考虑集中弯矩作用的箱梁剪力滞分析有限梁单元

在变分法薄壁箱梁剪力滞基本微分方程的基础上,提出一个可考虑集中弯矩影响的分析箱梁剪力滞效应的有限梁单元。该单元每节点有两个剪力滞自由度,可适应各种边界条件和加载条件。定义考虑集中弯矩影响后的广义剪力滞位移向量,利用单元的边界条件导出箱梁考虑剪力滞效应的单元系数矩阵,再按结构系统分析时剪力滞广义平衡与变形协调条件导出考虑集中弯矩影响的广义荷载列阵计算公式。对简支梁、悬臂梁和连续梁在不同荷载作用下的剪力滞效应进行分析,并与变分法解析结果作对比,表明本文方法是可靠和有效的,可以分析任意结构型式的箱梁在包括集中弯矩在内的任意荷载作用下的剪力滞效应。     

基于剪切变形规律的剪力滞分析的有限梁段法

选取基于剪切变形规律的翘曲位移函数的有限梁段法分析箱梁的剪力滞效应。该翘曲位移函数的定义是从剪力滞效应是由于翼板剪切变形引起的这一基本机理出发的,原理更加明确并且分析精度高。建立基于最小势能原理的变分法的箱梁剪力滞控制微分方程及边界条件,在此变分法微分方程的基础上,导出相应梁段单元剪力滞系数矩阵和广义荷载列阵,运用有限梁段法来分析剪力滞效应,分析试验模型及铁路简支箱梁分别在均布荷载和跨中集中荷载作用下以及悬臂箱梁箱在均布荷载作用下的剪力滞效应。分析简支梁和悬臂梁分别在均布荷载和跨中集中荷载作用下的剪力滞效应。并与相应的变分法解析结果进行比较,结果吻合良好,从而验证本文方法的正确性。     

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。     

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。     

箱梁剪力滞效应分析的有限梁段法

在薄壁箱梁剪力滞理论变分法基本微分方程的基础上,提出一种与一般梁单元方法相适应的分析箱梁剪力滞效应的有限梁段方法,导出相应的梁段单元计算剪力滞效应的系数矩阵和广义荷载列阵计算公式。分析简支梁和悬臂梁两种不同边界型式的箱梁在均布荷载和集中荷载等不同荷载条件下的剪力滞效应,并与相应的变分法解析结果做对比,验证本文方法的有效性和可靠性。本文方法简洁方便,计算公式表达简单,适宜各种边界条件下实际桥梁结构中箱梁剪力滞效应的分析。     

箱形梁正负剪力滞判别的广义力矩法

在箱形梁挠曲分析基础上,提出一种判别箱形梁正负剪力滞方法,导出用截面几何特性和广义力矩表达的判别式,结合实例判别简支箱梁、悬臂箱梁、外伸箱梁和连续箱梁正负剪力滞。与通过比较弯矩和附加弯矩之间相互关系判别方法相比,所提出方法更适合于复杂型式箱梁正负剪力滞判别。研究结果表明:箱形梁发生正剪力滞还是负剪力滞,主要取决于其横截面尺寸及弯矩与剪力滞力矩之间相对大小;对于在竖向荷载作用下有正、负弯矩分布箱梁,在反弯点附近梁段内判别式参数有"跳跃"现象;在弯矩分布呈折角处,剪力滞力矩分布比较平滑。     

斜交支承连续箱梁剪力滞效应的梁段有限元分析

选取二次抛物线作为剪力滞翘曲位移函数,用能量变分法导出双室箱梁剪力滞控制微分方程。通过分别建立单元两端支点处和梁轴处位移之间的变换关系,考虑弯曲、约束扭转及剪力滞变形之间的耦合关系,提出一种适用于斜交支承连续箱梁剪力滞效应分析的梁段单元。对一斜交支承3跨连续双室箱梁模型的计算值与ANSYS壳单元计算值和实测值均吻合良好,证明该单元是可靠的。详细分析斜交支承角度变化对斜交支承3跨连续箱梁剪力滞效应及内力分布的影响,结果表明:与常规支承箱梁相比,斜交支承箱梁的剪力滞效应更为显著;控制截面的弯矩和剪滞力矩均随着斜交支承角度增大而减小,但双力矩却随斜交支承角度增大而增大;荷载横向作用位置对双力矩的分布有显著影响;剪力滞和约束扭转引起的翘曲应力在总应力中占较大比例,设计中必须认真对待。     

