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。     

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。     

箱梁剪滞翘曲位移函数的定义及其应用

提出了箱梁剪力滞效应计算中翘曲位移函数定义的新方法。由竖向弯曲荷载下箱梁截面的剪力流分布规律,定义符合箱梁各翼板剪切变形规律的剪力滞翘曲位移函数,该定义方法与箱梁剪力滞效应的力学定义完全吻合。通过对顶、底板具有不同厚度和内、外顶板具有不同宽度两种情况下的算例筒支粱在跨中集中力作用下的剪力滞效应对比分析,验证了基于剪切变形规律的剪滞翘曲位移函数对于箱梁剪力滞效应分析的精度和适用性。     

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。     

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.     

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。     

荷载横向变位下变截面连续箱梁剪滞分析的有限梁段法

为研究荷载横向作用位置变化对箱梁剪滞效应的影响,对箱梁顶、底板、悬臂板分别设置了不同的剪滞纵向位移差函数;假定纵向翘曲位移沿横向分布为k次抛物线,并考虑剪滞和剪切双重效应的影响,通过能量变分法推导出了荷载横向变位时梁段单元的平衡控制微分方程组及其闭合解;提出了能对工程中常见的变截面连续箱梁剪滞效应进行分析的有限梁段法。该方法计算结果与有限元模型、已有模型试验结果的最大误差在5.95%~9.74%之间,两种工况下计算结果的叠加与有限元结果相对误差在0.07%~19.18%之间,均吻合良好,说明将基于有限梁段法的剪滞效应变分解和叠加原理用于求解复杂力状态下的剪滞效应是可行的。剪滞翘曲位移横向分布函数精度选择的研究结果表明:均布荷载分别作用于腹板顶部、顶板中心时,翘曲位移横向分布函数宜分别选用三次、二次抛物线。     

单箱三室箱梁剪力滞效应的试验研究

为开展单箱三室箱梁剪力滞效应的试验研究,制作了有机玻璃简支箱梁模型,对试验模型进行了分级加载。对该试验箱梁进行集中加载,分别作用于跨中截面四腹板上方、两对称边腹板上方和两对称中腹板上方。采用DH3816应变采集仪测得跨中及四分之一跨截面各关键点应变值,用百分表测得箱梁各关键截面挠度值。测量得到的截面应力分布规律验证了箱梁截面剪力滞效应的存在。对该有机玻璃简支箱梁,利用有限元方法和模型试验方法,研究了3种集中力工况下截面的剪力滞分布规律。结果表明,集中力作用下单箱三室箱梁各翼板间存在明显的剪力滞效应,且荷载的横向作用位置对箱梁截面剪力滞效应影响较大。     

箱形梁剪力滞和剪切效应引起的附加挠度分析

将箱形梁腹板剪切变形纳入初等梁挠曲变形,在全截面上引入剪力滞翘曲修正系数,重新定义了剪力滞翘曲位移模式。选取剪力滞效应引起的附加挠度为广义位移,计算外力势能时考虑剪力滞广义位移的影响,应用能量变分法建立了反映剪力滞和剪切效应的控制微分方程,并导出了均布荷载作用下简支箱梁和两跨连续箱梁剪力滞和剪切效应附加挠度的解析解。数值算例表明,本文方法计算的总挠度值与有限元数值解吻合良好,从而验证了本文方法的合理性。算例箱梁剪切附加挠度明显大于剪力滞附加挠度;简支箱梁跨中截面的剪切和剪力滞附加挠度分别占初等梁挠度的2.50%和1.97%,两跨连续箱梁距中支点9l/16截面分别占27.45%和16.87%。     

箱形梁剪力滞效应分析中的翘曲位移函数及广义内力研究

以薄壁箱梁的弯曲计算理论为基础,从分析翼缘板的面内剪切变形和弯曲剪力流的分布规律入手,从理论上证明二次抛物线是箱形梁剪力滞效应分析中的合理翘曲位移函数。选取剪力滞效应引起的附加挠度作为广义位移,用基于最小势能原理的能量变分法建立箱形梁剪力滞效应分析的控制微分方程和边界条件。对箱梁横截面上新出现的广义内力给出严密定义,并建立了剪力滞翘曲应力的简便计算公式,它与初等梁弯曲应力公式具有相同的形式。对一个简支箱梁模型的计算表明,计算值与实测值吻合良好,从而证实了本文的分析方法和建立的公式是正确的。不同于弯矩的分布,剪力滞广义力矩具有快速衰减的分布特征。对集中荷载作用下的简支箱梁算例,剪力滞效应使其跨中挠度增大达12%,工程实践中必须认真对待。     

简支及悬臂箱梁在角隅轴向荷载作用下的翼板纵向应力

基于能量变分原理，拟定轴向荷载作用下箱梁的纵向位移函数，得到关于翼板剪切变形引起的位移差函数的基本微分方程，继而推导出箱梁翼板纵向应力表达式，并首次得出角隅轴向荷载作用下翼板出现应力不均匀分布的荷载及边界条件。通过对一模型箱梁进行计算，并与通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较，验证了该方法和所推导公式的正确性。研究结果表明，当作用于简支箱梁截面角隅处的轴向荷载（合力无偏心）为集中或分布荷载时，翼板不产生纵向应力不均匀现象；当作用于悬臂箱梁截面角隅处的轴向荷载（合力无偏心）为集中荷载时，翼板不产生纵向应力不均匀现象，而当荷载轴向分布时，翼板将产生纵向应力不均匀现象。实际工程中，横力弯曲使悬臂箱梁产生剪力滞效应，这种效应会与轴向分布荷载产生的效应叠加，设计时对此应予以充分考虑。     

梯形箱梁剪力滞后效应的精细化分析

引入剪滞翘曲应力自平衡条件的影响,考虑了剪切变形和剪滞效应等因素,设置了三个不同的剪滞纵向位移差函数以准确反映梯形箱梁不同宽度翼板的剪滞变化幅度,提出了一种能对工程中常用箱梁静力学特性分析的精确解法。本文以能量变分原理为基础建立了薄壁箱梁的弹性控制微分方程和自然边界条件,获得了相应广义位移的闭合解。算例中,分析了不同荷载形式、跨宽比和悬臂板长度等因素对箱梁静力学特性的影响,结果显示出引入剪滞翘曲应力自平衡条件的必要性。     

考虑剪力滞和剪切变形的薄壁箱梁自振特性分析

以能量变分原理为基础,综合考虑箱形梁满足应力自平衡的剪力滞、剪切变形和转动惯量等多重因素的影响,推导出箱梁的自由振动方程及自然边界条件。通过算例将本文解析计算结果与ANSYS有限元计算结果进行了比较。结果表明,两者计算结果吻合良好,论证了本文计算方法的正确。所得公式比以往箱形箱梁自振特性计算理论有一定发展,并得出了一些对工程设计有意义的结论;在剪力滞效应的作用下,箱形梁的固有频率减小幅度较大,不能忽略;剪力滞效应随频率阶次的升高而变大,随着跨宽比的减小而增大。