考虑悬臂板贡献的箱梁约束扭转效应研究

箱梁在约束扭转时悬臂板会承受一定的剪应力,但在计算过程中却没有充分考虑悬臂板对约束扭转的贡献。本文基于梁理论的扭转分析对箱梁约束扭转的计算公式进行了修正,并充分考虑了悬臂板对约束扭转的贡献。对比分析了按修正前后2种方式计算的翘曲应力之间的差别,研究了结构参数对箱梁约束扭转的影响。结果表明:考虑悬臂板的翘曲应力比未考虑时大,尤其是在集中荷载作用下,考虑悬臂板后的翘曲正应力增加了27%,翘曲剪应力增加了63.7%;在集中扭矩作用处,箱梁的约束扭转力矩和翘曲双力矩很大,而且衰减很快,导致集中扭矩作用处的箱梁截面产生很大的翘曲应力;高跨比、高宽比、宽厚比等设计参数对箱梁的约束扭转有一定的影响,总体规律是约束扭效应随着高跨比的增大而增大,随高宽比的增大而减小,随宽厚比的减小而减小。     

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。     

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)。     

带悬臂板薄壁箱梁极惯性矩的合理计算方法

分析带悬臂板箱梁横截面上各项剪应力及其合成的扭矩,导出极惯性矩和翘曲系数的表达式并论证计算极惯性矩时考虑悬臂板的必要性。在约束扭转控制微分方程基础上,给出简支箱梁跨中作用集中扭矩荷载时各广义位移和内力的初参数解。结合数值算例,分别按考虑和不考虑悬臂板情况计算极惯性矩,将求得的全截面翘曲正应力与通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较,分析不同极惯性矩计算结果对广义位移和内力的影响。结果表明:计算极惯性矩考虑悬臂板时求得的翘曲正应力比不考虑时更接近ANSYS壳单元的计算结果,证实考虑悬臂板更合理;计算极惯性矩时是否考虑悬臂板,对箱梁扭转角和广义翘曲位移的影响较小,但对双力矩和二次扭矩有明显影响,不考虑悬臂板时跨中截面的双力矩和二次扭矩分别减小22%和39%。     

波纹钢腹板连续刚构桥扭转与畸变的试验研究

设计制作3跨单箱单室变截面波纹钢腹板连续刚构桥和等效的普通混凝土腹板连续刚构桥的模型,通过2个模型桥的扭转与畸变对比试验,从挠度、沿梁高度方向的翘曲应变、箱梁混凝土顶底板的翘曲应力和波纹钢腹板的翘曲剪应力4个方面,分析波纹钢腹板连续刚构桥和普通混凝土腹板连续刚构桥的扭转和畸变特点。结果表明:波纹钢腹板连续刚构桥的抵抗扭转和畸变能力比普通混凝土腹板连续刚构桥弱,但强于波纹钢腹板简支箱梁桥;墩梁固结提高了波纹钢腹板箱梁的整体抗扭能力,且箱梁各截面的抗扭转和畸变能力与该截面距墩顶墩梁结合处的距离有关,距离越近,截面抵抗扭转和畸变的能力越强,反之越弱;计算波纹钢腹板箱梁在偏载作用下的挠度和应力时,要考虑扭转和畸变的影响。     

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。     

波形钢腹板曲线箱梁桥静力特性

建立了考虑不同力学因素的有限元模型,对不同曲率半径的波形钢腹板曲线箱梁桥的静力特性进行计算,分析了结构主要部位在活载作用下的内力、变形和应力分布随其曲率半径的变化规律。研究结果表明:波形钢腹板使得曲线箱梁桥抵抗翘曲的能力减弱;波形钢腹板箱梁截面正应力横向分布不均匀,钢腹板和混凝土板相交处正应力发生突变;钢腹板剪应力沿腹板高度分布不均匀。     

内衬混凝土对波形钢腹板刚构桥扭转和畸变性能的影响

设计制作了2座3跨单箱单室变截面波形钢腹板连续刚构桥模型(有和无内衬混凝土条件下各1座),通过模型的静载试验和有限元分析,研究内衬混凝土对波形钢腹板连续刚构桥扭转和畸变性能的影响。结果表明:内衬混凝土能够提高波形钢腹板箱梁的抗弯刚度和抗扭刚度,并且抑制偏心荷载作用下的扭转效应以及纵向翘曲效应;波形钢腹板刚构桥的挠度、偏载系数、纵向应力及纵向翘曲应力均随内衬混凝土长度、厚度的增加而减小;相同混凝土体积条件下,增加内衬混凝土的长度比增加厚度对波形钢腹板刚构桥扭转和畸变的改善效果更为明显。     