剪力滞对箱梁弯曲刚度影响的分析

在薄壁箱梁剪力滞变分法原理的基础上,提出一种可以考虑剪力滞与梁弯曲刚度耦合影响的箱梁剪力滞效应的有限梁段方法,导出相应的有限单元公式。该方法在梁段单元每节点上采用两个剪力滞自由度,以适应不同的剪力滞位移边界条件。分析简支梁和悬臂梁两种不同边界形式的箱梁在均布荷载和集中荷载等不同荷载条件下的剪力滞系数和考虑剪力滞影响的梁的挠度,并与相应的变分法解析结果作对比,验证本方法的有效性和可靠性。算例结果表明,剪力滞对梁弯曲刚度的影响是明显的,且梁的刚度越大,这种影响的比例就越大。     

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。     

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。     

以附加挠度为广义位移的双室箱梁剪力滞效应研究

从剪力滞翘曲正应力自平衡条件出发,引入修正系数对翘曲位移函数进一步修正,选取剪力滞效应引起的附加挠度为广义位移,将箱梁的剪力滞变形状态从初等梁挠曲变形状态中分离出来作为一种独立的变形状态分析,应用能量变分法建立箱梁截面控制微分方程,结合简支边界条件分别给出集中荷载和均布荷载作用下箱梁附加挠度和初等梁挠度的解析解。数值算例表明,初等梁挠度解和材料力学初等梁挠度解、跨中截面测点本文应力解和文献有限元解均吻合良好,证明将剪力滞纵向翘曲模式与初等梁竖向挠曲模式分离的假设是正确的。挠度研究表明,剪力滞效应对均布和集中荷载跨中挠度分别提高了3.17%和3.73%。     

变截面薄壁箱梁剪力滞计算的 板元梁段法

为了计算分析变截面薄壁箱梁剪力滞效应及其参数的敏感性,提出一种考虑剪力滞效应的三节点板元梁段法。基于箱梁截面内应变-位移-基本变形之间的关系,以形函数作为单元内高度变化的插值函数,利用最小势能原理推导出梁段法对应的等参有限元行列式。使用编写的有限元程序对算例进行计算,梁段单元法计算结果与模型的实测值及有限元数值结果均吻合良好,验证了理论方法与公式推导的正确性和可靠性;在集中和均布荷载2种工况下,分别考察变截面薄壁箱梁剪力滞效应分析中常见影响参数的敏感性,研究结果表明:翼宽比、宽跨比和腹板倾角是影响变截面箱梁剪力滞效应的主要因素。文中方法计算精度好、效率高,对分析变截面箱梁的剪力滞效应具有一定的参考价值。     

钢-超高性能混凝土组合梁剪力滞分析的有限梁段法

在选定的剪力滞翘曲位移函数的基础上,钢-超高性能混凝土(UHPC)组合梁剪力滞控制微分方程以及相应边界条件可基于能量变分法推导得到。将钢-UHPC组合梁离散为若干梁段,通过剪力滞控制微分方程的常数求解,可得到用于求解钢-UHPC梁段单元剪力滞效应的系数矩阵和广义荷载列阵,从而建立梁段单元各结点具有2个剪力滞未知量的有限梁段法。以余弦函数作为钢-UHPC组合梁的翘曲位移函数,运用有限梁段法研究以矮肋式UHPC桥面板作为桥面系的轻型组合梁的剪力滞效应。为了验证有限梁段法求解等截面钢-UHPC组合梁剪力滞效应的正确性,比较不同边界条件下钢-UHPC组合梁在施加均布荷载和集中荷载时的剪力滞系数与由变分法得到的组合梁剪力滞一般解,吻合度较好。应用于钢-UHPC组合梁剪力滞分析的有限梁段法简单实用,计算公式简洁,也可以将其应用于变截面钢-UHPC组合梁的剪力滞效应的求解。     

考虑截面配筋的箱梁剪力滞效应分析

为研究截面配筋后的箱梁剪力滞效应,采用能量变分法,建立箱梁剪力滞效应的分析方程,并推导出简支梁在集中荷载和均布荷载作用下考虑剪力滞效应的附加弯矩和挠度计算公式。结合铁路标准设计箱梁算例,分析了不同配筋率时的箱梁剪力滞效应。结果表明,截面配筋对箱梁剪力滞效应有一定的影响,随截面配筋率增大,截面剪力滞附加弯矩增大,挠度减小,剪力滞效应突出。对算例箱梁,考虑截面配筋后剪力滞附加弯矩增大可达298.37%,挠度减小可达15.98%,剪力滞系数增大可达1.36%。     

