荷载作用下,箱梁跨中截面应力均为正剪力滞分布状态。当箱梁顶板、底板和悬臂板宽度相等时,剪力滞效应控制微分方程也适用于等截面箱梁。     

变刚度梁弯曲解析解在桥面板中的应用

针对新型连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁,研究了该桥型桥梁的桥面板拉应力控制方法与措施．将该桥型组合桥梁等效为可变刚度的Euler梁,给出任意横向荷载作用下变刚度梁的静力弯曲解析通解,并得到三跨连续阶梯型变刚度梁变形及其内力分布特征．在此基础上,以三跨连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁为研究对象,考虑下部钢箱梁与上部混凝土桥面板完全剪力连接,通过改变负弯矩区钢箱梁壁厚、内部充填混凝土的强度、长度与高度等参数,分析得到可有效控制桥面板拉应力的关键因素．结果显示：在负弯矩区段内的钢箱梁内部充填混凝土对控制该区域混凝土桥面板拉应力效果明显,但混凝土强度影响较弱．混凝土桥面板开裂区域随钢箱梁中充填混凝土长度的增加而减少,但桥面板顶部拉应力会随混凝土充填高度的增加呈现先减小后增大的趋势,在充填高度为箱梁内部净高的20 %~30 %左右时效果较为显著,此时经济效益最佳．     

考虑梗腋影响的波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应研究

考虑梗腋在波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的影响,通过剪力流公式定义了考虑梗腋影响的修正系数,运用变分法得到对应的微分方程,然后求出简支波形钢腹板组合箱梁在集中荷载作用下的剪力滞系数计算公式,采用数值模拟进行对比验证。最后通过调整梗腋尺寸参数,研究梗腋形状变化对剪力滞效应的影响。结果表明,考虑梗腋影响后的理论计算结果与有限元结果吻合较好;波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应现象随着梗腋影响系数的增大而减小;考虑梗腋影响的波形钢腹板组合箱梁剪力滞系数较未考虑情况大幅度降低,在集中荷载下剪力滞效应系数减小约10%;当梗腋宽度与上翼板宽度的比值大于0.5时,对剪力滞效应的影响变化较小,梗腋高度为其宽度的0.16~0.19倍时对剪力滞效应影响最大。     

基于能量变分法的钢底板波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为合理分析钢底板波形钢腹板梯形箱梁的畸变效应，按各板件面内外抗弯刚度不变的原则将全截面等效为钢材，利用圣维南原理考虑顶底板对波形钢腹板的约束作用，修正畸变扇性坐标分布模式，基于能量变分法建立畸变控制微分方程。与已有文献及有限元进行对比分析，并研究腹板俯角和波形钢腹板厚度变化对畸变翘曲正应力的影响。结果表明，本文解析解与文献解及ANSYS解均吻合较好；基于圣维南原理修正后的扇形坐标分布模式更合理；利用本文等效方法亦可分析传统波形钢腹板组合箱梁的畸变效应；腹板俯角的设置有利于减小畸变翘曲正应力；波形钢腹板厚度变化对腹板与底板交接处的畸变翘曲正应力影响显著。     

矩形箱梁力学性能分析的修正计算方法

本文对矩形箱梁翼板设置了不同的剪滞翘曲位移差函数，继而综合考虑剪力滞效应、剪切变形以及剪滞翘曲应力和弯矩自平衡条件等因素，且以能量变分原理为基础建立了矩形箱梁的弹性控制微分方程和自然边界条件，基于此修正了现行薄壁结构分析方法。与传统剪滞理论相比，本文方法深刻反映了矩形箱梁的力学特性。研究表明，(1)由于剪滞翘曲应力和弯矩自平衡条件的引入，矩形箱梁力学性能分解为独立的初等梁理论和剪滞理论体系，且箱梁力学性能为两者的叠加效应；(2)矩形箱梁断面尺寸确定，剪滞效应对其正应力的影响值不变，即剪滞效应的竖向力学行为与箱梁跨径无关；(3)尽管矩形箱梁的梁高对箱形梁剪滞翘曲应力和初等梁理论的应力值皆有一定影响，但其剪力滞系数不变，因此剪力滞效应与梁高无关；(4)剪力滞效应不仅影响箱梁翼板力学性能，而且对其腹板力学行为的影响不可忽视。因而，与传统剪滞理论相比，本文修正法不仅计算精度明显提高，而且更能真实反映矩形箱梁的力学性能。