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。     

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。     

曲线箱梁静动力特性的有限段元分析

以能量原理为基础，考虑剪力滞后效应和翘曲扭转（包括二次翘曲剪切）的影响及转动惯量对质量矩阵的贡献，提出了一种用于分析单室或多室曲线薄壁箱梁桥静力及动力学特性的曲梁单元法，推导了单元刚度矩阵，质量矩阵和节点荷载列阵，作为验证，在算例中对一曲线薄壁箱梁模型的静力及动力特性（包括正应力，竖向位移，自由振动特性，结构对移动荷载及地震荷载的响应）进行了分析。并将本文数值结果与试验结果和板壳有限元方法所得结果进行比较，证明了本文方法是有效的。     

多跨连续曲线梁桥静力分析的有限段法

利用能量变分原理,推导出平面曲线籀梁的基本微分方程、边界条件;采用微分方程的齐次解作为位移模式,推导出平面曲线箱梁有限段法分析的单元刚度矩阵、荷栽矩阵;编制了计算分析程序,计算结果与其他方法分析值吻合较好：探讨了抗弯刚度与抗扭刚度之比对连续曲线箱梁位移、内力的影响,为连续曲线箱梁的设计计算与施工提供了参考。     

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。     

曲线薄壁箱梁的空间受力分析

以曲线薄壁箱梁的翘曲扭转理论和微分几何为基础，导出了曲线箱梁的应变一位移关系．基于能量原理，通过引入单元变形模式，建立了相应的有限元列式，给出了曲线箱梁单元刚度矩阵及等效节点荷载列阵．数值算例结果表明，该理论正确，方法简单、易行．     

曲线薄壁箱梁的空间受力分析

以曲线薄壁箱梁的翘曲扭转理论和微分几何为基础，导出了曲线箱梁的应变一位移关系．基于能量原理，通过引入单元变形模式，建立了相应的有限元列式，给出了曲线箱梁单元刚度矩阵及等效节点荷载列阵．数值算例结果表明，该理论正确，方法简单、易行．     

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。     

人字形桥梁中薄壁直箱梁结构性能的矩阵分析

人字形桥梁由于采用了薄壁箱梁结构,其约束扭转、畸变效应及剪力滞比较突出。另外,人字形桥梁分叉结构的相互联系和制约作用,又使得约束扭转效应更加显著。同时随着宽翼缘箱梁结构使用的增加,人字形桥梁结构中薄壁直线箱梁仅以初等梁理论每个节点只有6个自由度的计算方法难以较好把握结构的受力行为。因此,本文基于初等梁理论及梁格理论分析方法的基础上,通过增加自由度的分析方法,在考虑初等梁受力特性的基础上同时考虑约束扭转、畸变角、畸变翘曲及剪力滞效应等薄壁箱梁结构的受力特点,并建立每节点10个自由度的人字形薄壁箱梁空间有限元分析单元,推导出单元的刚度矩阵及编制出相应的有限元分析程序,以解决宽翼缘薄壁箱梁的结构性能分析问题。通过算例分析表明,验证了本文方法的可靠性,便于实际应用,具有较高的工程使用价值。     

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。     

不同荷载形式下箱梁剪力滞效应分析的有限梁段法

采用基于剪切变形规律的翘曲位移函数,在能量变分法箱梁剪力滞微分方程的基础上,提出一个考虑集中弯矩作用的每个结点有2个剪力滞自由度梁段单元。当箱梁桥承受集中弯矩作用时,重新定义梁段单元的广义剪力滞位移,通过边界条件及剪力滞广义平衡和变形协调条件推导出新的剪力滞系数矩阵和广义荷载列阵。借助相关试验模型及工程实例,分析不同箱梁桥形式在竖向荷载及集中弯矩作用下沿梁纵向的剪力滞效应,并与相应的变分法解析结果进行对比,验证了本文方法的正确性。     

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。     

开口截面主梁斜拉桥的动力分析

考虑开口形式叠合梁主梁的截面翘曲变形影响 ,推导薄壁梁单元的刚度和质量矩阵 ,建立开口叠合梁主梁斜拉桥的空间动力分析模型。该模型可以有效地模拟桥面系的刚度和质量系统 ,且可以大大减少结构自由度和计算工作量。采用提出的薄壁主梁模型计算一座斜拉桥的动力特性 ,计算结果与实桥测试良好吻合 ,表明本文方法和模型的正确性     

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。     

铁路混凝土简支曲线直梁空间弯扭计算方法

本文在薄壁杆件弯扭理论的基础上，提出了用弹性支承连续边续法进行铁路曲线上混凝土简支直梁的空间结构分析方法，即将隔板视为弹性支承，梁当作弹性支承上的连续梁，推导出了空间直梁的单元刚度矩阵。计算梁的内力和隔板内力。文中通过一个计算实例，与现行计算方法进行了比较、分析。     

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。     

薄壁箱梁剪力滞分析的多参数翘曲位移函数及其有限元法

在分析箱梁剪力滞效应时,用多个不同的纵向位移剪力滞差值函数自动计入翼板宽度及其至截面形心距离的影响,并且考虑轴力平衡条件,构造薄壁箱梁(可蜕变为开口截面梁)的翘曲位移函数,导出了控制微分方程、边界条件及相应的一维有限元列式.数值计算比较和模型实验验证表明,本文方法是简单而有效的.     

薄壁箱梁剪力滞分析的参数翘曲位移函数及其有限元法

在分析箱梁剪力滞效应时，用多个不同的纵向位移剪力滞差值函数自动计入翼板宽度及其至截面形心距离的影响，并且考虑轴力平衡条件，构造薄壁箱梁（可蜕变为开口截面梁）的翘曲位移函数，导出了控制微分方程、边界条件及相应的一维有限元列式。数值计算比较和模型实验验证表明，本文方法是简单而有效的。