变高度连续曲线箱梁的剪力滞效应

应用能量变分原理,推导弯曲、扭转、剪力滞耦合的曲线箱梁弹性控制微分方程及其边界条件,得到微分方程的闭合解。利用所得的弹性控制微分方程的齐次解作为位移模式,应用刚度法和功能原理推导单元刚度矩阵及荷载列阵,建立一种考虑弯曲、扭转、剪力滞的曲线箱梁有限段模型。编制计算程序,对变高度连续曲线箱梁进行计算,探讨在不同荷载下的宽跨比和梁高比两个参数对剪力滞的影响,得到变高度连续曲线箱梁剪力滞效应的一些规律。进行剪力滞模型试验研究,并对模型桥进行有限段法和有限元法的数值计算,计算值与试验结果吻合较好,验证本文方法的正确性。本文所得公式是对连续曲线箱梁剪力滞效应理论的补充,分析所得结果为连续曲线箱梁的工程设计提供参考。     

薄壁曲线箱梁空间振动分析方法

通过在结点中引入高阶位移插值函数构造形函数矩阵,基于虚功原理和动力有限元理论,推导每个结点11自由度的薄壁曲线箱梁空间单元刚度矩阵和质量矩阵。在推导刚度矩阵时综合考虑薄壁曲线箱梁的拉压、弯曲、扭转、翘曲、畸变和剪力滞效应;在推导质量矩阵时,考虑扭心、畸心与质心不重合的影响。通过MATLAB编制相应的计算程序,求解薄壁曲线箱梁的前5阶自振频率和相应的振型,经与ANSYS板壳单元数值结果比较,吻合良好。本文沿梁长方向划分为数个单元便取得满意效果,所提出的方法可为桥梁结构抗震、抗风和车致振动计算提供依据。     

基于板壳有限元理论的薄壁箱梁剪力滞效应

为了分析计算薄壁箱梁剪力滞效应,直接从壳体结构特点出发,由8节点曲边四边形膜单元和基于Reinssner中厚板理论的弯曲单元推导考虑剪切闭锁效应的薄壁箱梁空间壳单元刚度矩阵及相应的刚度方程,并在MATLAB上编制相应的计算程序。通过数值算例,将理论计算值与ANSYS有限元结果,模型试验的实测值进行比较,三者吻合良好,验证了理论公式推导的正确性与可靠性。本文采用8节点的等参单元和二次型位移场形函数,不仅适用于计算直线箱梁,也适用于曲线箱梁,因而更具有普遍性。最后,从平衡微分方程的角度解释剪力滞产生的真正原因,不仅仅是由于剪应力沿横向分布不均匀,其本质更在于剪应力沿横向不均匀变化。     

薄壁箱梁挠曲性能的矩阵分析

在选取薄壁箱梁剪力滞控制微分方程的齐次解作为单元位移函数建立形函数矩阵基础上,运用虚功原理推导竖向集中荷载作用下单元等效节点力公式,提出双室箱梁的合理剪滞翘曲位移函数。通过对变截面悬臂箱梁有机玻璃模型进行计算,验证提出的梁段单元对分析变截面箱梁的有效性。结合实际箱梁算例,分析预应力混凝土变截面连续箱梁的挠曲性能。研究结果表明:所提出的梁段单元用于变截面箱梁分析时,具有较高的计算精度;在竖向集中荷载作用下,箱梁剪滞力矩图是一条平滑曲线,任意截面处剪滞力矩均不大于弯矩;剪滞效应使连续箱梁的跨中挠度明显增大,工程实践中必须认真对待。     

薄壁箱梁剪力滞计算的梁段有限元法

采用考虑剪切变形及不同的纵向位移剪力滞差值函数的翘曲位移函数,来研究薄壁箱梁不同宽度翼板的剪滞变化幅度。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位移模式,由直接刚度法导出考虑了剪切变形的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变截面箱梁剪力滞计算的有限段法。有限段法计算结果与有机玻璃模型试验结果以及有限元法的计算值均符合良好。     

薄壁箱梁剪力滞效应的有限梁段分析

采用基于翼板剪切变形规律而定义的翘曲位移函数,通过有限梁段法来研究薄壁箱梁的剪力滞效应。取薄壁箱梁剪滞基本微分方程的齐次解作为梁段单元的有限元位移模式,在能量变分法的基础上,导出相应梁段单元的刚度矩阵和荷载矩阵。通过分析简支梁和悬臂梁2种不同边界形式的箱梁,计算其在均布荷载和集中荷载作用下的挠度和纵向应力,并与相应的变分法的计算结果对比,结果吻合良好,验证了本文方法的准确性和可靠性。计算结果表明,剪力滞效应对薄壁箱梁纵向应力的影响是显著的。     

