铁路双线箱梁的约束扭转效应研究

为分析铁路双线箱梁的约束扭转效应,基于初参数法建立仅在单线特种活载作用下的约束扭转内力方程。计算单线特种活载作用下的约束扭转应力分布规律。通过定义约束扭转翘曲比例系数、翘曲正应力比和剪切比例系数,研究高跨比、宽跨比、高宽比、壁厚和悬臂板长度等计算参数对约束扭转应力的影响规律。研究结果表明:单线活载偏心作用时,约束扭转翘曲正应力和约束扭转剪应力最大值在荷载作用截面,自由扭转剪应力最大值在梁端截面;荷载作用截面的顶板和腹板相交处翘曲比例系数可达10.13%,悬臂板端点翘曲比例系数可达11.9%;翘曲比例系数随着高跨比、宽跨比的增大而增大,随着高宽比、板厚的增大而减小;剪切比例系数随着高宽比的增大而减小,随着腹板厚度的增大而增大;悬臂板的长度对横截面翘曲正应力的分布有明显影响,因此在扭转效应分析中,悬臂板的贡献不可忽略。     

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。     

截面构造对薄壁箱梁剪力滞效应力学响应的研究

为了研究考虑剪力滞效应的混凝土薄壁箱梁肋板厚度对箱梁截面正应力分布的影响,利用有限元软件建立不同肋板厚度的数值模型得到跨中上翼缘板沿横截面的剪力滞系数,对比分析薄壁箱梁不同肋板厚度下的剪力滞系数分布情况。结果表明:相同条件下考虑剪力滞效应情况的薄壁箱梁肋板越薄,横截面剪力滞系数越大,横截面应力越大;为了保证安全的前提下,薄壁箱梁肋板厚度取值应满足规范的最小值要求。     

曲线梯形箱梁静力分析的多参数翘曲位移函数法

以薄壁曲杆理论为基础,提出一种对曲线梯形箱梁静力学特性准确分析的解析法。为准确反映箱梁不同宽度翼板的剪滞变化幅度,分别对梯形箱梁上下翼板和悬臂翼板设置3个不同剪滞纵向位移差函数。分析中综合考虑弯曲和翘曲扭转(包括二次翘曲剪切)因素,引入剪滞效应和剪切变形影响,建立曲线箱梁弹性控制微分方程和自然边界条件,获得弯、扭、翘和剪滞效应相耦合广义位移的闭合解。结合算例,分析不同荷载形式、不同跨度以及剪切变形和二次翘曲剪切效应等因素对曲线箱梁力学特性的影响,本文解析解与板壳有限元结果吻合较好,证明了本文方法有效性,所得公式发展了曲梁剪滞理论。     

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。     

箱梁截面扭转中心位置的确定

箱形截面扭转中心位置是箱梁的重要几何参数,在薄壁箱梁桥扭转位移和内力计算中有重要作用。根据薄壁箱梁的结构特点,考虑实际工程中薄壁箱梁顶板和翼缘板不等厚度的实际情况,按薄壁箱形梁约束扭转理论,对桥梁工程中常用的箱形截面扭转中心位置计算公式进行理论推导。在箱形梁的底板中点虚开1个切口,把箱形梁截面上的剪力流分为开口截面剪力流和切口上的附加剪力流之和,利用这2种剪力流对切口引起的相对变形为零的条件,推导出计算单箱单室箱形截面扭转中心位置的显式表达式。数值算例表明：该公式正确,使用方便,可应用于箱梁结构分析与计算。     

曲线波形钢腹板箱梁竖向弯曲自振特性

为精确计算曲线波形钢腹板简支箱梁的竖向弯曲自振特性,考虑箱梁剪力滞和剪切变形双重效应,在假设箱梁翼板纵向位移函数的基础上,运用能量变分法和哈密顿原理推导了曲线波形钢腹板简支箱梁的弯曲自由振动微分方程,得到其竖向弯曲自振频率的解析解;建立有限元模型,将分析结果与推导的理论公式计算结果加以对比,并分析了跨径比、宽跨比和高跨比对竖向弯曲基频的影响。研究结果表明:本文竖向弯曲自振频率公式的计算结果与有限元分析结果差值在9%以内,且比初等梁理论计算精度高;剪力滞效应和剪切变形均削减了曲线波形钢腹板简支箱梁的刚度,使其竖向弯曲自振频率与初等梁理论的计算结果相比有所降低,同时考虑2种效应可能使竖向弯曲基频降低25%以上。剪力滞效应对竖向弯曲基频的影响随着跨径比和宽跨比的增大而增大,而高跨比变化时影响略有减小;剪切变形对竖向弯曲基频的影响随着宽跨比和高跨比的增大而增大,而跨径比变化时影响保持不变。对于不同参数取值的曲线波形钢腹板简支箱梁,竖向弯曲基频的剪切变形影响系数变化范围为5%～25%,而剪力滞效应的影响系数一般小于10%。在分析曲线波形钢腹板箱梁动力性能时应考虑剪切变形;当跨径比小于0.4,宽跨比小于0.1时,可忽略剪力滞效应的影响。     

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。     

考虑波纹钢腹板箱梁特点的挠度分析

基于波纹钢腹板箱梁特点,利用变分原理法,推导考虑箱梁剪力滞和剪切变形影响的波纹钢腹板箱梁挠度计算公式.结合室内模型试验和有限元分析,对该公式的有效性进行验证,并分析各影响因素对波纹钢腹板箱梁挠度的影响程度.分析结果表明:该公式的计算结果与试验和有限元分析的结果具有较高的一致性,表明该公式可用于波纹钢腹板箱梁设计和施工中的挠度计算,剪力滞对正应力分布有影响,剪切变形对正应力分布没有影响;与初等梁理论的计算结果比较,剪力滞效应和剪切变形分别增大波纹钢腹板箱梁挠度1.3%和44.7%.因此在实际计算波纹钢腹板箱梁挠度时,不可忽略剪力滞和剪切变形的影响.     

薄壁箱梁剪滞剪切效应自振特性分析

在推导考虑剪力滞、剪切变形双重效应的单元刚度矩阵与等效结点荷载矩阵的基础上[1],进一步推导出考虑双重效应的单元质量矩阵,从而形成完整的薄壁箱梁考虑双重效应的矩阵分析体系,可方便地纳入矩阵位移法程序系统,为常见的薄壁连续梁等复杂结构的剪力滞效应分析提供一种计算手段。利用自编程序ZLBOX对薄壁箱型简支梁和悬臂梁考虑剪力滞、剪切变形双重效应时的自振特性进行了分析,所得结果与ANSYS实体单元计算结果符合良好。计算结果表明,剪力滞、剪切变形双重效应使薄壁箱梁的自振频率降低,剪力滞效应占双重效应的85%以上,双重效应对高阶频率的影响比低阶频率的影响大。