基于有限梁段法的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析

为简化并准确分析波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应,基于波形钢腹板组合箱梁能量变分法微分方程,考虑波形钢腹板剪切变形及体外预应力作用,采用有限梁段法推导得到梁段单元的系数矩阵和广义外荷载向量计算公式,求解波形钢腹板组合箱梁任意点的弯曲应力。以某等截面波形钢腹板组合简支试验梁为算例,将跨中截面正应力有限梁段法计算值与试验值、变分法及有限元法计算值进行对比,该方法跨中正应力分布与其它方法结果均吻合较好,顶板有限梁段法正应力峰值与有限元计算值相差仅1.6%,验证了该方法准确度较高。采用该方法分析伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥波形钢腹板组合连续箱梁桥在悬臂施工及成桥阶段的剪力滞效应,结果表明：悬臂施工阶段,随着悬臂长度增加固定端剪力滞效应逐渐减弱;成桥阶段,中支点和集中荷载加载点处剪力滞效应非常显著,均布荷载作用下边跨正弯矩区剪力滞系数较大,中支点处的峰值为1.13。     

单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁剪力滞效应研究

由于单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁截面剪力滞效应与混凝土箱梁截面剪力滞效应相比有很大差异,并且波形钢腹板几乎承担了全部剪力,波形钢腹板的剪切模量也需要进行修正。为研究单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应,从波形钢腹板PC组合箱梁的受力特点出发,以满足剪力滞翘曲应力的轴向平衡条件,采用二次、三次抛物线定义了单箱双室、单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的纵向位移差函数,利用势能驻值原理的能量变分法建立了波形钢腹板PC组合箱梁考虑剪力滞、剪切变形效应的控制微分方程组,并推导出简支梁、悬臂梁、连续梁在集中荷载、均布荷载作用下的解析解。通过解析法和有限元法分别计算了简支梁和悬臂梁的剪力滞效应,并研究了集中荷载和满跨均布荷载作用下的单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞分布规律,结果表明:采用二次抛物线剪力滞翘曲位移函数推导的剪力滞系数更为合理;单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁在跨中集中荷载下,波形钢腹板与混凝土顶、底板交界处的剪力滞效应较为突出;随着波形钢腹板PC箱梁室数的增加,剪力滞系数明显减少,且解析解与有限元数值解一致,表明了解析解的正确性,并通过分析给出了相应的剪力滞系数,可以为单箱多室波形钢腹板箱梁的设计计算提供参考依据。     

单箱多室波形钢腹板箱梁剪力滞研究

为客观准确地对单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应进行评价,结合单箱多室混凝土箱梁的计算特点,定义了波形钢腹板箱梁的剪滞翘曲位移函数,通过能量变分法建立了单箱双室和单箱三室波形钢腹板箱梁考虑剪力滞效应的基本微分方程。分别采用有限元方法和解析方法分析计算了范例的剪力滞效应,研究了跨中集中荷载和满跨均布载荷作用下截面的剪力滞分布规律,探讨了跨宽比对剪力滞效应的影响。研究表明,该解析解与有限元数值解吻合较好,但在箱梁顶底板与波形钢腹板接合处、外伸悬臂板边缘处有一些差异,需要进行修正。研究给出了相关的剪力滞系数,可以为波形钢腹板箱梁设计时的剪力滞系数取值提供参考。     

波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板承剪分析

为了了解波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板的弯曲剪应力及剪力传递效率,基于组合有限元思想,采用有限元软件建立大桥精细模型,首先对组合箱梁拟平截面假定进行验证,然后选取12个控制截面,分析自重、自重+预应力荷载作用下各控制截面的波形钢腹板剪应力及剪力传递效率。计算结果表明:弯曲作用下变截面波形钢腹板组合箱梁截面满足平截面假定,波形钢腹板中的剪应力沿板厚均匀分布,自重及预应力作用下变截面波形钢腹板组合截面的剪力传递效率为50%~80%,且变截面效应带来的梁高和底板厚变化会使波形钢腹板参数相同的梁段剪力分配比例有明显变化。     

