单箱双室波形钢腹板PC箱梁剪力滞效应分析

研究目的:由于不同的刚度分布,波形钢腹板预应力混凝土箱梁截面剪力滞效应与普通预应力混凝土箱梁截面存在较大差异,为研究单箱双室波形钢腹板预应力混凝土箱梁的剪力滞效应,借助有限元分析软件ANSYS建立单箱双室波形钢腹板预应力混凝土箱梁空间模型,分析两种典型荷载工况下典型截面的应力分布,得到典型截面的剪力滞系数,并与普通预应力混凝土箱形梁作比较,分析讨论7种几何参数变化条件下箱梁剪力滞系数的变化情况。研究结论:(1)采用波形钢腹板略增大了各断面的最大剪力滞系数;(2)对于顶板而言,中腹板的剪力滞系数大于边腹板,底板反之;(3)剪力滞系数的主要影响参数是宽跨比、承托长度、顶板厚度,横隔板数量对剪力滞系数的影响甚小;(4)该研究成果对波形钢腹板预应力混凝土箱梁设计及计算分析具有参考借鉴价值。     

考虑翼板局部弯曲及剪力滞效应的波形钢腹板组合箱梁挠度分析

在位移场中引入挠度1阶导数考虑翼板局部弯曲，添加剪力滞强度函数和截面转角计入翼板剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形，基于能量变分原理获得波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程，进而推导包括挠度在内的综合考虑翼板局部弯曲、剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的位移变量解析解，并分析翼板局部弯曲和剪力滞效应对不同高跨比、腹板高度占比、宽跨比、板宽比组合箱梁挠度的影响。结果表明：该解析解能较精确地计算组合箱梁的挠度；忽略翼板局部弯曲和剪力滞效应将导致组合箱梁的挠度计算结果误差过大；对于波形钢腹板组合箱形连续梁，不考虑翼板局部弯曲和剪力滞效应，跨中挠度将分别被高估13.0%和低估7.0%；剪力滞效应对翼板与波形钢腹板间的剪力分配几乎无影响，翼板局部弯曲会显著降低波形钢腹板剪力承担比，大大减小梁体挠度；剪力滞对挠度的放大效应随宽跨比的增大而增大，而翼板局部弯曲对挠度的减小作用随着高跨比和宽跨比的增大及波形钢腹板高度占比的减小而显著提高；翼板局部弯曲和剪力滞效应对连续梁挠度的影响比简支梁更大。     

单箱双室变厚翼板CSW简支箱梁剪滞剪切效应

以单箱双室翼板变厚度的波形钢腹板箱梁为研究对象,按照波形钢腹板箱梁的独有结构特点,通过变分法的最小势能原理,建立单箱双室翼板变厚度的波形钢腹板箱梁在考虑剪滞效应和剪切变形双重效应下的控制微分方程并进行推导求解.选用满足轴向剪滞翘曲应力自平衡的二次抛物线定义翼板纵向位移差函数,在满跨均布荷载和集中荷载分别作用下,计算得到单箱双室翼板变厚度的波形钢腹板箱梁的截面应力理论值,并与三维有限元值进行对比分析.研究结果表明:按照本文方法计算得到的结果与有限元分析值吻合良好,验证了本文计算方法的正确性;利用本文按变翼缘厚度计算与按等厚度简化计算的结果相比,最大误差可减少33％,说明按照翼板变厚度进行剪滞效应分析可以得到更为准确的结果.     

