弹性阶段波形钢腹板简支曲线组合梁弯扭变形的解析解

为了研究波形钢腹板简支曲线组合梁在弯扭复合作用下的挠度及扭转角效应,根据波形钢腹板自身的结构特点,考虑曲梁曲率、箱梁剪力滞效应、剪切变形和扭转变形,利用最小势能原理和变分法推导了弯扭效应微分方程,并采用伽辽金法进行求解,得到了竖向均布荷载下波形钢腹板简支曲线组合梁的挠度、扭转角的解析解,将计算结果与有限元模型计算结果进行了对比,结果吻合良好。     

关于规定曲率弯矩方程弯矩正负号的问题

阐明了曲率弯矩方程的物理概念及用此方程建立梁(柱)弯曲微分方程的思路,论述了在建立梁(柱)弯曲微分方程中规定弯矩正负号(简称这种规定)引起的问题:1)这种规定破坏了曲率弯矩方程所反映的物理概念及用曲率弯矩方程建立梁(柱)弯曲微分方程的思路;2)这种规定导致了梁(柱)截面内力矩与梁(柱)曲率正负号无关的错误概念;3)按这种规定建立梁(柱)弯曲微分方程须记住弯矩正负号的规定,与此种规定对应的坐标系,不考虑梁(柱)曲率的正负号等3条内容,否则得出错误结果。建议材料力学在阐述梁(柱)弯曲微分方程中删去这种规定,以避免上述问题。     

T形截面梁的应力与挠度计算

在初等梁理论平截面假定基础上,对宽翼缘T梁的翼缘板和腹板各附加一个广义位移函数U1(x)和U2(x),以考虑翼缘板和腹板平面内剪切变形对其纵向位移的影响。根据最小势能原理,建立宽翼缘T梁竖向弯曲的控制微分方程及边界条件。运用该方法进行一简例分析计算。结果表明,该方法对宽翼缘T梁的应力和挠度计算有很好的改进。     

空间曲梁单元应变——位移关系

基于「１」所建立的空间弹性曲杆在三维变形中的曲率－－位移方程，运用卡尔丹角方法进行坐标转换，并依据有限变形理论，推导出空间曲梁单元在三维变形中的应变－－位移关系的显示表达式，这一结果考虑了剪切变形的影响，它为空间曲梁 形非线性有限元分析作了必要的准备。     

变曲率曲梁的单元等效节点荷载分析

研究目的:变曲率曲线梁在工程中得到广泛的应用,对其进行数值分析时,需建立变曲率曲线梁的单元刚度矩阵和节点荷载矩阵。因跨间集中荷载和均布荷载无法直接参与计算,需将其转换为等效节点荷载。本文主要研究目的是获得变曲率曲线梁跨中集中荷载的等效荷载矩阵。在极坐标系下,依据虚功原理,推导出一端固定的悬臂梁在跨间荷载作用下的悬臂端位移,再依据位移等效和内力等效得到曲梁单元一端的等效节点力,进而根据静力平衡条件得到单元另一端的等效节点力与等效节点荷载矩阵。研究结论:以两端固定的曲线梁在跨间集中荷载作用下为例,利用MATLAB编程与ANSYS有限元计算结果进行了对比,算例中竖向位移和扭转角误差较小,两者相差都在5%以内,得到如下结论:(1)等效节点荷载矩阵是正确的,验证了对变曲率曲线梁计算的有效性;(2)等效节点荷载矩阵的元素可用带参数的显函数表达,且所有参数都可直接引用;(3)推导的变曲率曲梁等效节点荷载矩阵可用于含等曲率梁的杆系结构的有限元分析。     

城市轨道交通大跨度小半径曲线梁桥设计

轨道交通大跨度小半径曲线梁桥具有受力复杂、车辆荷载大、设计难度高等特点。曲线梁桥由于轴向变形与平面内弯曲耦合,竖向挠曲与扭转耦合,以及弯曲、扭转与截面畸变耦合等因素,易发生梁体水平径向位移过大、梁体翘曲、墩梁固结处开裂、支座脱空等工程问题。依托大连轻轨某小半径大跨度预应力混凝土曲线梁桥工程,通过对曲线桥梁受力情况的分析,考虑变形耦合效应,确定了截面、钢筋及预应力钢束设置等关键技术参数,并针对曲线梁存在的"外梁超载,内梁卸载"问题,对支承形式及偏心等关键参数进行了讨论。研究表明,采用单箱单室截面、合理设置钢筋、预应力约束、支座等措施能有效解决此类工程问题。     

