基于板元分析法的梯形截面箱梁畸变效应研究

为揭示梯形截面箱梁的畸变效应,以箱梁腹板和底板交点处的夹角改变为未知量,用图乘法推导板元横向板端弯矩和箱梁畸变角之间的关系,采用板元分析法推导箱梁的四阶畸变控制微分方程。给出方程的初参数解,通过算例验证所推公式的正确性,并分析梁高、腹板倾角的变化对梯形截面箱梁畸变角和畸变双力矩的影响。结果表明:基于该法推导出的畸变控制微分方程可精确计算箱梁的畸变效应,且本文推导板元横向板端弯矩和箱梁畸变角关系的过程较为简单,算例验证了本文解和相关文献解、有限元解吻合良好;随着梁高逐渐增大,跨中截面畸变角逐渐减小,而畸变双力矩逐渐增大;腹板倾角逐渐增大时,跨中截面畸变角先增大后减小,畸变双力矩则逐渐减小。     

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。     

腹板对单索面宽幅混凝土斜拉桥抗扭性能的影响

为了分析单索面宽幅混凝土斜拉桥在扭转荷载作用下的力学响应,依托江门市潮荷西江宽箱梁混凝土斜拉桥,应用ANSYS分别建立基于单箱单室、单箱三室和单箱五室宽箱梁主梁的全桥有限元模型,对比分析宽箱梁斜拉桥在成桥状态扭转荷载作用下不同截面的扭转畸变角和竖向位移。研究结果表明:多室宽箱梁截面整体的抗扭刚度较大,增加箱室会增加截面的抗弯刚度和抗扭刚度,从而减小截面各点的位移和扭转畸变;增加腹板的数量可以增强截面的联系,有效限制局部扭转变形。     

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。     

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。     

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。     

变截面波形钢腹板组合箱梁腹板剪应力实用计算方法研究

为了计算变截面波形钢腹板组合箱梁腹板中的剪应力及其承剪比,考虑变截面效应,通过弹性微元段的受力平衡方程,计入弯矩和轴力引起的附加剪应力,导出变截面波形钢腹板组合箱梁的腹板剪应力计算公式;依据节段施工的波形钢腹板组合箱梁桥结构的建造特点,考虑节段内梁底线形为线性变化,将公式中各参数的微分运算转化为简单的代数运算,给出实用求解方法;最后通过算例对所推导公式的计算结果与等截面计算公式和有限元数值结果进行对比。研究结果表明:变截面梁的梁高和底板厚度的变化对剪应力有较大影响,波形钢腹板剪应力计算应当考虑变截面效应影响,波形钢腹板剪应力实用计算方法能方便工程应用。     

波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的挠度分析

研究目的:为精确分析波形钢腹板钢底板混凝土组合梁在长期荷载作用下的挠度变化,在纳入组合梁剪切变形效应、剪力滞效应及收缩徐变效应对挠度计算影响的基础上,采用能量变分法推导出波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的控制微分方程与自然边界条件,得到波形钢腹板钢底板混凝土组合简支单箱双室箱梁分别在跨中集中荷载和满跨均布荷载作用下的挠度计算公式;利用所得公式计算荷载作用7d、1 000d和3650 d时的挠度值,与ANSYS数值解以及不考虑收缩徐变效应的计算值进行对比,并通过了模型试验结果的验证。研究结论:(1)本文挠度计算值与ANSYS数值解及模型试验结果吻合良好;(2)波形钢腹板钢底板混凝土组合简支箱梁在跨中集中荷载和满跨均布荷载作用1000 d后,跨中挠度分别增大了9.12%和12.94%;(3)在3650 d后,跨中挠度分别增大了14.69%和18.32%,显然收缩徐变效应对组合箱梁挠度计算的影响不可忽略;(4)本文研究可为同类波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的挠度计算提供参考。     

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。     

单箱双室变厚翼板CSW简支箱梁剪滞剪切效应

以单箱双室翼板变厚度的波形钢腹板箱梁为研究对象,按照波形钢腹板箱梁的独有结构特点,通过变分法的最小势能原理,建立单箱双室翼板变厚度的波形钢腹板箱梁在考虑剪滞效应和剪切变形双重效应下的控制微分方程并进行推导求解.选用满足轴向剪滞翘曲应力自平衡的二次抛物线定义翼板纵向位移差函数,在满跨均布荷载和集中荷载分别作用下,计算得到单箱双室翼板变厚度的波形钢腹板箱梁的截面应力理论值,并与三维有限元值进行对比分析.研究结果表明:按照本文方法计算得到的结果与有限元分析值吻合良好,验证了本文计算方法的正确性;利用本文按变翼缘厚度计算与按等厚度简化计算的结果相比,最大误差可减少33％,说明按照翼板变厚度进行剪滞效应分析可以得到更为准确的结果.     

