單箱三室薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)分析的能量變分法

首先對(duì)剪力滯效應(yīng)的原理進(jìn)行了綜述,理清了概念,運(yùn)用有限元軟件ansys對(duì)某薄壁箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析,與相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)值解、實(shí)測(cè)值和理論值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的正確性。然后通過(guò)分析受彎箱梁本身受力特點(diǎn),得到各影響因素對(duì)于其剪力滯系數(shù)的影響,并總結(jié)剪力滯系數(shù)沿跨徑縱向分布的規(guī)律。再進(jìn)一步分析了僅軸力、純彎作用下剪力滯系數(shù)的縱向分布和翼緣板剪力流的關(guān)系,然后結(jié)合工程實(shí)踐中的恒載、活載和預(yù)應(yīng)力三者進(jìn)行對(duì)比分析,得出全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有均衡剪力滯系數(shù)縱向分布及降低峰值的優(yōu)點(diǎn)。最后對(duì)箱梁進(jìn)入塑性狀態(tài)后的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究并得出了相應(yīng)結(jié)論,目的在于研究預(yù)應(yīng)力作用下箱梁剪力滯特點(diǎn)及塑性狀態(tài)箱梁剪力滯的變化規(guī)律,為工程實(shí)踐提供一定理論基礎(chǔ)。

薄壁箱梁的廣泛應(yīng)用，使得剪力滯效應(yīng)成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究焦點(diǎn)。本文從剪力滯效應(yīng)的基本概念和產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，針對(duì)因忽視剪力滯效應(yīng)引發(fā)的橋梁破壞，概述了研究的現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)剪力滯效應(yīng)的考慮因素，強(qiáng)調(diào)了研究剪力滯效應(yīng)的重要意義。

以能量變分原理為基礎(chǔ),在曲線箱梁側(cè)向綜合考慮了剪力滯后和剪切變形效應(yīng)的影響,建立了薄壁曲線箱梁的側(cè)向彈性控制微分方程和自然邊界條件,獲得了相應(yīng)廣義位移的閉合解.論文提出了一種曲線箱梁側(cè)向靜力學(xué)特性分析的解析法,揭示了各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系.算例中論文解析解與板殼有限元結(jié)果吻合較好,證明了本文方法的有效性,因而更具理論價(jià)值和工程實(shí)際意義.

混凝箱梁具有抗彎剛度大、穩(wěn)定性高和適應(yīng)現(xiàn)代化施工等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、拱橋和混凝土斜拉橋等橋梁常用的主梁結(jié)構(gòu)形式.文章針對(duì)翼板沿橫向變化的單箱雙室薄壁混凝土連續(xù)箱梁,利用有限元模擬箱梁在不同集中力和均布荷載作用下,箱梁剪力滯的分布規(guī)律.

能量變分法是計(jì)算箱梁剪力滯效應(yīng)常用的一種方法。隨著我國(guó)交通的發(fā)展,大跨徑、寬箱梁橋和曲線箱梁橋越來(lái)越多,大量的工程實(shí)際調(diào)查結(jié)果顯示,用變分法計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際的箱梁的剪力滯效應(yīng)有所出入。針對(duì)這一情況,運(yùn)用能量變分法和有限元法兩種方法對(duì)薄壁箱梁在集中力和均布荷載情況下的剪力滯效應(yīng)加以計(jì)算,并對(duì)比分析二者計(jì)算結(jié)果的差異,從而為薄壁寬箱梁剪力滯效應(yīng)計(jì)算提供一些參考。

為了更精確地分析薄壁箱形截面的剪力滯效應(yīng),提出了用四面體單元分析是一種比較有效的方法,利用有限元軟件對(duì)箱梁建模分析,并經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證了本算法的準(zhǔn)確性,可供相關(guān)人員參考。

箱形截面梁剪力滯效應(yīng)的影響是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽視的因素．剪力滯效應(yīng)的存在，使箱梁截面實(shí)際應(yīng)力與按初等梁理論計(jì)算出的應(yīng)力有很大差異．若忽略此影響會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不安全．對(duì)簡(jiǎn)支箱梁剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究，并分析了剪力滯效應(yīng)的主要影響因素．

主要利用能量變分法推導(dǎo)出帶懸臂的單箱雙室箱梁在考慮剪力滯效應(yīng)影響下的控制微分基本方程,并對(duì)微分方程進(jìn)行求解,并通過(guò)有限元分析軟件midascivil和ansys對(duì)具體工程進(jìn)行有限元分析計(jì)算、對(duì)比驗(yàn)證,得出相應(yīng)點(diǎn)的剪力滯系數(shù),最后對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析。