大跨波形钢腹板组合箱梁桥悬臂施工力学分析

基于某13跨波形钢腹板连续梁桥,采用实际监测法和有限元数值模拟法,研究了波形钢腹板组合箱梁桥悬臂浇筑施工过程中温度效应和应力状态两个关键力学问题。研究结果表明,波形钢腹板组合箱梁桥悬臂施工过程中,大气温度变化可以引起梁体产生不可忽略的位移。施工过程中混凝土顶、底板由于剪力滞效应影响,纵向正应力呈现不均匀分布,而腹板剪应力分布均匀,且基本不受预应力施加的影响。     

波形钢腹板多室箱梁部分斜拉桥剪力滞效应分析

为了解波形钢腹板多室箱梁部分斜拉桥剪力滞效应对结构受力的影响,以某(58+118+188+108) m单箱四室波形钢腹板部分斜拉桥为背景,采用有限元法建立空间有限元模型,在跨中偏载和对称荷载作用下,计算主跨箱梁有索段和无索段顶底板混凝土正应力,分析各截面的剪力滞分布规律。结果表明:箱梁跨中截面混凝土顶板、底板正应力分布极不均匀,具有明显的剪力滞效应,箱梁混凝土顶板、底板剪力滞系数随距集中荷载作用点距离的增大急剧减小,截面顶板剪力滞效应均比底板大;箱梁顶底板均呈现正剪力滞效应,混凝土横隔板可以改善箱梁截面正应力分布,减弱剪力滞效应;顶底板剪力滞系数在无索段范围内急剧减小,有索段内急剧增大,车辆活载只在局部范围内引起较大的剪力滞效应,设计中应考虑此效应引起的不均匀应力。     

预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁受力性能研究

该文概述了预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁在国内外的发展与应用情况,采用有限元分析方法,对跨径、材料、预应力钢束以及顶底板尺寸均相同的波纹钢腹板组合箱梁和平板钢腹板组合箱梁的受弯性能、抗剪性能、抗扭性能以及剪力滞效应进行了分析;比较了两种模型在不同荷载作用下跨中截面、四分点截面上的变形与内力分布;并对两种预应力混凝土组合箱梁的动力特性进行对比。研究成果表明:与平板钢腹板组合箱梁相比,预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁的腹板纵向刚度很小,横向挠曲刚度较高;波纹钢腹板组合箱梁跨中剪力滞效应较为显著,整体刚度较小。     

均布荷载作用下波形钢腹板简支箱梁的挠度

基于波形钢腹板组合箱梁的特点,在其承受均布荷载作用下,运用能量变分原理推导了波形钢腹板简支箱梁考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切效应下的挠度计算公式.结合室内模型试验梁的实测值和ANSYS三维有限元的计算值,对该公式的正确性进行了验证,同时分析了这2种影响因素对波形钢腹板简支箱梁挠度的影响程度.结果表明:该公式的计算结果与实测值及有限元计算值吻合良好;在承受均布荷载作用下,与初等梁理论计算的挠度相比较,剪力滞效应和波形钢腹板的剪切效应分别增大波形钢腹板简支箱梁挠度的1.82％和36.36％,因此在实际计算中必须考虑波形钢腹板剪切效应对挠度的影响,而可以忽略剪力滞对挠度的影响,研究结论可为今后波形钢腹板箱梁桥的设计计算提供参考.     

