高速铁路先张预应力混凝土简支箱梁力学效应分析

结合我国高速铁路的需要,通过有限元分析,以24 m跨度先、后张梁为分析对象,对先张混凝土箱梁进行应力、刚度、剪力滞后、畸变、翘曲、支座脱空效应、局部效应等力学性能的分析,并与后张梁进行对比.论证了先张箱型梁在高速铁路中应用的可行性,分析了其剪力滞效应、有效计算宽度横向应力、畸变、翘曲及传递长度影响等力学效应规律,供箱梁设计时参考.     

高速铁路先、后张预应力混凝土简支箱梁力学效应对比分析

通过有限元分析技术,以24m跨度先、后张梁为分析对象,使用SAP93静、动力通用分析软件建立8节点块体元力学模型,对先张混凝土箱梁进行应力、刚度、剪力滞后、畸变、翘曲、支座脱空效应、局部效应等力学性能分析,并重点与后张梁的力学性能进行对比。结果表明:先张梁与后张梁尽管施工工艺不同,只要预应力度基本相同,两者内力、变形特性基本相近。     

时速250km/h铁路双线箱梁的畸变效应研究

为了分析时速250km/h铁路32m跨度双线标准箱梁的畸变效应,基于板壳有限元建立了畸变效应分析的数值模型。采用板壳有限元方法和传统解析方法,对比计算仅单线活载作用下的畸变应力分布规律。通过定义翘曲比例系数,研究高跨比、宽跨比和壁厚等设计参数对畸变应力的影响规律。研究结果表明:与传统解析解比较,板壳有限元法更适合于箱梁畸变效应的分析。单线活载偏心作用下,跨中截面箱梁顶板靠近翼缘板边缘部位的翘曲比例系数可达11.6%;腹板与底板相交处翘曲比例系数最大,可达13.9%。跨中和l/4截面的翘曲比例系数ξ分析表明,现有箱梁设计参数合理,跨中最大翘曲比例系数小于15%,而l/4截面基本为0。箱梁高跨比、宽高比、壁厚等设计参数对畸变效应均有一定影响,总体规律是畸变效应随高跨比、宽高比和壁厚的增大而减小。     

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%。     

带悬臂板薄壁箱梁的扭转和畸变分析

为研究悬臂板对薄壁箱梁扭转和畸变效应的影响,本文基于广义坐标法建立位移模式和几何方程,采用混合变分原理,建立开闭口混合截面薄壁杆件扭转和畸变的分析理论,该理论能充分考虑剪切变形的影响。分析带悬臂板箱梁剪力流的分布和组成,对比统一剪力流的2种计算方法,研究悬臂板的内力状态及影响。结果表明:悬臂板对扭转和畸变效应的贡献主要体现在其扇形惯性矩所占的比例;悬臂板使闭口箱的翘曲正应力产生明显重分布;悬臂板使剪切变形影响增大,且这种影响随悬臂翼缘板的增长而增大;对于常规薄壁箱梁桥,悬臂板的贡献不可忽略。     

横隔板及几何特征对钢箱梁畸变效应的影响

研究目的:由于钢箱梁的顶、底板及腹板均较薄,在偏心荷载作用下,截面变形易引起畸变应力而导致局部屈曲和腹板压皱等现象。工程应用上,在梁内设置一定数量的横隔板来约束钢箱梁的畸变变形,以求减少钢箱梁畸变效应。此前已有少量文献就横隔板对钢箱梁的畸变效应进行过研究,但未对钢箱梁在不同的隔板数量、高跨比、宽高比下进行综合分析,使其成果具有一定的局限性。因此,本文在此基础上通过有限元软件就简支钢箱梁的畸变效应进一步分析,并提出了横隔板的数量及箱梁的几何特征参数对钢箱梁畸变效应的影响。研究结论:(1)当箱梁为窄箱梁,即宽高比约等于1.5时,箱梁跨中畸变翘曲最大正应力随横隔板数量增多而增大,此时跨内横隔板设3~5道为宜;(2)当箱梁为宽箱梁,即宽高比约等于4.5时,箱梁跨中畸变翘曲最大正应力随横隔板数量增多而减小,此时跨内横隔板的设置9道为宜;(3)计算结果对同类桥梁的设计具有参考价值。     

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。     

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。     

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。     

竖向偏心荷载作用下悬臂箱梁畸变效应研究

在改进的箱梁畸变效应解析理论基础上,用能量变分法建立畸变控制微分方程,根据边界条件推导出两端设置横隔板的悬臂箱梁在竖向偏心均布荷载作用下的畸变效应计算式.通过有限元软件ANSYS对所推导公式的正确性进行验证.结合数值算例详细分析参数变化对悬臂箱梁畸变效应的影响.研究结果表明:高宽比对悬臂箱梁畸变翘曲正应力的影响程度大于...     