結(jié)合彎箱梁橋的特點(diǎn),采用空間板殼有限元法分析了在對(duì)稱集中荷載及均布荷載作用下曲率半徑、寬跨比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)連續(xù)寬體曲線箱梁橋剪滯效應(yīng)的影響,與同類研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)剪力滯對(duì)寬體曲線箱梁的影響更為明顯.編制了供設(shè)計(jì)參考的四跨寬體連續(xù)梁橋剪力滯系數(shù)計(jì)算表,為完善現(xiàn)行橋梁規(guī)范中有關(guān)連續(xù)曲線箱梁剪力滯系數(shù)的計(jì)算提供了參考依據(jù).

為研究單箱多室箱梁結(jié)構(gòu)剪力滯效應(yīng)及識(shí)別其影響參數(shù),基于箱梁剪力滯理論分析模型,采用現(xiàn)行規(guī)范查圖法和推薦公式法計(jì)算截面有效寬度的方法,系統(tǒng)分析了b/l(寬跨比)、翼緣懸臂長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)敏感度。結(jié)果表明:變截面單箱多室箱梁剪力滯效應(yīng)主要受箱室寬度、懸臂長(zhǎng)度、梁高及跨徑控制;箱梁剪力滯效應(yīng)以中跨梁段部分至支點(diǎn)截面次序增強(qiáng);同時(shí)分析得到跨徑與懸臂長(zhǎng)度變化時(shí),有效寬度折減系數(shù)的增減規(guī)律。

對(duì)某單箱三室波形鋼腹板箱梁進(jìn)行試驗(yàn)研究,得到各工況下測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)的正應(yīng)力,與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,測(cè)試數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值接近,采用有限元分析結(jié)果研究單箱三室波形鋼腹板箱梁剪力滯效應(yīng)。研究結(jié)果表明:單箱三室波形鋼腹板箱梁邊腹板剪力滯系數(shù)大于中腹板。與邊腹板相連的邊室上翼緣有效寬度計(jì)算系數(shù)小于與中腹板相連的邊室上翼緣有效寬度計(jì)算系數(shù)。與中腹板相連的邊室上翼緣有效寬度計(jì)算系數(shù)大于中室?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外橋梁規(guī)范,均未考慮多室箱梁翼板剪切變形差異造成的有效寬度計(jì)算系數(shù)的變化,無(wú)法準(zhǔn)確給出其有效寬度計(jì)算系數(shù)。

以彈性力學(xué)辛求解體系為基礎(chǔ),對(duì)薄壁閉口截面懸臂箱梁的剪力滯問(wèn)題進(jìn)行研究.將滿跨均布荷載作用下的箱梁翼板部分進(jìn)行簡(jiǎn)化,求解圣維南問(wèn)題的解析解,給出了剪力滯和有效寬度的閉合多項(xiàng)式表達(dá)形式,并與國(guó)際規(guī)范及數(shù)值解加以比較.結(jié)果表明,所得公式表達(dá)簡(jiǎn)單,可以快速計(jì)算懸臂箱梁橋的有效寬度.

在城市化快速發(fā)展中為了滿足交通運(yùn)輸發(fā)展的需要,建造了大量的薄壁箱形截面梁,這些橋梁的寬跨比較大,寬高比突出,剪力滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。忽略剪力滯后效應(yīng)的影響,就會(huì)低估箱梁腹板和翼板交接處的撓度和應(yīng)力,從而導(dǎo)致不安全。以8m寬、30m單跨箱型梁橋?yàn)槔?分析簡(jiǎn)支箱梁跨中截面的"負(fù)剪力滯后現(xiàn)象"及其影響程度。得出在恒載作用下頂板頂面較底板底面"剪力滯后"現(xiàn)象更為突出且剪應(yīng)力在橋梁橫向呈不規(guī)則曲線變化的結(jié)論。

剪力滯效應(yīng)是箱形截面梁普遍存在的一種現(xiàn)象,不僅影響箱梁的應(yīng)力分布還影響其撓度,致使不同橋型在各種荷載作用下其撓度增加?，F(xiàn)詳細(xì)論述剪滯效應(yīng)對(duì)不同橋型撓度的影響,并總結(jié)剪力滯對(duì)箱梁撓度的影響程度。