考虑剪切剪滞双重效应波形钢腹板组合箱梁的矩阵分析

为了更精确地研究考虑剪切剪滞双重效应波形钢腹板组合箱梁的力学性能,首先运用有限元分析方法,在综合考虑剪力滞与剪切变形双重效应影响的基础上,通过能量变分原理导出了波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程并给出了解析解;之后在该解析解的基础上进一步推导了单元刚度矩阵及结点荷载列阵,还根据相关方程编制了FORTRAN有限元程序;最后将室内模型试验梁对波形钢腹板简支梁和连续梁的实测结果与所提理论的计算结果、ANSYS实体单元模型的计算结果进行对比分析。结果表明:所提理论和模型试验、有限元模拟3种方法所得剪力滞系数和挠度值吻合良好,且理论计算值与模型试验实测值所得跨中剪力滞系数、挠度值更接近;简支梁在承受集中荷载作用比承受均布荷载作用同一截面处的剪力滞效应影响大,连续梁在承受集中载荷作用时,在支座附近处截面的剪力滞效应的影响比跨中要大,并在靠近弯矩零点的一部分区域内表现出负剪力滞现象;波形钢腹板简支梁、连续梁的剪力滞系数随跨宽比的增大而呈曲线减小。研究成果可将波形钢腹板考虑双重效应的复杂计算问题,方便地纳入普通杆系结构矩阵位移结构体系中,可直接得到用于结构设计的剪力、弯矩,从而避免建立复杂的ANSYS有限元模型。     

波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应

该文论述了采用空间有限元法分析波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应。在分析中考虑了集中力和均布力两种最典型的荷载工况。分析得到的结果与等代腹板的混凝土箱梁剪力滞效应进行比较,比较结果表明两者剪力滞变化规律相同,只是波形钢腹板组合箱梁的剪力滞系数略大。最后,根据分析结果得出一些有参考价值的结论。     

不同支承方式下三跨波形钢腹板连续梁弯桥剪力滞效应分析

为研究不同的支承方式对三跨波形钢腹板连续梁弯桥剪力滞效应的影响,采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立了三跨波形钢腹板连续梁弯桥的三维有限元模型,考虑了2种典型荷载工况——跨中集中荷载和全桥分布荷载下,典型截面的应力分布情况,计算出截面的剪力滞系数,并对4种不同支承方式下的剪力滞效应进行了分析。研究结果表明,三跨波形钢腹板连续梁弯桥边跨跨中截面应力最小为固定支承,中间支座截面应力最小为中间偏心铰支承,中跨跨中截面应力最小为固定支承。内侧的剪力滞系数要大于外侧,集中荷载下的剪力滞系数要大于均布荷载下的剪力滞系数,各支承方式下的剪力滞系数差异不大,集中荷载作用下剪力滞系数最小的为中间偏心铰支承,分布荷载作用下剪力滞系数最小的为中间固定墩支承。     

横隔梁对波形钢腹板PC连续梁桥纵向正应力的影响研究

目前关于横隔梁对波形钢腹板PC连续梁桥纵向正应力的影响,都是基于小梁试验或理论分析的基础,与实际有差别。鉴于此,依托一在建单箱九室波形钢腹板PC组合连续箱梁桥,建立该桥有限元模型,分析3车道偏载作用下有无横隔梁2个工况下箱梁顶、底板的纵向正应力分布规律和剪力滞效应。结果表明:未设横隔梁的桥梁纵向正应力分布变化剧烈,距墩顶越近,顶、底板正应力横向分布变化越大;设置横隔梁后桥梁纵向正应力分布较为均匀,顶、底板正应力横向分布在跨中截面附近变化较大;未设横隔梁与设置横隔梁时顶、底板正应力最大比值分别为1.47、1.32;设置横隔梁的桥梁在汽车荷载下剪力滞效应最大,3车道偏载与6车道对称荷载作用下箱梁顶板剪力滞系数比值为1.04,底板剪力滞系数比值为1.06;横隔梁对改善箱梁正应力分布、降低剪力滞程度具有显著影响。     