支承形式对波形钢腹板预应力混凝土曲线箱梁剪力滞效应的影响

为研究不同支承形式对波形钢腹板预应力混凝土曲线箱梁剪力滞效应的影响,采用ANSYS软件建立单跨波形钢腹板曲线箱梁的有限元模型,在跨中集中荷载和全桥分布荷载作用下,分析不同支座布置形式下的剪力滞效应。研究结果表明:单跨波形钢腹板曲线箱梁在集中荷载下,4种支承的最大剪力滞系数均出现在跨中截面,从大到小依次为静定中心支承、静定偏心支承、超静定中心支承、超静定偏心支承。在分布荷载下,4种支承对应的跨中控制截面的剪力滞系数均在1.161左右,差异较小。     

波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板组合箱梁的有效分布宽度研究

考虑混凝土顶板和钢底板不同的模量,结合变分法推导波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板(简称CSWSB)组合箱梁剪力滞效应的控制微分方程组和边界条件,建立CSWSB简支组合箱梁跨中集中荷载、均布荷载作用下剪力滞系数和有效分布宽度的计算公式,采用模型试验梁对2种荷载工况下单箱单室组合箱梁的剪力滞效应和有效分布宽度进行分析。研究结果表明:简支组合箱梁在集中荷载和均布荷载作用下剪力滞系数表达式正确,集中荷载作用下的剪力滞效应比均布荷载作用下的剪力滞效应明显,上翼缘板的剪力滞效应比下翼缘板的剪力滞效应明显;根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算CSWSB组合箱梁翼板有效分布宽度时,与理论计算局部差值达到了10%,富余量较小;与《钢-混凝土组合桥梁设计规范》计算CSWSB组合箱梁翼板有效分布宽度对比,整体差值率偏大,设计中应给予重视。     

双室箱梁剪力滞效应的试验研究北大核心

为开展单箱双室箱梁剪力滞效应的试验研究,制作了有机玻璃简支箱梁模型。在容许开裂范围内,对该试验箱梁进行集中力作用于跨中截面三腹板上方、两对称边腹板上方和中腹板上方的加载。采用DH3816应变采集仪测得跨中及1/4跨截面各关键点应变值,并用百分表测得箱梁各关键截面挠度值。测量得到的截面应力分布规律验证了箱梁截面剪力滞效应的存在。同时对该有机玻璃简支箱梁,采用空间板壳数值方法计算了3种集中力工况下截面的剪力滞分布规律。结果表明,集中力作用下双室箱梁各翼板间存在明显的剪力滞效应,且荷载的横向作用位置对箱梁截面剪力滞效应影响较大。     

改进型波形钢腹板组合箱梁的动力特性分析

研究目的:为了给考虑剪滞剪切效应波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板(简称改进型波形钢腹板,即CSWSB)组合箱梁动力特性计算提供一种新的计算方法,本文通过考虑剪滞剪切变形效应和顶底板的不同材料属性,推导出CSWSB组合箱梁的控制微分方程组及其解析解,以及该类型组合箱梁的单元刚度矩阵、等效结点荷载列阵、一致质量矩阵,并以杆系结构有限单元法为基础编制求解广义特征值的Matlab程序,且采用等效刚度法对传统波形钢腹板(简称CSW)和CSWSB组合箱梁的动力特性进行对比。研究结论:(1) CSWSB组合箱梁在考虑了剪滞剪切变形效应后的振动频率均有不同程度的减小,且随着振动频率阶数的增加,影响程度也逐渐变大,在四阶时达到了40%;(2)按照刚度等效原则换算得到CSW组合箱梁的自振频率均小于CSWSB组合箱梁的自振频率,振型模态完全吻合,振动趋势一致;(3)对CSWSB组合箱梁进行动力特性分析时应考虑剪力滞和剪切变形效应的影响,且采用换算截面法对CSWSB组合箱梁进行动力分析是可靠的。     

双室箱梁剪力滞效应的试验研究

为开展单箱双室箱梁剪力滞效应的试验研究,制作了有机玻璃简支箱梁模型。在容许开裂范围内,对该试验箱梁进行集中力作用于跨中截面三腹板上方、两对称边腹板上方和中腹板上方的加载。采用DH3816应变采集仪测得跨中及1/4跨截面各关键点应变值,并用百分表测得箱梁各关键截面挠度值。测量得到的截面应力分布规律验证了箱梁截面剪力滞效应的存在。同时对该有机玻璃简支箱梁,采用空间板壳数值方法计算了3种集中力工况下截面的剪力滞分布规律。结果表明,集中力作用下双室箱梁各翼板间存在明显的剪力滞效应,且荷载的横向作用位置对箱梁截面剪力滞效应影响较大。     