考虑截面配筋的变截面悬臂梁剪力滞效应研究

基于选定的三次抛物线剪滞翘曲位移函数,采用能量变分法推导出考虑截面配筋后的剪力滞控制微分方程,研究截面配筋对变截面悬臂箱梁剪力滞效应的影响。结合实际施工案例,利用差分法计算分析了不同荷载作用下,不同配筋率时施工至最大悬臂状态的箱梁剪力滞效应。研究结果表明:截面配筋对变截面悬臂箱梁剪力滞效应有一定影响,随着配筋率的增大,不同类型荷载作用下附加弯矩均增大,但箱梁不同部位的剪力滞系数变化不同。均布荷载作用下,剪力滞系数最大增加5.16%,最大减少24.42%;集中荷载作用下剪力滞系数最大增加2.77%,最大减少1.92%。     

变截面连续箱梁剪力滞分析的有限梁段法

采用基于剪切变形规律的翘曲位移函数的有限梁段法分析变截面连续箱梁的剪力滞效应。此翘曲位移函数的定义是根据剪力滞效应源于翼板剪切变形所致这一机理出发的,原理更加明确。在选定的剪力滞翘曲位移函数基础上,通过变分法建立箱梁剪力滞控制微分方程,然后用有限梁段法来分析变截面连续箱梁的剪力滞效应。变截面连续箱梁的截面几何尺寸沿梁长度方向会发生变化,因此还需结合当量截面法以及叠加原理。分析变截面连续箱梁在不同荷载工况下典型截面及其沿梁纵向的剪力滞效应,并与相应的有限元、有限段法解析结果进行比较,结果吻合良好,从而验证了本文方法的准确性。     

钢-预应力混凝土连续组合箱形梁的整体性能分析

视多室箱梁单元宽度为空腹桁架，取杵架的每根杆作为一平面梁单元，用三次插值函数描述其位移，单元节点位移参数用三次多项式表示为箱梁梁段单元节点位移参数的函数，这样箱梁梁段单元可分为翼板（顶底板），腹板（斜腹板），伸臂和横隔板单元。在进行有限元分析时将其直接迭加至总体刚度矩阵，编制相应的程序后可任意分析单箱多室，多箱多室及不规整的多种材料组成的组合箱梁，同时能分析箱梁的畸变，翘曲，局部变形，剪力滞后和荷载横向分布等。用本文编制的程序进行了一座复杂的钢－预应力混凝土连续组合箱梁桥计算，其计算结果与试验结果吻合良好。     

单箱多室变宽度道岔连续梁桥空间力学性能分析

为了明确不同荷载条件下单箱多室变宽度道岔连续箱梁桥的应力分布及剪力滞效应,首先采用数值方法,利用ANSYS建立考虑预应力以及各种荷载工况加载方式的三维实体单元模型,分析箱梁在不同荷载效应下应力分布和变形趋势;然后,选择箱梁顶底板不同部位16个应变测点,采用多通道数据采集仪分别同步实测满堂支架现浇、预应力张拉及成桥落架等施工阶段时箱梁应力,并与数值分析数据进行对比验证;在此基础上,利用数值模型对该单箱五室预应力混凝土道岔梁在列车活载作用下的横向和纵向剪力滞效应进行分析。研究表明,三维实体数值模型可得到不同荷载工况作用下单箱多室箱梁应力分布的精细结果,数值分析结果和应力实测数据都显示箱梁顶底板应力分布不均匀,有明显的剪力滞效应,且顶板剪力滞效应更显著;数值分析还显示,车辆布载方式影响剪力滞效应,剪力滞效应沿着纵桥向变化,剪力滞系数最大达1.074。研究结果表明,单箱多室箱梁设计中应充分考虑箱梁剪力滞效应影响,以确保桥梁结构设计安全。     

三跨连续变高度薄壁箱梁桥剪力滞效应试验研究

介绍采用电阻应变法测定三跨连续变高度薄壁箱梁有机玻璃电测模型桥在集中荷载与均布荷载作用下应力分布的剪力滞效应 ,试验测定结果验证了用能量变分原理导出的箱梁受横向荷载作用下剪力滞效应的有限段数值解的准确性。