变截面波形钢腹板PC梁桥的设计与计算分析

结合一座实际工程的大跨波形钢腹板组合连续梁桥,阐述其箱梁截面结构设计、混凝土与波形钢腹板之间的剪力连接件、以及布束体系等,之后采用Midas建立了主梁的空间杆系有限元模型,对其混凝土顶、底板应力及抗弯承载力进行了验算,并对波形钢腹板剪应力及剪力连接件剪切承载力单独进行了验算,结果表明:混凝土顶板和底板的抗裂性能满足要求;波形钢腹板强度足够,不会出现剪切破坏和屈曲失稳;剪力连接件设计合理、抗剪能力满足要求。可为类似大跨波形钢腹板PC箱梁提供参考。     

变截面CSW-UHPC组合梁负弯矩区弯曲性能试验研究

为改善常规混凝土波形钢腹板(CSW)组合梁受拉区的受力性能，进一步减小结构重量并推动超高性能混凝土(UHPC)在桥梁工程中的应用，提出一种新型变截面预应力CSW-UHPC组合箱梁结构，为研究其基本受力特征，特别是其抗弯与抗裂性能，设计并完成了一片预应力变截面CSW-UHPC组合悬臂箱梁的负弯矩静力模型试验，测试得到试验梁的荷载-应变响应、裂缝开展模式、挠度及破坏荷载等试验结果。依据试验结果对结构的剪力滞效应和钢腹板承剪比进行了研究；并深入研究了CSW-UHPC组合箱梁的抗裂性能和抗弯承载力计算方法；同时，完成了试验梁的非线性有限元分析。结果表明：这种变截面CSW-UHPC组合箱梁表现出良好的受力、变形和抗裂性能；试验梁的悬臂根部截面产生了负剪力滞效应，剪力滞效应越靠近加载点越明显；悬臂端部到根部截面，试验梁腹板承剪比从80.33%逐渐减小至2.15%;试验梁的极限抗弯承载能力和抗裂弯矩的理论值与试验值较为吻合，建议在计算承载力时，k值取为0.1～0.2。研究成果可为变截面预应力CSW-UHPC组合箱梁结构的设计与应用提供参考。     

大跨波形钢腹板预应力组合箱梁桥线形控制技术研究

波形钢腹板体外预应力组合箱梁的显著特点是用波形钢腹板取代了混凝土腹板,其受力性能与常规预应力混凝土箱梁有较大差别。为了研究剪切变形和日照温度效应对大跨波形钢腹板预应力组合箱梁桥线形控制影响,本文以桃花峪黄河大桥跨大堤桥为背景进行了分析,研究表明:(1)剪切变形对大跨波形钢腹板预应力组合箱梁挠度影响不可忽略,需要以能精确模拟此类结构构造特点的空间有限元分析计算为基础进行该类结构线形控制。(2)在日照温度挠度效应方面,波形钢腹板预应力组合箱梁的日照温度挠度效应趋势和常规PC箱梁相同,但是其温度挠度变化比同跨径常规PC箱梁小。     

基于动力刚度矩阵的波形钢腹板PC连续箱梁桥自振频率分析

为合理分析波形钢腹板的剪切变形对波形钢腹板PC连续箱梁桥自振频率的影响,首先,运用能量变分原理推导出波形钢腹板PC箱梁桥的单元刚度矩阵。其次,根据推导所得的单元刚度矩阵,采用MATLAB软件编制了考虑钢腹板剪切效应影响的多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥自振频率计算的求解程序。该程序计算所得自振频率值的正确性,得到了已建实桥频率实测值和ANSYS三维有限元计算值的验证。最后,对多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥弯曲振动频率的影响参数进行了分析。结果表明:本研究程序计算的自振频率值与已建实桥的实测值及有限元值吻合较好,该求解程序具有较高的精度,前5阶自振频率的差值在6.01%和7.32%以内;波形钢腹板的剪切变形效应对波形钢腹板PC连续箱梁桥的自振频率影响较大,而波形钢腹板的剪切模量是否进行修正及波形钢腹板的型号对该桥型的弯曲振动频率的影响较小,前5阶弯曲振动频率的差值在1.07%和0.55%以内,可以将其忽略不计;可将考虑剪切变形效应下波形钢腹板PC连续梁桥的动力分析问题,方便地纳入到普通杆系结构矩阵位移体系中,避免了ANSYS有限元模型建立和求解的复杂性,可为该桥型弯曲振动频率的计算与分析提供一定的参考依据。     