比拟杆法分析研究单箱三室箱梁剪力滞效应

基于比拟杆法,推导单箱三室箱梁的比拟杆面积计算公式和剪力滞效应计算的控制微分方程。针对算例,分别采用本文理论、有机玻璃模型试验和有限元法分析简支箱梁和连续箱梁在集中力和均布荷载作用下的剪力滞效应。研究结果表明:本文理论解与有机玻璃模型试验解和板壳有限元解吻合良好。对简支箱梁,中腹板部位的顶和底板正应力均大于边腹板处顶和底板正应力。对连续箱梁,跨中截面中腹板处的顶和底板正应力均大于边腹板处和底顶板正应力。但对满跨均布荷载下的支座截面,底板正应力在边腹板部位大于中腹板部位,应力相差最大约12.91%。在单箱三室箱梁设计中考虑各腹板部位顶和底板正应力的差异,并以此确定有效翼缘分析宽度是非常必要的。     

波形钢腹板PC组合箱梁剪滞剪切效应的动力特性分析

利用能量变分原理,在考虑剪滞剪切变形双重效应影响的基础上,导出波形钢腹板PC组合箱梁的单元刚度矩阵和一致质量矩阵,并利用子空间迭代法编制求解广义特征值的程序BXBOX,使波形钢腹板PC组合箱梁矩阵位移法更加完整,为考虑剪滞剪切效应波形钢腹板组合箱梁的动力特性提供一种新的计算方法。通过建立波形钢腹板简支梁和连续梁的试验和数值模型,验证了本文理论的正确性,且本文理论值更接近试验值。结果表明:剪滞剪切效应使该结构的自振频率明显减小,四阶时减小达到45%,随着自振频率阶数的增加,剪滞剪切效应影响程度逐渐增大,且剪力滞效应对自振频率的影响起主导作用。本文理论对解决波形钢腹板静定结构的动力分析问题具有重要意义。     

变截面波形钢腹板组合箱梁腹板剪应力实用计算方法研究

为了计算变截面波形钢腹板组合箱梁腹板中的剪应力及其承剪比,考虑变截面效应,通过弹性微元段的受力平衡方程,计入弯矩和轴力引起的附加剪应力,导出变截面波形钢腹板组合箱梁的腹板剪应力计算公式;依据节段施工的波形钢腹板组合箱梁桥结构的建造特点,考虑节段内梁底线形为线性变化,将公式中各参数的微分运算转化为简单的代数运算,给出实用求解方法;最后通过算例对所推导公式的计算结果与等截面计算公式和有限元数值结果进行对比。研究结果表明:变截面梁的梁高和底板厚度的变化对剪应力有较大影响,波形钢腹板剪应力计算应当考虑变截面效应影响,波形钢腹板剪应力实用计算方法能方便工程应用。     

等截面波纹腹板钢箱组合连续梁自振特性

综合考虑剪力滞效应、褶皱效应、剪切变形和转动惯量的影响,对组合箱梁上下翼板和悬臂板设立2个不同的剪滞纵向动位移差函数,采用Hamilton原理和能量变分法,建立组合箱梁的弹性控制微分方程和自然边界条件,得到相应广义位移的闭合解,进行等截面波纹腹板钢箱组合连续梁的自振特性研究。结果表明:该闭合解计算结果与有限元计算结果及模型试验值吻合良好,剪力滞效应降低了波纹腹板钢箱组合连续梁的竖向刚度,其影响随宽跨比的增大而趋强;受褶皱效应的影响,组合梁的自振频率降低,随着频率阶数升高,剪力滞和褶皱效应的影响增大;底板厚度的增加对连续组合箱梁1阶频率的影响较大,对其高阶频率的影响趋势减弱;采用换算截面法计算波纹腹板钢箱组合连续梁的自振特性具有可靠性。     

