單箱三室薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)分析的能量變分法

首先對剪力滯效應(yīng)的原理進(jìn)行了綜述,理清了概念,運用有限元軟件ansys對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、實測值和理論值進(jìn)行對比,驗證了模型的正確性。然后通過分析受彎箱梁本身受力特點,得到各影響因素對于其剪力滯系數(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)合工程實踐中的恒載、活載和預(yù)應(yīng)力三者進(jìn)行對比分析,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。最后對箱梁進(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及塑性狀態(tài)箱梁剪力滯的變化規(guī)律,為工程實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)成為國內(nèi)外許多學(xué)者的研究焦點。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)計時對剪力滯效應(yīng)的考慮因素，強調(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,因而更具理論價值和工程實際意義.

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,廣泛應(yīng)用于簡支梁橋、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.

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

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,利用有限元軟件對箱梁建模分析,并經(jīng)實例驗證了本算法的準(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)計中不能忽視的因素．剪力滯效應(yīng)的存在，使箱梁截面實際應(yīng)力與按初等梁理論計算出的應(yīng)力有很大差異．若忽略此影響會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計的不安全．對簡支箱梁剪力滯效應(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,并對微分方程進(jìn)行求解,并通過有限元分析軟件midascivil和ansys對具體工程進(jìn)行有限元分析計算、對比驗證,得出相應(yīng)點的剪力滯系數(shù),最后對兩者進(jìn)行對比分析。

結(jié)合彎箱梁橋的特點,采用空間板殼有限元法分析了在對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)果對比發(fā)現(xiàn)剪力滯對寬體曲線箱梁的影響更為明顯.編制了供設(shè)計參考的四跨寬體連續(xù)梁橋剪力滯系數(shù)計算表,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)、翼緣懸臂長度等參數(shù)對箱梁剪力滯效應(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截面次序增強;同時分析得到跨徑與懸臂長度變化時,有效寬度折減系數(shù)的增減規(guī)律。

對某單箱三室波形鋼腹板箱梁進(jìn)行試驗研究,得到各工況下測試截面測點的正應(yīng)力,與有限元結(jié)果進(jìn)行對比分析,測試數(shù)據(jù)與試驗值接近,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算系數(shù)小于與中腹板相連的邊室上翼緣有效寬度計算系數(shù)。與中腹板相連的邊室上翼緣有效寬度計算系數(shù)大于中室?，F(xiàn)有的國內(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算系數(shù)的變化,無法準(zhǔn)確給出其有效寬度計算系數(shù)。

以彈性力學(xué)辛求解體系為基礎(chǔ),對薄壁閉口截面懸臂箱梁的剪力滯問題進(jìn)行研究.將滿跨均布荷載作用下的箱梁翼板部分進(jìn)行簡化,求解圣維南問題的解析解,給出了剪力滯和有效寬度的閉合多項式表達(dá)形式,并與國際規(guī)范及數(shù)值解加以比較.結(jié)果表明,所得公式表達(dá)簡單,可以快速計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單跨箱型梁橋為例,分析簡支箱梁跨中截面的"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)對不同橋型撓度的影響,并總結(jié)剪力滯對箱梁撓度的影響程度。

在分析曲線箱梁剪力滯效應(yīng)時,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單元的靜力分析方程及動力特性分析方程。作為驗證,對一曲線薄壁箱梁模型的靜力及動力特性進(jìn)行分析,并將本文的數(shù)值計算結(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特的受力特點,在"擬平截面假定"的基礎(chǔ)上,忽略鋼板的抗彎承載能力。對e-reissner所采用的二次拋物線形來描述箱梁翼板縱向位移沿橫向分布進(jìn)行修正,采用二次項與三次項擬合來假定。利用能量變分法對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)計算公式,并通過有限元數(shù)值模擬驗證了此公式的正確性。

箱形截面因其獨特的受力特點在橋梁工程中得到廣泛的應(yīng)用,在進(jìn)行箱梁抗彎設(shè)計時剪滯效應(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支梁為例,采用不同計算方法,并對計算結(jié)果對比分析。

針對目前箱梁剪力滯理論和分析方法所涉及的對象僅限于支承形式簡單、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,提出可以同時考慮施工動態(tài)過程、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)及施工過程劃分為與實際對應(yīng)的若干時間間隔,用動態(tài)的結(jié)構(gòu)有限元仿真程序自動完成橋梁施工動態(tài)過程仿真分析。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:該方法簡單、可靠;施工方法和徐變對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,提出了一種能對工程中常用的多跨連續(xù)曲線箱梁剪力滯計算的有限段法.制作了一兩跨連續(xù)曲線箱梁有機(jī)玻璃實驗?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)實驗研究.其結(jié)果與有限段法計算結(jié)果以及有限元法的計算值均符合良好,從而驗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單元的位移模式,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剛度矩陣和荷載列陣,編制了計算程序,對薄壁曲線箱梁的剪滯效應(yīng)進(jìn)行了計算,指出有限段法的精度可以滿足實際工程的要求。

本文以國內(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為背景,對該種新型鋼-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)計提供參考。