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。     

剪切变形对箱形梁畸变效应的影响

为揭示剪切变形对箱形梁畸变效应的影响规律,在合理假设畸变翘曲位移函数和切向位移函数的基础上,应用最小势能原理建立了考虑剪切变形的箱形梁畸变控制微分方程和相应边界条件,并通过数值算例分析了剪切变形及几何参数变化对箱形梁畸变效应的影响。结果表明:考虑剪切变形时的畸变翘曲应力与ANSYS壳单元的计算结果更为接近;与忽略剪切变形时的结果相比,畸变翘曲正应力的降低幅度不超过5%,畸变翘曲剪应力的降低幅度不超过10%;剪切变形对畸变位移的影响很小;随着跨高比的增加,畸变翘曲正应力沿梁跨度的分布曲线由单峰向双峰转变,畸变翘曲剪应力发生正负号改变的截面位置向梁端移动;随着箱壁厚度的减小,畸变翘曲应力显著增大。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

超大跨径CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究

采用非线性有限元软件BNLAS进行超大跨径CFRP主缆悬索桥与超大跨径钢主缆悬索桥的静动力特性对比分析,从加劲梁约束体系、主缆安全系数、主缆矢跨比、主缆弹性模量4个方面进行超大跨径CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究。结果表明:采用CFRP做超大跨径悬索桥主缆可大幅提高主缆应力中活载应力百分比和自振频率,但活载挠度大幅增加;随着跨径增大,加劲梁约束体系对超大跨径悬索桥的动力特性影响减小,3跨连续漂浮体系作为超大跨径CFRP主缆悬索桥加劲梁的约束体系较优;增大主缆安全系数可提高结构的竖向刚度、竖弯基频和扭转基频,但对横向刚度和横弯基频基本无影响;减小矢跨比可提高结构的竖向和横向刚度以及竖弯基频和横弯基频,但会降低扭转基频;增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度,提高竖弯基频和扭转基频,但对横向刚度、横弯基频以及主缆线形和应力基本无影响。     

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。     

大悬臂钢脊骨梁扭转效应分析与试验研究

以长沙市洪山大桥塔梁墩固结节段模型试验为基础 ,应用有限元方法分析扭转对大悬臂钢脊骨梁应力的附加影响 ,并进一步研究了在横隔板间距、刚度变化的情况下 ,脊骨梁翘曲正应力及剪应力的变化规律 ,供设计时参考     

地铁高架槽形梁足尺模型破坏试验与空间分析研究

通过某城市地铁高架试验段槽形梁桥足尺模型破坏试验,测定结构的极限承载能力,研究其空间受力变形特性及破坏特征。试验结果表明,结构在正常使用和极限状态下的极限荷载分别为设计荷载的1.68和3.0倍,具有足够的安全系数。三维有限元数值计算结果表明,底板存在剪力滞后现象,越接近梁端愈明显。底板纵向剪应力最大值出现在梁端附近截面底板与腹板相交处,支座脱空效应对脱空支座位置的底板应力影响较大,设计中需对梁端进行局部加强处理。跨中截面腹板出现拉应力,最大可达0.91 MPa,设计中应考虑设置一定的竖向抗拉钢筋,防止裂缝产生。     

预应力简支T梁病害分析及加固设计

广州一座高架桥预应力混凝土简支T梁跨中区域腹板上部近承托处存在纵向裂缝，且局部开裂伴有碎边现象。本文建立了有限元模型对腹板开裂病害原因进行分析，并提出了增大腹板截面、增设预应力碳板和跨中横隔梁的加固设计方案。结果表明：原桥在不考虑桥面铺装参与结构受力的条件下，车辆荷载局部轮载将会使得T梁跨中区域腹板顶部出现较大的竖向拉应力，与纵向裂缝的位置较为一致；加固后，T梁承载能力富余度增加，梁体下缘拉应力得到明显改善；同时T梁腹板局部承载能力及裂缝宽度均满足规范要求。     

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。