变截面波形钢腹板连续组合箱梁破坏试验研究

研究目的:波形钢腹板组合箱梁在受力特点上因具有显著优势,近年来得以迅速发展并在铁路上已经得到应用。本文依托波形钢腹板连续组合箱梁的模型试验,对波形钢腹板连续组合箱梁全过程试验下的弯剪受力性能和破坏机理进行深入研究,从而明确波形钢腹板连续组合箱梁的破坏机制和失效过程。研究结论:(1)波形钢腹板连续组合箱梁正截面弯曲破坏过程可分为弹性加载阶段、中跨跨中截面开裂阶段、中支座截面开裂阶段和中跨跨中截面钢筋屈服阶段四个阶段;(2)波形钢腹板连续组合箱梁剪力主要由波形钢腹板承担,梁体截面开裂和破坏对梁体的抗剪承载力影响较小;(3)试验梁体外预应力增量与中跨跨中截面挠度基本呈线性相关;(4)本研究成果可为波形钢腹板连续组合箱梁的工程运用提供技术参考。     

单箱多室波形钢腹板组合箱梁动力特性研究

研究目的:为分析单箱多室波形钢腹板组合箱梁的动力性能与混凝土箱梁的差异,本文设计并制作两片跨径为5.2 m的试验梁,利用有限元软件ANSYS建立其三维实体模型,通过模态试验与有限元分析相结合的方法对试验梁进行研究,并就横隔板的设置对单箱多室波形钢腹板组合箱梁与混凝土箱梁扭转振动频率的影响进行分析。研究结论:(1)模态试验的结果与有限元分析结果基本吻合,说明实测结果是正确的,同时也验证了有限元模拟方法是合理的;(2)单箱多室波形钢腹板组合箱梁的基频略大于相应规模的混凝土箱梁,而高阶竖向弯曲振动频率均小于混凝土箱梁;(3)单箱多室波形钢腹板组合箱梁扭转振动频率对梁间设置横隔板的影响与混凝土箱梁相比较敏感;(4)横隔板的位置对单箱多室波形钢腹板组合箱梁扭转振动频率的影响较大;(5)该研究成果对单箱多室波形钢腹板组合箱梁的动力学分析具有一定的参考价值。     

混凝土箱梁开裂的剪力滞效应分析

为研究考虑截面配筋后的混凝土箱梁在开裂状态下的剪力滞效应,基于变分原理建立了考虑截面配筋率的箱梁剪力滞效应分析的控制微分方程,并推导出箱梁开裂前后的微分方程表达式。结合具体箱梁算例,分析了2种不同配筋率的箱梁在不同荷载作用下开裂前后的剪力滞效应。结果表明:集中荷载或均布荷载作用下,初始开裂截面及集中荷载作用截面剪力滞效应均发生突变;配筋率对开裂状态箱梁的剪力滞效应的影响大于其对于未开裂状态箱梁的影响;2种状态下最大影响位置均为初始开裂截面,剪力滞系数变化最大可达10.31%。     

变截面连续箱梁剪力滞效应及其形成机制

为分析变截面连续梁的剪力滞效应,推导了变截面连续梁剪力滞效应的比拟杆控制方程,以某三跨连续梁为例检验了本文算法的正确性,讨论了箱梁梁高变化对连续箱梁剪力滞系数的影响,通过分析箱梁顶板和腹板内剪力流沿跨长的分布规律,探讨了梁高变化对连续箱梁正负剪力滞的影响规律。研究发现:连续梁正弯矩区呈现正剪力滞现象,负弯矩区的剪力滞现象与悬臂梁类似;梁高沿跨径方向的变化减弱了连续箱梁负弯矩区内剪力滞效应,但增大了正弯矩区的正剪力滞效应;工程设计时可以增大连续梁在负弯矩区内梁高的变化梯度,并减小正弯矩区内梁高的变化梯度,以最大程度地减小箱梁剪力滞效应。     