基于纽玛克法的变截面波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为研究变截面波形钢腹板组合箱梁（CBGCSWs）在偏心荷载作用下的畸变效应,忽略波形钢腹板的纵向抗弯刚度,通过建立其微段单元平面内、外力系平衡方程,推导了以畸变角为未知量的畸变微分方程,并采用基于共轭梁理论的纽玛克法进行求解,由此建立了偏心荷载作用下变截面CBGCSWs畸变正应力计算理论。以某大跨变截面CBGCSWs桥为工程背景,运用该理论获得了4种不同工况下组合箱梁角点处畸变正应力理论解,并采用空间有限元方法进行了验证,数值解与理论解吻合良好,表明推导的变截面CBGCSWs畸变计算理论正确且精度足够,可供工程参考。在此基础上,比较了变截面CBGCSWs与对应PC箱梁的抗畸变能力,并探讨了横隔板间距、高跨比、宽跨比及钢腹板形状等因素对变截面CBGCSWs畸变正应力的影响规律。结果表明：用波形钢腹板替代混凝土腹板会较大程度削弱箱梁的抗畸变能力,应当引起足够重视;横隔板间距及宽跨比等参数对畸变正应力影响较大,而高跨比及钢腹板形状等则影响很小。     

单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的受力性能研究

为掌握荷载横向作用位置对单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁受力性能的影响,设计制作了缩尺比例为1∶10的模型梁,对简支模型梁分别进行了横向对称的双点和四点集中力弹性加载试验,集中力在横向分布作用在边、中腹板处顶板,对顶、底板的纵向应变、钢腹板剪应变和梁底挠度进行了测试。同时,建立有限元模型进行对比分析,并提出用腹板剪力系数表示"腹板剪力分配的不均匀程度"。结果表明:对于单箱三室的波形钢腹板混凝土组合箱梁,对称荷载的横向作用位置对作用截面的剪力滞系数横向分布有显著影响,不同腹板处顶、底板剪力滞系数的差异较大,在荷载作用点附近达最大值;加载截面横隔板的设置可以减弱剪力滞效应,而非加载截面的横隔板使顶、底板正应力分布呈现类似"负剪力滞效应";剪力在各钢腹板间不是平均分配,直接承受集中荷载的腹板可分担70%以上的剪力,其剪力系数最大可达2.0;横隔板可减小剪力不均匀分配的影响。     

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究

根据国内首座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁公路桥———泼河大桥的箱梁构造尺寸,设计了足尺模型试验梁,对其力学性能进行了试验研究。测试了波形钢腹板及顶板的混凝土纵向应变分布、挠度以及腹板剪力、体外预应力增量等问题。研究结果表明:波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩,波形钢腹板则主要承担剪力,箱梁的计算挠度应考虑钢腹板剪切变形的影响,混凝土顶板存在明显的剪力滞效应,同时得出在荷载作用下体外预应力增量呈线性变化规律,且应力增量很小。     

运宝黄河大桥箱梁腹板抗剪性能研究

为研究单箱五室波形钢腹板部分斜拉桥腹板的抗剪性能,以即将竣工验收的运宝黄河大桥为工程背景,利用Midas FEA软件建立该桥固结区域局部有限元模型,计算腹板的剪力分配与箱梁截面的剪力滞效应,考查混凝土内衬对波形钢腹板剪应力的影响。结果表明:同一截面中外侧钢腹板承担剪力的比重高于内侧,而混凝土腹板剪力分配比重明显高于钢腹板;随着远离墩梁固结区域,同一截面内混凝土腹板处的顶板正应力减小,钢腹板处的顶板正应力增大,底板的正应力均有所减小;混凝土内衬有效地降低了钢腹板剪应力,提高了钢腹板的抗屈曲性能。