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-钢底板-混凝土顶板组合箱梁的有效分布宽度研究

考虑混凝土顶板和钢底板不同的模量,结合变分法推导波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板(简称CSWSB)组合箱梁剪力滞效应的控制微分方程组和边界条件,建立CSWSB简支组合箱梁跨中集中荷载、均布荷载作用下剪力滞系数和有效分布宽度的计算公式,采用模型试验梁对2种荷载工况下单箱单室组合箱梁的剪力滞效应和有效分布宽度进行分析。研究结果表明:简支组合箱梁在集中荷载和均布荷载作用下剪力滞系数表达式正确,集中荷载作用下的剪力滞效应比均布荷载作用下的剪力滞效应明显,上翼缘板的剪力滞效应比下翼缘板的剪力滞效应明显;根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算CSWSB组合箱梁翼板有效分布宽度时,与理论计算局部差值达到了10%,富余量较小;与《钢-混凝土组合桥梁设计规范》计算CSWSB组合箱梁翼板有效分布宽度对比,整体差值率偏大,设计中应给予重视。     

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)。     

单箱单室与单箱双室截面箱梁横向受力对比分析

以高速铁路预应力混凝土简支箱梁桥为背景,采用大型通用有限元软件Midas-FEA建立了单箱单室截面与单箱双室截面连续梁桥空间有限元模型,对两种桥梁典型截面横向受力与横向应力沿纵向传递规律进行了分析。研究结果表明:对于典型截面横向应力分析,不论截面位于梁端还是梁体跨中,单箱双室截面箱梁截面较单室截面应力平稳,与单箱单室相比,单箱双室截面顶板在箱室跨中(B-B)能有效减小顶、底板应力。对于截面横向应力沿纵向变化规律而言,截面中心线(A-A)位置,单箱单室与单箱双室截面应力变化规律与数值相差较大;箱室跨中(B-B)位置处截面应力沿纵向变化规律基本一致,且双室截面较单室截面较为平稳;单室截面边腹板剪应力大于双室截面边腹板剪应力,双室截面边、中腹板剪应力之和较单箱单室截面腹板剪应力之和大。     

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。     

客运专线预制箱梁预初张拉阶段跨中截面应力状态研究

以无砟轨道后张法预应力混凝土双线简支箱梁为研究对象,采用有限元分析软件MIDAS/Civil按弹性支撑计算模型对预初张拉阶段的箱梁跨中截面应力状态进行了施工模拟。在箱梁跨中截面预埋钢弦式应变计,监测了预初张拉阶段的混凝土应力。将计算结果与现场实测数据进行了对比分析,结果表明在预初张拉阶段,随着钢束张拉根数的增加,箱梁应力状态逐渐趋近于简支受力模型。张拉过程中的截面应力计算按弹性支撑模型是可行的。     

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。     

钢-混凝土双面组合箱梁日照温度效应研究

在自然环境下,钢一混凝土双面组合箱梁受一天中日照变化的影响,在梁体内部会产生相应的温度应力和变形。以三跨钢一混凝土双面组合箱梁为研究对象,对组合梁在6：00至18：00日照条件下的温度应力与位移进行计算分析。利用有限元软件ANSYSl0．0建立三跨连续组合箱梁有限元模型,采用间接耦合解法进行热一结构耦合场的运算。得到了温度应力与温度位移的分布规律及时程分析,并对箱梁混凝土底板对温度效应的影响进行探讨。     

波纹钢腹板PC组合箱梁抗弯性能的理论分析

波纹钢腹板箱梁是一种新型的钢-混凝土组合结构,与传统混凝土腹板箱梁相比,其抗弯性能的研究中腹板的刚度可以不计.在满足"平截面假定"和"变形协调条件"的基础上,用能量变分法对波纹钢腹板PC组合箱梁的抗弯性能、波纹钢腹板的弯曲及轴向变形特性进行了理论分析,讨论了在跨中截面单点对称荷载作用下,上、下混凝土翼缘板的纵向正应力分布规律,并与试验结果进行比较,结果表明,采用能量变分法对波纹钢腹板组合箱梁进行理论分析是合理有效的.     

考虑翼板局部弯曲及剪力滞效应的波形钢腹板组合箱梁挠度分析

在位移场中引入挠度1阶导数考虑翼板局部弯曲，添加剪力滞强度函数和截面转角计入翼板剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形，基于能量变分原理获得波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程，进而推导包括挠度在内的综合考虑翼板局部弯曲、剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的位移变量解析解，并分析翼板局部弯曲和剪力滞效应对不同高跨比、腹板高度占比、宽跨比、板宽比组合箱梁挠度的影响。结果表明：该解析解能较精确地计算组合箱梁的挠度；忽略翼板局部弯曲和剪力滞效应将导致组合箱梁的挠度计算结果误差过大；对于波形钢腹板组合箱形连续梁，不考虑翼板局部弯曲和剪力滞效应，跨中挠度将分别被高估13.0%和低估7.0%；剪力滞效应对翼板与波形钢腹板间的剪力分配几乎无影响，翼板局部弯曲会显著降低波形钢腹板剪力承担比，大大减小梁体挠度；剪力滞对挠度的放大效应随宽跨比的增大而增大，而翼板局部弯曲对挠度的减小作用随着高跨比和宽跨比的增大及波形钢腹板高度占比的减小而显著提高；翼板局部弯曲和剪力滞效应对连续梁挠度的影响比简支梁更大。