钢桁腹式混凝土组合箱梁的扭转效应分析

结合钢桁腹式混凝土组合箱梁的结构特点,基于薄壁箱梁扭转理论,推导出组合箱梁闭口断面的混凝土顶底板和换算钢腹板的扭转翘曲应力表达式,进而推导出组合箱梁约束扭转控制微分方程;利用初参数法求解微分方程,并分析出翘曲双力矩以及扭转翘曲正应力随梁跨的变化规律.通过有限元模拟分析,将有限元值和理论值进行比较,结果吻合良好.研究表明,翘曲双力矩在集中扭矩作用处达到最大值,并且衰减速度很快,使得该处箱梁截面的翘曲应力达到最大值,箱梁的翘曲双力矩在远离集中扭矩作用处几乎为零,翘曲正应力也几乎为零;有限元数值与理论数值的差值百分比在10％以内,说明本文建立的理论计算方法合理可行.     

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。     

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。     

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.      

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

开口厚壁截面短构件的约束扭转1）

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明：开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转（弯曲）中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.     

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。     

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%。     

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。     

中墩斜置对连续箱梁弯扭性能的影响

为了揭示中墩斜支承对连续箱梁力学性能的影响,本文考虑约束扭转和竖向挠曲耦合作用,建立了斜支承连续箱梁的力法方程,并获得了内力和变形的解析式.选取斜支承两跨连续箱梁为数值算例,分别计算了竖向对称和偏心均布荷载作用下的内力和变形,并用ANSYS软件计算了控制截面的弯矩.计算结果表明,本文方法计算的弯矩与ANSYS计算值吻合...