钢-砼组合箱梁考虑滑移时剪力滞效应分析

在假定的位移模式及相应的假定条件下,根据组合箱梁的应变表达式,采用虚功原理推导出平衡和变形协调方程。通过分部积分得到组合箱梁考虑相对滑移和剪力滞效应的微分方程以及相应的边界条件,利用差分法来求解带有边界条件的微分方程组。以带有悬臂翼板的钢 砼组合箱梁为例分析其考虑滑移时的剪力滞效应,通过算例可以看出砼板的应力随剪力连接件的刚度增大而增加,钢箱梁的应力和组合箱梁的挠度随剪力连接件的刚度增大而减小。     

新型波形钢腹板组合箱梁畸变效应

为研究新型波形钢腹板（CSW）组合箱梁的畸变效应,以板梁框架法和位移法为基础,建立单箱多室新型CSW组合箱梁的畸变控制微分方程和边界条件,得到畸变正应力解析解,并采用有限元法检验推导结果的正确性。应用推导结果对比分析新型CSW组合箱梁与传统CSW组合箱梁的畸变性能,以及截面高度、箱室宽度和钢底板厚度对新型CSW组合箱梁畸变效应的影响。结果表明：解析解计算得到的畸变正应力与有限元模型计算的结果吻合较好,畸变角的变化规律与有限元模型计算结果一致;与传统CSW组合箱梁相比,新型CSW组合箱梁的畸变翘曲刚度减小了38.89%,畸变框架刚度减小了71.84%,抗畸变能力减弱;随着截面高度和箱室宽度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角和跨中畸变双力矩均逐渐增大,且箱室宽度的影响更为明显;随着钢底板厚度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角逐渐减小,跨中畸变双力矩逐渐增大。     

曲箱梁考虑剪力滞效应的弯扭耦合分析

本文以薄壁曲梁理论为基础，建立了薄壁曲线箱形梁考虑剪力滞效应的控制微分方程，提出了用样条有限点法（SFPM）分析薄壁曲线箱形梁剪力滞问题，考虑曲线箱梁的弯曲，扭转，翘曲和剪力滞效应等，以位移v,w和θ作为基本未知量，采用三次B样条函数作为位称插值函数，从最小势能原理出发，建立了样条离散化的刚度方程，推出了精确的刚度矩阵显式，并编制了相应的计算程序。样条有限点法将三维箱梁弯曲问题简化为一维问题，由于样条函数具有很好的光滑性，因而此方法能以极少的未知量得到较高的精度，文中给出了典型的计算实例，还分析了曲率半径及荷载形式对剪力滞效应的影响。     

有限梁段法在箱梁施工阶段剪力滞分析中的应用

选取基于翼板剪切变形规律的翘曲位移函数有限梁段法来分析箱梁在施工过程中的剪力滞效应。通过剪力滞控制微分方程和边界条件推导了相应梁段单元剪力滞系数矩阵和广义荷载列阵。以广州至珠海新建铁路预应力混凝土连续箱梁为例,分析箱梁桥悬臂施工的3个阶段在不同荷载工况作用下剪力滞系数沿梁长的分布情况,以及在体系转换后成桥运营阶段,箱梁在均布荷载和中跨跨中集中荷载作用下的剪力滞效应,并与变分法分析结果进行对比。结果表明,采用本文方法计算得到的箱梁剪力滞系数与采用变分法所得结果吻合良好,验证了该方法用于箱梁施工过程中剪力滞分析的适用性。     

弯扭耦合下曲线混凝土箱梁截面应力状态的受力机理分析

曲线箱形梁兼具弯梁桥与箱形梁两者的特点,由于曲率的影响,竖向荷载作用下曲线箱梁弯矩与扭矩互相耦合同时存在。根据国内外既有研究成果,对曲线箱形梁空间受力特点及影响因素进行了总结。以60m单跨单箱形截面曲线混凝土简支梁为例,利用有限元软件TDV建立空间板单元模型,分析自重作用下,不同曲线半径下主梁截面正应力及剪应力分布,根据弯曲变形与应变的关系,比较曲线梁桥与直线梁桥正应力横向分布规律,提出用应力增大系数来表征曲线内外侧弧长不同引起的应力变化。研究结果表明,除了受剪力滞后效应影响,曲线箱梁桥截面正应力分布还与内外侧弧长不等引起的应力增大系数有关。     

薄壁箱梁剪滞剪切效应自振特性分析

在推导考虑剪力滞、剪切变形双重效应的单元刚度矩阵与等效结点荷载矩阵的基础上[1],进一步推导出考虑双重效应的单元质量矩阵,从而形成完整的薄壁箱梁考虑双重效应的矩阵分析体系,可方便地纳入矩阵位移法程序系统,为常见的薄壁连续梁等复杂结构的剪力滞效应分析提供一种计算手段。利用自编程序ZLBOX对薄壁箱型简支梁和悬臂梁考虑剪力滞、剪切变形双重效应时的自振特性进行了分析,所得结果与ANSYS实体单元计算结果符合良好。计算结果表明,剪力滞、剪切变形双重效应使薄壁箱梁的自振频率降低,剪力滞效应占双重效应的85%以上,双重效应对高阶频率的影响比低阶频率的影响大。     

