单箱三室薄壁箱梁剪力滞效应分析的能量变分法

首先对剪力滞效应的原理进行了综述,理清了概念,运用有限元软件ansys对某薄壁箱梁的剪力滞效应进行数值分析,与相关文献数值解、实测值和理论值进行对比,验证了模型的正确性。然后通过分析受弯箱梁本身受力特点,得到各影响因素对于其剪力滞系数的影响,并总结剪力滞系数沿跨径纵向分布的规律。再进一步分析了仅轴力、纯弯作用下剪力滞系数的纵向分布和翼缘板剪力流的关系,然后结合工程实践中的恒载、活载和预应力三者进行对比分析,得出全预应力结构有均衡剪力滞系数纵向分布及降低峰值的优点。最后对箱梁进入塑性状态后的剪力滞效应进行了研究并得出了相应结论,目的在于研究预应力作用下箱梁剪力滞特点及塑性状态箱梁剪力滞的变化规律,为工程实践提供一定理论基础。

薄壁箱梁的广泛应用，使得剪力滞效应成为国内外许多学者的研究焦点。本文从剪力滞效应的基本概念和产生机理出发，针对因忽视剪力滞效应引发的桥梁破坏，概述了研究的现状及结构设计时对剪力滞效应的考虑因素，强调了研究剪力滞效应的重要意义。

以能量变分原理为基础,在曲线箱梁侧向综合考虑了剪力滞后和剪切变形效应的影响,建立了薄壁曲线箱梁的侧向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.论文提出了一种曲线箱梁侧向静力学特性分析的解析法,揭示了各参数之间的内在联系.算例中论文解析解与板壳有限元结果吻合较好,证明了本文方法的有效性,因而更具理论价值和工程实际意义.

混凝箱梁具有抗弯刚度大、稳定性高和适应现代化施工等特点,广泛应用于简支梁桥、连续梁桥、拱桥和混凝土斜拉桥等桥梁常用的主梁结构形式.文章针对翼板沿横向变化的单箱双室薄壁混凝土连续箱梁,利用有限元模拟箱梁在不同集中力和均布荷载作用下,箱梁剪力滞的分布规律.

能量变分法是计算箱梁剪力滞效应常用的一种方法。随着我国交通的发展,大跨径、宽箱梁桥和曲线箱梁桥越来越多,大量的工程实际调查结果显示,用变分法计算出的结果与实际的箱梁的剪力滞效应有所出入。针对这一情况,运用能量变分法和有限元法两种方法对薄壁箱梁在集中力和均布荷载情况下的剪力滞效应加以计算,并对比分析二者计算结果的差异,从而为薄壁宽箱梁剪力滞效应计算提供一些参考。

为了更精确地分析薄壁箱形截面的剪力滞效应,提出了用四面体单元分析是一种比较有效的方法,利用有限元软件对箱梁建模分析,并经实例验证了本算法的准确性,可供相关人员参考。

箱形截面梁剪力滞效应的影响是结构设计中不能忽视的因素．剪力滞效应的存在，使箱梁截面实际应力与按初等梁理论计算出的应力有很大差异．若忽略此影响会造成结构设计的不安全．对简支箱梁剪力滞效应进行研究，并分析了剪力滞效应的主要影响因素．

主要利用能量变分法推导出带悬臂的单箱双室箱梁在考虑剪力滞效应影响下的控制微分基本方程,并对微分方程进行求解,并通过有限元分析软件midascivil和ansys对具体工程进行有限元分析计算、对比验证,得出相应点的剪力滞系数,最后对两者进行对比分析。

结合弯箱梁桥的特点,采用空间板壳有限元法分析了在对称集中荷载及均布荷载作用下曲率半径、宽跨比等结构参数对连续宽体曲线箱梁桥剪滞效应的影响,与同类研究结果对比发现剪力滞对宽体曲线箱梁的影响更为明显.编制了供设计参考的四跨宽体连续梁桥剪力滞系数计算表,为完善现行桥梁规范中有关连续曲线箱梁剪力滞系数的计算提供了参考依据.

为研究单箱多室箱梁结构剪力滞效应及识别其影响参数,基于箱梁剪力滞理论分析模型,采用现行规范查图法和推荐公式法计算截面有效宽度的方法,系统分析了b/l(宽跨比)、翼缘悬臂长度等参数对箱梁剪力滞效应敏感度。结果表明:变截面单箱多室箱梁剪力滞效应主要受箱室宽度、悬臂长度、梁高及跨径控制;箱梁剪力滞效应以中跨梁段部分至支点截面次序增强;同时分析得到跨径与悬臂长度变化时,有效宽度折减系数的增减规律。