在分析曲線箱梁剪力滯效應(yīng)時(shí),以箱梁的翹曲扭轉(zhuǎn)理論和能量原理為基礎(chǔ),導(dǎo)出了以考慮彎扭耦合、曲率半徑沿梁寬的變化和荷載橫向分布等因素的影響曲線箱梁?jiǎn)卧撵o力分析方程及動(dòng)力特性分析方程。作為驗(yàn)證,對(duì)一曲線薄壁箱梁模型的靜力及動(dòng)力特性進(jìn)行分析,并將本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與sapv有限元程序解進(jìn)行比較,證明了本文方法的有效性。

采用變分原理對(duì)等截面矩形箱梁在均布荷載作用下的負(fù)剪力滯效應(yīng)變化原因及其影響因素進(jìn)行了總結(jié)。

基于波形鋼板組合箱梁獨(dú)特的受力特點(diǎn),在"擬平截面假定"的基礎(chǔ)上,忽略鋼板的抗彎承載能力。對(duì)e-reissner所采用的二次拋物線形來(lái)描述箱梁翼板縱向位移沿橫向分布進(jìn)行修正,采用二次項(xiàng)與三次項(xiàng)擬合來(lái)假定。利用能量變分法對(duì)波形鋼板組合箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析,得到波形鋼板組合箱梁剪力滯系數(shù)計(jì)算公式,并通過(guò)有限元數(shù)值模擬驗(yàn)證了此公式的正確性。

箱形截面因其獨(dú)特的受力特點(diǎn)在橋梁工程中得到廣泛的應(yīng)用,在進(jìn)行箱梁抗彎設(shè)計(jì)時(shí)剪滯效應(yīng)分析不可避免。目前剪滯效應(yīng)的分析方法很多,以某直腹板單箱室簡(jiǎn)支梁為例,采用不同計(jì)算方法,并對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。

針對(duì)目前箱梁剪力滯理論和分析方法所涉及的對(duì)象僅限于支承形式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)體系確定的箱梁結(jié)構(gòu),基于考慮剪力滯自由度的有限元方法,提出可以同時(shí)考慮施工動(dòng)態(tài)過(guò)程、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換和混凝土收縮徐變的混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)有限元分析方法。該方法將結(jié)構(gòu)及施工過(guò)程劃分為與實(shí)際對(duì)應(yīng)的若干時(shí)間間隔,用動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)有限元仿真程序自動(dòng)完成橋梁施工動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真分析。以某兩端固定箱梁和某兩跨連續(xù)箱梁為例進(jìn)行考慮施工過(guò)程和混凝土收縮徐變的箱梁剪力滯效應(yīng)分析。結(jié)果表明:該方法簡(jiǎn)單、可靠;施工方法和徐變對(duì)混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響明顯,施工方法不同,超靜定箱梁在各施工階段的剪力滯系數(shù)明顯不同,箱梁同一截面在不同施工階段的剪力滯系數(shù)也明顯不同。

采用能量變分法導(dǎo)出的控制微分方程的齊次解作為梁段的有限元位移模式,建立了考慮初曲率的彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪力滯耦合和畸變的半解析有限段模型.由直接剛度法導(dǎo)出了梁段單元的剛度矩陣;由功能原理獲得單元荷載列陣,提出了一種能對(duì)工程中常用的多跨連續(xù)曲線箱梁剪力滯計(jì)算的有限段法.制作了一兩跨連續(xù)曲線箱梁有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?分別進(jìn)行了在集中荷載和均布荷載作用下的剪力滯效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究.其結(jié)果與有限段法計(jì)算結(jié)果以及有限元法的計(jì)算值均符合良好,從而驗(yàn)證了有限段方法的正確性.

采用薄壁曲線箱梁剪力滯基本微分方程的齊次解作為曲箱梁?jiǎn)卧奈灰颇Ｊ?利用剛度法與功能原理,分別導(dǎo)出了曲線箱梁進(jìn)行有限段法分析的單元?jiǎng)偠染仃嚭秃奢d列陣,編制了計(jì)算程序,對(duì)薄壁曲線箱梁的剪滯效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,指出有限段法的精度可以滿足實(shí)際工程的要求。

本文以國(guó)內(nèi)在建的主跨最大的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)箱梁橋———河南桃花峪黃河大橋跨大堤橋?yàn)楸尘?對(duì)該種新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析。重點(diǎn)研究了不同荷載組合工況下典型截面的剪力滯效應(yīng),研究成果可為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁橋的設(shè)計(jì)提供參考。