基于剪切变形规律的箱梁剪力滞效应研究

本文从薄壁箱梁的剪力滞效应是由于翼板剪切变形所致这一本质出发,通过分析箱梁在竖向弯曲时翼板的剪力流分布规律,提出利用翼板剪切变形规律来定义其剪滞翘曲函数的方法。针对常见的单室箱梁,定义出截面仅有一个未知翼板剪切变形最大差,各翼板符合剪切变形规律的翘曲位移函数。建立基于变分法的箱梁剪力滞控制微分方程。通过对典型结构的剪力滞效应分析,表明本文分析结果与模型试验值、基于板壳元的数值解以及截面具有3个未知剪切变形最大差的变分解吻合良好。证明本文提出的基于翼板剪切变形规律的剪力滞翘曲位移函数不仅原理明确,而且具有未知变量少,分析精度高的特点。本文剪力滞翘曲位移函数的定义方法适用于各种薄壁截面,可为复杂截面剪力滞翘曲位移函数的定义提供参考。     

斜拉桥波形钢腹板箱梁的力学特性研究

研究了斜拉桥中波形钢腹板箱梁在成桥状态下的力学特性。以新密市溱水路波形钢腹板箱梁斜拉桥为工程实例,通过有限元计算与分析得到主梁的竖向位移、波形钢腹板的剪应力、混凝土板的正应力和竖向挠度、主梁的纵向正应变、混凝土板的应力传递等各项力学规律。结果表明,波形钢腹板的竖向剪应力沿梁高方向近似均匀分布;波形钢腹板的竖向变形在整个主梁的竖向变形中起主要作用;波形钢腹板的纵向正应变小于混凝土板;按波形钢腹板承担全部剪力的传统理论进行结构设计偏于保守。     

铁路小半径曲线连续梁桥设计研究

武汉到咸宁的城际铁路中采用了大量的小曲线半径连续梁桥,最小半径达320 m,为目前我国曲线半径最小的铁路连续梁桥。本文采用ASCB和BSAS建立平面模型以及采用Midas2006建立空间有限元模型,对跨径组合为(24.65+24.65)m预应力混凝土连续箱梁分别进行施工阶段及运营阶段分析,计算恒载、活载、预应力、收缩徐变、体系温度、局部温差、支座不均匀沉降等荷载,得出支反力及内力、应力、强度、变形等,并进行了分析比较。由于"弯-扭"耦合作用、剪力滞效应及畸变挠曲效应、预应力损失等,使得曲线梁腹板内侧和外侧受力不同、支座的内侧和外侧受力也不同,因此不能单一采用以直代曲或者平面代替空间的计算结果,尤其是当曲线半径较小的情况下,尽量采用多种计算手段相互校核。并且通过采用箱形截面设计、加横隔板、降低曲线上车辆通过速度等可降低曲线效应对梁的影响。     

箱形梁剪滞效应分析中的广义力矩研究

基于能量变分原理,定义箱形梁剪滞效应分析中与剪滞广义位移相应的广义力,并称之为剪滞力矩,给出其计算公式。从轴向力平衡的力学条件出发,选取剪滞翘曲位移模式,并考虑悬臂板宽度及上下翼板至形心轴距离的影响,使箱形梁剪滞翘曲应力得到更合理反映。根据选取的剪滞翘曲位移函数,导出了剪滞翘曲惯性矩、剪滞翘曲惯性积、剪滞翘曲面积等剪滞几何特性计算公式。最后,对集中荷载和均布荷载作用下,悬臂箱梁的剪滞力矩及附加弯矩的变化规律进行较全面研究,结果表明,剪滞力矩与弯矩具有基本相同的分布规律,但当集中荷载作用于跨内时,在集中荷载作用点至悬臂端梁段内仍有剪滞力矩产生;集中荷载作用下,具有较大跨宽比的悬臂箱梁的附加弯矩分布具有明显的局部性质。     

薄壁直线箱梁仿真分析的板段元方法

针对现有计算方法无法准确反应箱梁断面框架受力特征的缺陷,提出一种新的板段单元分析法。该方法基于Kirchhoff直线法假设,在已有箱梁腹板、翼板刚度方程基础上,准确考虑横隔板对结构整体受力的影响,相对粗略考虑横隔板自身的应力变化规律,提出新的横隔板元位移模式,从而建立完整的箱梁板元分析列式。算例分析表明:该方法可正确模拟箱梁纵向正应力受横隔板的影响规律,即较好地反映横隔板对箱梁翼、腹板的弹性支承效应;与通用有限元精细模型相比,在相同的计算精度要求下,板段元法所需的自由度少得多,极大地降低了仿真分析的计算量。板段元法适用于其他断面形状的箱梁结构或肋板式结构,也可用于斜交箱形直梁的分析,具有较好的适用性。