无缝线路稳定性分析有限元模型

利用有限元法建立包含钢轨、扣件、轨枕和道床阻力为一体的轨道框架模型。研究在温度力作用下无缝线路的臌曲失稳问题。推导相应的数值计算公式并编制了计算程序。轨道框架模型由4种单元组成：用考虑钢轨非线性变形的平面梁单元代表钢轨；无几何尺寸的两结点弹簧单元模拟钢轨扣件；弹性基础上的普通平面梁单元表示轨枕；弹簧单元模拟道床的横向、纵向阻力，并考虑了道床阻力的非线性特性。运用该模型，分析道床横向阻力、轨枕失效、曲线半径和线路初始弯曲对无缝线路稳定性的影响，得到不同工况下钢轨横向位移-温度曲线、钢轨内应力分布及钢轨和轨枕的横向变形分布曲线。     

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。     

双线铁路曲线简支槽形梁的空间分析

研究目的:曲线槽形梁是一种梁、板组合的开口结构,在竖向荷载作用下梁体会产生弯扭耦合效应,道床板会发生双向弯曲和扭转,其受力较为复杂。结合一跨双线铁路曲线简支槽形梁的受力分析,研究曲线槽型梁的力学特性并指导设计和施工。研究结论:曲线槽形梁的受力呈现明显的空间特性,在竖向荷载作用下,曲线外侧主梁下缘承受的拉力较大,曲线内侧相对较小,道床板的剪力滞现象比较显著,支座不均匀沉降10 mm对梁体的受力影响不大。在上部竖向荷载逐渐增加的过程中,主梁上翼缘产生的内向侧移越来越大,槽口逐渐缩小。弯扭耦合效应使槽形梁曲线内、外侧的支反力大小不一,曲线外侧梁端支座反力比曲线内侧大,梁体有向曲线内侧整体平移变形的趋势。     

温度效应对连续曲线箱梁受力的影响

连续曲线箱梁在温度荷载作用下,会产生平面内弯曲变形或竖向挠曲和扭转变形。通过实例分析,研究了连续曲线箱梁在体系升(降)温、内外温差和温度梯度等温度效应下的受力特性。     

弯扭耦合下曲线混凝土箱梁截面应力状态的受力机理分析

曲线箱形梁兼具弯梁桥与箱形梁两者的特点,由于曲率的影响,竖向荷载作用下曲线箱梁弯矩与扭矩互相耦合同时存在。根据国内外既有研究成果,对曲线箱形梁空间受力特点及影响因素进行了总结。以60m单跨单箱形截面曲线混凝土简支梁为例,利用有限元软件TDV建立空间板单元模型,分析自重作用下,不同曲线半径下主梁截面正应力及剪应力分布,根据弯曲变形与应变的关系,比较曲线梁桥与直线梁桥正应力横向分布规律,提出用应力增大系数来表征曲线内外侧弧长不同引起的应力变化。研究结果表明,除了受剪力滞后效应影响,曲线箱梁桥截面正应力分布还与内外侧弧长不等引起的应力增大系数有关。     

铁路曲线连续梁桥车桥耦合振动分析

将曲线通过车辆和曲线连续梁桥分为两个由非线性轮轨接触力联系的振动子系统。运用车桥耦合振动理论,建立铁路车辆曲线通过模型动力方程、曲线梁桥模型及其动力方程。基于激励非线性振动的数值算法,编制曲线梁桥车桥耦合振动分析软件VCBID,进行一座铁路曲线连续梁桥车桥耦合振动响应分析。结果表明:行驶速度对曲线连续梁桥竖向振幅的影响较大,但曲线连续梁桥的竖向振幅并不总是随行驶速度的增加而增加;曲线连续梁桥的横向位移随行驶速度的增大而增大,大致呈线性关系;车辆的横向加速度、竖向加速度、脱轨系数和轮重减轻率均随车辆行驶速度的增加而增加,且均满足我国现行规范的要求。     

基于初等梁理论的人字形桥梁结构空间梁格分析

根据初等梁理论,采用空间梁格分析法对一例典型人字形薄壁箱梁桥进行结构简化及模拟分析。分析结果表明:当受荷载桥跨的两端为扭转约束、并在集中荷载和竖向均布荷载作用下时,空间梁格分析法所得结果与板壳模型的计算结果比较接近;当受荷载桥跨的两端为单向铰支座、并在偏心竖向荷载作用下时,由于约束扭转和畸变效应对主线和匝道的影响十分显著,空间梁格分析法所得结果与板壳模型计算结果相异较大,主要原因是初等梁理论不能反应宽翼缘薄壁箱梁约束扭转、畸变及剪力滞效应等受力特点。指出:对于宽翼缘薄壁箱梁桥结构在采用空间梁格分析法时,应同时考虑宽翼缘薄壁箱梁受力的特点对初等梁理论分析方法进行完善。     

