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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑剪切变形和转动惯量影响的梁的固有频率计算

从Hamilton原理出发,建立了考虑剪切变形和转动惯量的Timoshenko梁振动微分方程,采用分离变量法求解了不同长细比(跨高比)的简支Timoshenko梁的特征值和特征函数。在此基础上,得到以Euler梁为基础考虑转动惯量的Rayleigh梁,以及在Euler梁基础上只考虑剪切变形的梁的精确解。注意到微分方程关于转动惯量项和剪切变形项的对称性,可以直观地得到简支Timoshenko梁的近似解。通过近似的数学运算和力学分析,证明了这个近似解构成精确解的下限解。针对实际工程中的工字形截面钢梁和矩形截面混凝土梁,给出了数值运算结果供实际工程应用参考。     

变截面箱梁剪力滞及剪切变形效应近似计算方法

变截面箱梁因其抗弯刚度沿梁轴向变化,通常采用有限元法分析,本文基于等效刚度及等效刚度比法,提出了一种可同时考虑剪力滞效应及剪切变形效应的,适用于手算的变截面箱梁荷载作用下挠度及剪滞系数的近似计算方法.通过一变截面悬臂箱梁算例分析,与初等梁理论计算结果进行了比较.结果表明:不考虑剪力滞效应及剪切变形效应将使得挠度计算结果...     

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。     

一种薄壁箱梁自振频率分析的多参数翘曲位移函数法

以能量变分原理为基础,设置3个不同的剪滞纵向位移差函数以准确反映薄壁箱梁不同宽度翼板的剪滞变化幅度,在综合考虑剪力滞后、剪切变形及转动惯量效应的基础上,提出一种能对工程中常用的梯形薄壁箱梁自振特性进行分析的方法。本文利用最小势能原理建立了梯形薄壁箱梁的控制微分方程和自然边界条件,据此推导几种常用边界条件的固有频率方程(简支、悬臂、连续、两端固支)。在算例中,本文将解析解与板壳有限元结果进行比较,证明本文方法的有效性,明确剪力滞后效应对几种不同边界条件梯形箱梁自振特性影响的规律,为箱梁动力特性的进一步研究奠定基础。本文所得公式对目前的剪滞分析理论有所进展,具有一定的理论意义和实用价值,因此更具一般性。     

单箱多室箱梁剪力滞效应参数研究

为研究单箱多室箱梁结构剪力滞效应及识别其影响参数,基于箱梁剪力滞理论分析模型,采用现行规范查图法和推荐公式法计算截面有效宽度的方法,系统分析了B/L(宽跨比)、翼缘悬臂长度等参数对箱梁剪力滞效应敏感度。结果表明:变截面单箱多室箱梁剪力滞效应主要受箱室宽度、悬臂长度、梁高及跨径控制;箱梁剪力滞效应以中跨梁段部分至支点截面次序增强;同时分析得到跨径与悬臂长度变化时,有效宽度折减系数的增减规律。     

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。     

预应力薄壁箱梁受弯剪力滞效应分析

首先对剪力滞效应的原理进行了综述,理清了概念,运用有限元软件ANSYS对某薄壁箱梁的剪力滞效应进行数值分析,与相关文献数值解、实测值和理论值进行对比,验证了模型的正确性。然后通过分析受弯箱梁本身受力特点,得到各影响因素对于其剪力滞系数的影响,并总结剪力滞系数沿跨径纵向分布的规律。再进一步分析了仅轴力、纯弯作用下剪力滞系数的纵向分布和翼缘板剪力流的关系,然后结合工程实践中的恒载、活载和预应力三者进行对比分析,得出全预应力结构有均衡剪力滞系数纵向分布及降低峰值的优点。最后对箱梁进入塑性状态后的剪力滞效应进行了研究并得出了相应结论,目的在于研究预应力作用下箱梁剪力滞特点及塑性状态箱梁剪力滞的变化规律,为工程实践提供一定理论基础。     

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。