箱梁剪力滞计算的翘曲函数法

本文用翘曲函数法分析单室箱梁剪力滞效应时，考虑到翼板宽度和其至截面形心轴距离的影响并计及轴力平衡条件，对一般有任意宽度外伸板的对称性单室梯形箱梁(可蜕变为开口截面梁)提出了翘曲位移函数，讨论了其面似性，并用最小势能原理推导出控制微分方程及其解，作者认为，同时考虑剪力滞效应和梁的剪切效应，将能改善挠度计算精度，文中还建立了有限条的解析算法，以比较翼板的纵向位移沿横向分布的各种假定算法之精度。通过数值计算比较和模型实验验证可以看出，本文所提出的翘曲函数法具有一定的通用性和令人满意的精度。最后给出了悬臂、简支、连续梁在均布等荷载作用下的正应力和剪力滞系数公式，以便工程上运用。     

大跨度连续钢箱梁横隔板的合理布置

根据偏心荷载作用下钢箱梁的受力特点,从分析畸变翘曲应力的角度出发研究钢箱梁横隔板的合理布置.提出采用弹性支承连续梁比拟法分析大跨度变截面钢箱梁的畸变翘曲应力.根据单室矩形箱梁畸变控制微分方程与弹性地基梁弯曲控制微分方程的相似性,将单室矩形箱梁的畸变比拟成弹性支承连续梁的弯曲,据此求解考虑横隔板间距和刚度影响的单室矩形箱梁的畸变翘曲应力.以控制箱梁畸变翘曲应力不超过弯曲正应力15％为目标采用该方法确定崇启大桥横隔板的合理布置形式为:当横隔板间距设置为5.6m时,在各墩墩顶宜采用实腹式横隔板;在其他位置可采用桁架式横隔板.     

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。     

铁路40 m跨度混凝土简支箱梁的畸变效应

基于经典解析法与板壳有限元法,对比分析单线偏心活载作用下铁路40 m跨度混凝土简支箱梁畸变应力分布,并通过定义畸变应力比分析截面几何参数对箱梁畸变效应的影响。结果表明:用解析法和板壳有限元法计算得出的畸变翘曲应力相近,ANSYS板壳有限元更适合模拟空间箱梁的真实受力情况;在偏心活载作用下,腹板与顶板交界处的应力比为10%,腹板与底板交界处应力比为13%,顶板悬臂端部应力比最大,可达17%;高跨比和宽跨比的增加会使跨中附近的畸变效应更加明显,壁厚的增加会使畸变效应有减弱趋势,且跨中截面的畸变效应始终大于l/4截面与l/8截面(l为跨度)。     

预应力作用下简支箱梁桥的剪力滞效应分析

研究目的:为了研究箱梁桥在预应力作用下的剪力滞效应,以承受预应力作用的简支箱梁为对象,基于能量变分法,结合预应力等效荷载法,建立了直线、折线和曲线布束方式的简支梁在预应力作用下的剪力滞效应解析解。针对算例简支箱梁,研究3种布束方式综合作用下箱梁的剪力滞效应,并和有限元板壳数值解进行对比分析。以高速铁路10种典型标准设计整孔简支箱梁为例,研究直线、折线和曲线布束下跨中部位应力最大点处的剪力滞系数。研究结论:通过研究得出:(1)通过本文解析方法与板壳有限元数值解的对比表明,本文解析方法可以有效计算简支梁在预应力作用下的剪力滞效应;(2)对既有高速铁路简支梁桥,直线布束在跨中引起的剪力滞效应最小、其次为曲线布束、折线布束最大;(3)本研究成果对预应力混凝土箱梁的预应力设计具有理论借鉴意义。     

大跨度曲线矮塔斜拉桥主梁空间效应研究

以一座大跨度曲线矮塔斜拉桥为研究对象,分析剪力滞、箱梁畸变、扭转等空间效应对梁体应力状态的影响。分析结果表明:考虑空间效应后,在移动荷载作用下,顶板拉应力和底板压应力增大,最大增幅分别为1.20 MPa和1.29 MPa,顶板压应力和底板拉应力减小,最大减幅分别为0.95 MPa和1.35 MPa;在恒载作用下,顶板压应力减小,最大减小2.16 MPa,底板压应力增大,最大增加3.27 MPa。在此基础上分析了半横隔板箱梁在斜拉索锚固处的剪力分配问题,结果表明,剪力由横隔板和翼缘板共同承担,且横隔板承担剪力不超过50%,可按照横隔板和翼缘板共同抗剪进行设计。     

变分原理分析混凝土箱梁的剪力滞效应

本文针对翼板沿截面宽度方向变厚度的混凝土箱梁,利用势能变分原理,建立单室混凝土箱梁的剪滞效应分析方法。基于选定的剪力滞翘曲位移函数,提出变厚度翼板的广义截面常数计算公式。针对常见的简支梁和悬臂梁,导出集中力和均布荷载作用下的考虑剪滞效应的纵向应力和竖向挠度计算公式。通过对算例混凝土简支箱梁的剪力滞效应采用板壳数值解和本文理论解的对比分析,验证本文分析方法的精度。通过改变翼板厚度,研究混凝土箱梁翼板厚度变化对剪力滞效应的影响规律。     

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。     

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。     

单箱双室波形钢腹板连续刚构桥横隔板间距研究

为有效控制单箱双室波形钢腹板连续刚构桥的畸变和翘曲效应,通过建立空间有限元模型,研究横隔板间距和数量对偏心荷载作用下箱梁翘曲和畸变纵向正应力的影响规律,并对比分析单箱双室和单箱单室箱形结构在不同横隔板间距下畸变和翘曲纵向正应力的变化规律。计算结果表明:布置横隔板可以有效减少翘曲和畸变纵向正应力;与单箱双室截面相比,单箱单室截面翘曲正应力更大,设计时应减小横隔板间距。计算了不同高跨比和高宽比连续刚构桥的合理横隔板间距,并拟合出其经验公式。将该公式得到的横隔板间距与实际桥梁和现有经验公式得到的横隔板间距进行比较,验证了其精确性。