组合梁滑移和剪切变形双重效应的有限元分析

根据最小势能原理和变分法,定量研究组合梁界面滑移对构件性能的影响。滑移增大结构曲率,降低构件刚度,增加附加弯矩,从而引起挠度增大。建立考虑滑移效应和剪切变形双重作用下挠度和滑移控制微分方程。求得集中荷载条件下挠度和滑移的解析表达式。在解析表达式的基础上推导考虑双重效应的组合梁单元刚度矩阵。     

弧长比例对曲线斜拉桥力学性能影响分析

曲线斜拉桥是主梁呈曲线的斜拉桥。其兼具弯梁桥和斜拉桥的受力特点,主梁在承受弯矩、剪力作用的同时承受了较大的扭矩作用,受力复杂,具有高度空间性。以某座主跨285 m混凝土Π形主梁双塔双索面曲线斜拉桥为工程背景,基于有限元分析方法,通过改变曲线斜拉桥弧长比例(曲线斜拉桥曲线部分长度占全桥长度的比例,取值为[0,1])以探究弧长比例变化对结构受力性能的影响规律,主要研究对象包括主梁应力、内力、挠度以及支座反力等。研究结果表明:弧长比例对主梁轴力、剪力影响较小,相对于直线斜拉桥,变化不大于5%,可按直线桥进行计算;弧长比例在不同区间变化对主梁弯矩和扭矩的影响呈现不同趋势。研究成果针对弧长比例这一参数对曲线斜拉桥提供设计建议,为道路选线及桥梁设计提供参考依据。     

ZQL32／64型造桥机总体结构受扭计算分析

ZQL32／64型中跨连续梁造桥机施工弯梁过程中，导梁和主梁都承受扭矩，受力状态复杂，采用ANSYS通用有限元程序来分析造桥机的受扭，对施工过程中5种最危险工况进行计算分析。该造桥机达到了连续弯梁施工要求。     

大跨度铁路桥梁刚度统一描述方法探讨

研究目的:本文在已建成的桥梁基础上,进一步开展了大跨度铁路桥梁刚度描述方法和预应力混凝土连续梁(刚构)桥刚度的限值研究,以提出一种大跨度铁路桥梁刚度问题的统一描述方法。研究结论:采用设计荷载下的梁端横向、竖向、扭转角及非梁端处横向、竖向、扭转角的变化率(即曲率)描述桥梁刚度,推导了大跨度铁路预应力混凝土连续梁(刚构)桥刚度设计参考限值。该方法不但能方便地描述简支梁的刚度问题,与现有规范相衔接,而且在描述规范所不能涵盖的大跨度桥梁、特殊桥梁结构刚度问题时也非常方便。研究方法和研究成果有利于提高桥梁刚度研究和设计水平,为发展更大跨度桥梁提供技术支撑。     

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。     

Analysis of Passive Limited Supporting Force of Curved Shield Tunnel Excavation FaceEI北大核心

Research purposes: In the construction process of curved shield tunnels, the force of excavation face is extremely complex and the stability is difficult to control, so it is very likely that the thrust of the jack will cause uplift of the soil in front because of passive failure. Taking the sand strata as an example, this paper established a combination model of "inverted ladder-wedge prism" to reveal that the soil in front of the excavation face of curved shield tunnels uplifts up because of passive failure based on the silo theory and limit equilibrium method, and deduced the calculation method of passive limited supporting force for curved tunnels. Then, we confirmed the accuracy and reliability of this model and calculation method through programing and simulating. Research conclusions:(1) The passive limited supporting force increases with the increase of buried depth and internal friction angle, and the growth rate gradually increases. (2) When the radius of the line is less than 200 m and the internal friction angle is more than 25 degrees, the passive limited supporting force is very sensitive to the curvature radius, and when the radius is more than 800 m, the passive limited supporting force is almost no difference with straight tunnels. (3) The numerical results indicate that the numerical solution is consistent with the theoretical solution and the difference is quite small. (4) The research results can provide theoretical basis for determining the passive limited supporting force in the constructions of similar curved shield tunnels especially small turn radius shield tunnels. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.