对某单箱三室波形钢腹板箱梁进行试验研究,得到各工况下测试截面测点的正应力,与有限元结果进行对比分析,测试数据与试验值接近,采用有限元分析结果研究单箱三室波形钢腹板箱梁剪力滞效应。研究结果表明:单箱三室波形钢腹板箱梁边腹板剪力滞系数大于中腹板。与边腹板相连的边室上翼缘有效宽度计算系数小于与中腹板相连的边室上翼缘有效宽度计算系数。与中腹板相连的边室上翼缘有效宽度计算系数大于中室。现有的国内外桥梁规范,均未考虑多室箱梁翼板剪切变形差异造成的有效宽度计算系数的变化,无法准确给出其有效宽度计算系数。

以弹性力学辛求解体系为基础,对薄壁闭口截面悬臂箱梁的剪力滞问题进行研究.将满跨均布荷载作用下的箱梁翼板部分进行简化,求解圣维南问题的解析解,给出了剪力滞和有效宽度的闭合多项式表达形式,并与国际规范及数值解加以比较.结果表明,所得公式表达简单,可以快速计算悬臂箱梁桥的有效宽度.

在城市化快速发展中为了满足交通运输发展的需要,建造了大量的薄壁箱形截面梁,这些桥梁的宽跨比较大,宽高比突出,剪力滞后现象严重。忽略剪力滞后效应的影响,就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力,从而导致不安全。以8m宽、30m单跨箱型梁桥为例,分析简支箱梁跨中截面的"负剪力滞后现象"及其影响程度。得出在恒载作用下顶板顶面较底板底面"剪力滞后"现象更为突出且剪应力在桥梁横向呈不规则曲线变化的结论。

剪力滞效应是箱形截面梁普遍存在的一种现象,不仅影响箱梁的应力分布还影响其挠度,致使不同桥型在各种荷载作用下其挠度增加。现详细论述剪滞效应对不同桥型挠度的影响,并总结剪力滞对箱梁挠度的影响程度。

在分析曲线箱梁剪力滞效应时,以箱梁的翘曲扭转理论和能量原理为基础,导出了以考虑弯扭耦合、曲率半径沿梁宽的变化和荷载横向分布等因素的影响曲线箱梁单元的静力分析方程及动力特性分析方程。作为验证,对一曲线薄壁箱梁模型的静力及动力特性进行分析,并将本文的数值计算结果与sapv有限元程序解进行比较,证明了本文方法的有效性。

采用变分原理对等截面矩形箱梁在均布荷载作用下的负剪力滞效应变化原因及其影响因素进行了总结。

基于波形钢板组合箱梁独特的受力特点,在"拟平截面假定"的基础上,忽略钢板的抗弯承载能力。对e-reissner所采用的二次抛物线形来描述箱梁翼板纵向位移沿横向分布进行修正,采用二次项与三次项拟合来假定。利用能量变分法对波形钢板组合箱梁的剪力滞效应进行分析,得到波形钢板组合箱梁剪力滞系数计算公式,并通过有限元数值模拟验证了此公式的正确性。

箱形截面因其独特的受力特点在桥梁工程中得到广泛的应用,在进行箱梁抗弯设计时剪滞效应分析不可避免。目前剪滞效应的分析方法很多,以某直腹板单箱室简支梁为例,采用不同计算方法,并对计算结果对比分析。

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。

针对目前箱梁剪力滞理论和分析方法所涉及的对象仅限于支承形式简单、结构体系确定的箱梁结构,基于考虑剪力滞自由度的有限元方法,提出可以同时考虑施工动态过程、结构体系转换和混凝土收缩徐变的混凝土箱梁剪力滞效应有限元分析方法。该方法将结构及施工过程划分为与实际对应的若干时间间隔,用动态的结构有限元仿真程序自动完成桥梁施工动态过程仿真分析。以某两端固定箱梁和某两跨连续箱梁为例进行考虑施工过程和混凝土收缩徐变的箱梁剪力滞效应分析。结果表明:该方法简单、可靠;施工方法和徐变对混凝土箱梁剪力滞效应的影响明显,施工方法不同,超静定箱梁在各施工阶段的剪力滞系数明显不同,箱梁同一截面在不同施工阶段的剪力滞系数也明显不同。

采用能量变分法导出的控制微分方程的齐次解作为梁段的有限元位移模式,建立了考虑初曲率的弯曲、扭转、剪力滞耦合和畸变的半解析有限段模型.由直接刚度法导出了梁段单元的刚度矩阵;由功能原理获得单元荷载列阵,提出了一种能对工程中常用的多跨连续曲线箱梁剪力滞计算的有限段法.制作了一两跨连续曲线箱梁有机玻璃实验模型,分别进行了在集中荷载和均布荷载作用下的剪力滞效应实验研究.其结果与有限段法计算结果以及有限元法的计算值均符合良好,从而验证了有限段方法的正确性.

基于能量泛函变分原理及箱梁翼板的剪力滞翘曲位移函数,导出了曲线箱梁的弹性控制微分方程、边界条件并运用消元法求得其闭合解。基于多跨曲线桥跨界的静力平衡及连续条件,给出了跨间矩阵和节点矩阵,建立了变形和内力的传递矩阵,提出了一种计算曲线箱梁剪力滞的传递矩阵法。算例表明了该方法的有效性。