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。     

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。     

梁格法计算双室箱梁剪力滞效应的精度研究

为研究梁格法计算双室箱梁剪力滞效应的精度,采用梁格法建立单箱双室简支箱梁的梁格分析模型,研究了单箱双室箱梁在竖向集中力以及均布荷载作用下的弯曲效应。采用有机玻璃模型进行实测研究,并建立基于板壳有限元的数值计算模型。将梁格解的剪力滞系数与板壳数值解、实验实测的剪力滞系数进行比较,得出的结论主要有:1采用梁格法计算单箱双室箱梁的剪力滞效应时,横截面的剪力滞系数呈台阶状分布,由于台阶数量过少,使得梁格法很难真实反映单箱双室箱梁的剪力滞效应;2集中荷载作用下,梁格法计算的峰值剪力滞系数偏小,跨中顶板截面与实验值最大相差10.5%;3均布荷载作用下,梁格解与板壳数值解的剪力滞系数在跨中顶板截面最大相差20.7%,峰值剪力滞系数的最大差率为-12.9%,且随着宽跨比的减小,梁格解的剪力滞系数逐渐增大。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

车辆荷载作用下钢板组合连续梁桥桥面板应力分析

新型的双主梁钢板组合梁,钢板主梁间距较大,桥面板正应力在横桥向的分布更加不均匀,为了进一步研究钢板组合连续梁桥桥面板在车辆荷载作用下的剪力滞效应,采用有限元软件Midas/FEA进行了建模分析。着重研究了车辆荷载在横向与纵向作用位置变化时,对混凝土桥面板剪力滞效应的影响。结果表明:随着车辆荷载纵向作用位置的变化,不同工况下的剪力滞系数变化规律不尽相同,其中对车辆荷载纵向作用位置最敏感的截面是支点处截面以及正负弯矩变化的交界处;车辆荷载横向作用位置的变化对剪力滞影响较大,作用位置处的剪力滞系数在偏载时达到最大。因此,在设计阶段,应充分考虑车辆荷载作用位置变化对双主梁式钢板组合梁桥剪力滞效应的影响。并且对于这类宽跨比较大的桥型,当采用规范给出的有效宽度划分梁格时,对其应力做出修正。     

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。     

多梁式波形钢腹板工字钢组合梁荷载横向分布系数研究

为探讨多梁式波形钢腹板工字钢组合梁横向分布系数计算方法,同时考虑波形钢腹板抗扭刚度、剪切变形及钢混滑移效应,对传统的偏心压力法、修正偏心压力法及刚接梁法进行修正,并结合有限元模型通过一座典型的4主梁波形钢腹板工字钢组合梁桥对比分析了上述方法的适用性,最后基于参数分析研究了横隔板数量及刚度对其横向荷载分布系数的影响。结果表明,考虑剪切变形及滑移效应的刚接梁法得到的荷载横向分布系数与有限元值符合最好;当桥梁宽跨比小于2时,宜采用刚接梁法计算各主梁荷载横向分布系数,当宽跨比大于2时,宜采用更为简洁的修正偏心压力法进行计算;横隔板的设置可改善各主梁荷载横向均匀分布,但跨间横隔板间距和刚度对其荷载横向分布系数影响较小,实桥设计时可仅在端部及跨中位置布置横隔板,横隔板刚度及其余部位横隔板数量可根据结构稳定性要求进行布置。     

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。     

EFFECTIVE FLANGE WIDTH OF SIMPLY SUPPORTED BOX GIRDER UNDER UNIFORM LOAD

A new method for the determination of effective flange width under uniform load on simply supported box girder bridges considering shear lag effect is proposed in this paper. Based on the Symplectic Elasticity method, the flange slab of the box girder is simplified into a plane stress plate. Using equilibrium conditions of the plates, the Hamilton dual equations for top plate element is established. The analytical formulas of each plate element considering shear lag effect are derived. The closed polynomial effective width expression of flange slab under uniform load on the whole span length has been obtained. Through examples using the finite element method, the results obtained by the proposed method are examined and the accuracy of the proposed method is verified.     

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。