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%。     

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。     

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。     

变分原理分析开裂简支箱梁剪力滞效应

变分原理通常应用于箱形截面梁剪力滞效应弹性分析,本文基于换算截面法,运用变分原理推导了预应力混凝土简支箱梁均布荷载作用、钢筋混凝土简支箱梁集中荷载作用的剪力滞系数计算公式,考虑了混凝土开裂对箱梁剪力滞效应的影响,并与试验结果和规范方法进行了对比分析。变分原理分析开裂混凝土箱梁剪力滞效应方法力学概念明确,是其弹性分析适用范围的拓展,亦可推广应用到混凝土连续箱梁开裂后的剪力滞效应分析,具有广阔的应用前景。     

钢-混凝土组合箱梁梁段有限元法研究

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能；剪应力沿截面横向分布不均匀,造成其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状,即剪力滞效应；同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略.根据虚功原理,建立了同时考虑滑移效应、剪力滞及剪切变形效应的组合梁单元刚度矩阵及等效节点力向量,并在此基础上编制了组合梁梁段有限元程序.利用本文程序对现有组合梁试件的混凝土顶板应力、钢梁底板应力、跨中挠度和梁端滑移进行了计算,并将本文计算结果与解析法计算结果及试验结果进行了比较.结果表明,本文计算结果与解析法计算结果及试验结果吻合良好；同时,本文计算结果具有较好的稳定性,验证了本文计算方法的正确性.本文所建立的梁单元刚度矩阵同时考虑了剪切变形、剪力滞及滑移效应的影响,符合工程实际,为有限梁段法分析组合箱梁提供了理论基础.     

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。     

薄壁箱梁剪力滞翘曲位移函数的改进与对比分析

基于能量变分原理,考虑箱梁横截面正应力轴向平衡条件和剪切变形的影响,构建了包含参数m的新剪力滞翘曲位移函数。以所得应力均方误差与挠度均方误差为精度标准,计算分析了不同m值(即不同幂次)抛物线下新构建剪力滞翘曲位移函数的适应性,得出了二次抛物线形式较为精确合理的结论。通过比较典型位置所得应力值,进一步分析了新构建剪力滞翘曲位移函数(m=2)的适应性和精确性。针对所得集中荷载作用下简支箱梁翼缘悬臂板最外端应力有较大偏差的情况,通过应力曲线拟合,得到了集中荷载作用下简支箱梁悬臂板的应力改进公式。将应力改进后新构建剪力滞翘曲位移函数与基本翘曲位移函数所得的应力与竖向挠度进行比较,论证了通过本文新构建的剪力滞翘曲位移函数推导计算所得的应力公式和应力改进公式的高精度。     

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。     

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。     

剪力对楔形变截面双模量梁弯曲应力的影响

推导出了楔形矩形变截面双模量梁的截面高度表达式,利用静力平衡方程确定了楔形矩形变截面双模量梁弯曲时的中性层位置,得到了楔形矩形变截面双模量梁的弯曲剪应力计算公式.在考虑剪切变形影响的基础上,利用楔形矩形变截面双模量梁的弯曲剪应力计算公式,推导出了楔形矩形变截面双模量梁弯曲正应力计算公式.通过算例分析,讨论分析了楔形矩形变截面双模量梁的楔度比、剪力、长高比等对矩形截面双模量梁弯曲正应力的影响.研究结果表明:随着楔度比的增大,楔形矩形变截面梁弯曲拉、压正应力绝对值逐渐减小.当矩形截面双模量梁的长高比小于一定比值,剪力会对楔形矩形变截面双模量梁弯曲正应力产生较大的影响.得到了拉压弹性模量相差较大的情况,采用经典材料力学理论进行楔形矩形变截面双模量梁的弯曲应力计算分析是不合适的,应该采用双模量材料力学理论对梁弯曲应力进行分析计算的结论.     

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。     

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。     

用材料力学公式计算任意截面短梁正应力时的修正项研究

对材料力学中梁的弯曲应力公式增加一修正项,以反映短梁弯剪翘曲变形对应力分布的影响。提出一种根据短梁横截面边界形状及艾瑞应力函数求解应力修正项的方法,应用弹性力学空间问题的一般理论,通过应力平衡方程、应变相容方程及应力边界条件,建立了关于任意截面短梁的应力修正项及剪应力的基本方程。在所建立的基本方程基础上,导出了矩形截面和圆形截面短梁修正应力的具体计算公式,该修正应力与均布荷载大小及弹性模量与剪切模量之比均成正比,但与截面惯性矩成反比。数值算例表明,本文方法计算的应力与通用有限元软件ANSYS计算的结果吻合良好,从而验证了本文方法及其基本公式的正确性。     

考虑尺度效应的微梁静态弯曲数值分析

基于修正偶应力理论及表面弹性理论,本文提出了一种新的双曲线剪切变形梁模型,用于均匀微尺度梁的静态弯曲分析。该理论可以直接利用本构关系获得横向剪切应力,满足梁顶部和底部的无应力边界条件,避免了引入剪切修正因子。根据广义Young-Laplace方程建立了梁的内部与表面层的应力连续性条件,单一的变量场可以描述梁的位移模式。通过在位移场中考虑表面层厚度以及表面层的应力连续条件,可以使新模型能够更准确地预测微尺寸和表面能相关的尺度效应。通过Hamilton原理推导出了梁的控制方程和边界条件。应变能除了考虑经典弹性理论,还要考虑微结构效应和表面能。Navier-type的解析解适用于简支边界条件,而基于拉格朗日插值的微分求积法(DQEM)可以研究在不同边界条件下的力学响应。把该数值解与Navier方法得出的解析解作了对比,得出:微尺度梁在考虑表面能或微尺寸效应、不同载荷和梁高变化下的响应一致;当不考虑微结构相关性和表面能效应时,该模型退化为经典的欧拉梁模型。     

THE SHEAR LAG EFFECT OF BOX BEAMS WITH VARYING LATERAL LOADING LOCATIONS 1)

对箱梁各翼板(顶板、悬臂板、底板)分设不同剪力滞广义纵向位移,其横向分布均取二次抛物线形式,并引入载荷横向位置参数η,以分析载荷横向变位对剪力滞效应的影响.运用能量变分原理,建立剪力滞控制微分方程,求解了简支梁和悬臂梁在均布载荷作用下的控制微分方程的解.算例分析表明:载荷横向变位改变直接承受载荷的翼板的正负剪力滞特性,对非直接承载翼板只改变其应力幅度;箱梁横向框架效应对直接承载翼板纵向应力的贡献远远大于剪切变形.与块体有限元分析结果较吻合,表明该算法能较准确分析载荷横向变位作用下箱梁剪力滞的变化规律.