曲线波形钢腹板箱梁竖向弯曲自振特性

为精确计算曲线波形钢腹板简支箱梁的竖向弯曲自振特性,考虑箱梁剪力滞和剪切变形双重效应,在假设箱梁翼板纵向位移函数的基础上,运用能量变分法和哈密顿原理推导了曲线波形钢腹板简支箱梁的弯曲自由振动微分方程,得到其竖向弯曲自振频率的解析解;建立有限元模型,将分析结果与推导的理论公式计算结果加以对比,并分析了跨径比、宽跨比和高跨比对竖向弯曲基频的影响。研究结果表明:本文竖向弯曲自振频率公式的计算结果与有限元分析结果差值在9%以内,且比初等梁理论计算精度高;剪力滞效应和剪切变形均削减了曲线波形钢腹板简支箱梁的刚度,使其竖向弯曲自振频率与初等梁理论的计算结果相比有所降低,同时考虑2种效应可能使竖向弯曲基频降低25%以上。剪力滞效应对竖向弯曲基频的影响随着跨径比和宽跨比的增大而增大,而高跨比变化时影响略有减小;剪切变形对竖向弯曲基频的影响随着宽跨比和高跨比的增大而增大,而跨径比变化时影响保持不变。对于不同参数取值的曲线波形钢腹板简支箱梁,竖向弯曲基频的剪切变形影响系数变化范围为5%～25%,而剪力滞效应的影响系数一般小于10%。在分析曲线波形钢腹板箱梁动力性能时应考虑剪切变形;当跨径比小于0.4,宽跨比小于0.1时,可忽略剪力滞效应的影响。     

不考虑滑移时波形钢腹板箱梁受力性能研究

研究目的:相较于混凝土腹板箱梁和直钢腹板-混凝土组合箱梁,波形钢腹板-混凝土组合箱有许多优点,是桥梁结构发展的重要方向之一。本文意在提出波形钢腹板抗弯等效厚度的概念,从理论上对波形钢腹板的受力特性进行研究,并得到相应计算公式。研究结论:(1)推导出波形钢腹板对箱梁抗弯承载能力贡献比例的理论计算公式,得出波形钢腹板所承担剪力占截面总剪力比例的计算公式;(2)计算出波形钢腹板所提供的抗弯承载能力与全截面总承载能力的比值,该比值接近于0,从理论上证明:在计算波形钢腹板箱梁的抗弯承载能力时,可以忽略波形钢腹板的贡献;(3)波形钢腹板中的最小剪应力与最大剪应力之比接近于1,从理论上证明波形钢腹板上剪应力沿钢腹板竖向基本相等;(4)在小跨度试验梁及大跨度实桥算例中,波形钢腹板所承担的剪力占总剪力的比例均不到85%,证明混凝土顶、底板所承担的剪力不容忽视,且梁高越低,钢腹板所承担的剪力比例越小;(5)本文可以为波形钢腹板箱梁桥的建设提供一定的理论依据,对波形钢腹板桥梁的研究有一定的参考意义。     

波形钢腹板曲线结合梁弯扭效应的解析解推导及参数分析

为了研究波形钢腹板曲线结合梁的弯扭效应,基于波形钢腹板的特点,综合考虑曲率影响、截面剪力滞效应、波形腹板剪切效应、扭转和畸变效应,采用能量变分法推导了波形钢腹板简支曲线结合梁在弯扭作用下的控制微分方程,采用伽辽金法求解得到了其弯扭效应的解析解,并对曲线半径和圆心角进行了参数分析。随曲线半径的增大,波形钢腹板简支曲线结合梁的跨中挠度、扭转角、畸变角和剪力滞附加弯矩均增大,但扭弯应力比减小;随圆心角的增大,跨中挠度、扭转角和畸变角均增大,剪力滞附加弯矩基本不变,扭弯应力比则线性增加。说明曲线半径的减小和圆心角的增大,可使波形钢腹板简支曲线结合梁的扭转效应增强,弯曲特性减弱,圆心角和曲线半径是表征其弯扭效应的两个重要指标。     

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。