箱形梁橋剪滯效應(yīng)和溫度效應(yīng)理論研究及其應(yīng)用.pdf

1、隨著箱梁向長懸臂板、大肋間距的簡潔型單箱單室截面方向發(fā)展，其剪滯效應(yīng)日益受到人們關(guān)注。近年來，許多學者致力于箱形梁剪滯效應(yīng)的研究，取得了一些研究成果，但仍有一些問題沒有很好解決，特別是在曲線箱梁和斜交箱梁的剪滯效應(yīng)分析方面，有必要進一步開展研究工作。溫度效應(yīng)被認為是導致大跨度箱梁橋產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，但目前在斜交箱梁等復雜結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)方面研究甚少。本文主要針對箱形梁橋的剪滯效應(yīng)和溫度效應(yīng)開展研究，主要工作和成果如下： 針對

2、一般單箱單室梯形截面箱梁，用能量變分法建立了剪滯效應(yīng)分析的理論體系。首次明確定義了與剪滯廣義位移相應(yīng)的廣義力矩(剪滯力矩)，結(jié)合懸臂箱梁、簡支箱梁、連續(xù)箱梁及變截面箱梁，分析了剪滯力矩的數(shù)值大小及分布規(guī)律，結(jié)果表明，在豎向荷載作用下，剪滯力矩與彎矩是兩個非常相近的截面內(nèi)力。引入剪滯翹曲慣性矩和慣性積等截面幾何特性后，提出了用截面內(nèi)力和幾何特性計算箱梁應(yīng)力的普遍公式，是對材料力學中初等梁彎曲應(yīng)力公式的推廣。模型試驗結(jié)果驗證了所提出的公式的

3、正確性。 提出了一種分析箱形梁剪滯效應(yīng)的一維有限元法。選取剪滯微分方程的齊次解作為單元位移函數(shù)，以位移函數(shù)中的積分常數(shù)為中間轉(zhuǎn)換變量，推導了計入剪滯變形時箱梁單元剛度矩陣中各元素的具體表達式。針對常見的豎向均布荷載和集中荷載，在剪滯微分方程基礎(chǔ)上，利用得到的單元剛度矩陣及虛功原理，進一步推導了單元等效節(jié)點力向量中各元素的具體表達式。編制了箱梁剪滯效應(yīng)分析的一維有限元電算程序BOXSL，利用該程序計算了變截面懸臂箱梁和兩跨連續(xù)箱梁

4、模型，計算值與實測值吻合良好。 以薄壁曲桿理論為基礎(chǔ)，考慮曲線箱梁約束扭轉(zhuǎn)時二次剪切變形對翹曲位移的影響，用能量變分法建立了曲線箱梁剪滯效應(yīng)分析的控制微分方程及相應(yīng)邊界條件，用伽遼金數(shù)值方法進行求解。在導出的微分方程中，如果用扭轉(zhuǎn)角的一階導數(shù)代替扭翹位移，則蛻變?yōu)榍€箱梁剪滯效應(yīng)分析的有關(guān)文獻中的相應(yīng)微分方程；如果取梁軸曲率半徑為無窮大，則得到相應(yīng)直線箱梁的微分方程；當不考慮剪滯效應(yīng)，且用扭角的一階導數(shù)代替扭翹位移時，則得到符拉

5、索夫方程。因此，所建立的微分方程更具一般性。模型試驗結(jié)果驗證了基本方程的正確性。 將薄板彎曲問題的廣義協(xié)調(diào)元與平面應(yīng)力問題的薄膜單元組合得到平板殼元，首次對斜交箱梁的剪滯效應(yīng)進行了有限元數(shù)值分析。在定義斜交箱梁剪滯系數(shù)的基礎(chǔ)上，分析豎向集中荷載和均布荷載作用下斜交連續(xù)箱梁的剪滯效應(yīng)縱、橫向分布規(guī)律，并與相應(yīng)正交箱梁進行了比較。結(jié)果表明，在均布荷載作用下，斜交連續(xù)箱梁的負剪滯效應(yīng)要比相應(yīng)正交箱梁更為顯著，斜交連續(xù)箱梁中支點斷面上具

6、有很大的剪滯系數(shù)，且兩腹板位置處剪滯系數(shù)的差別也很大，斜度對它們具有顯著影響，但對箱梁各斷面中心處剪滯系數(shù)的影響很小。 通過引入三個廣義位移，考慮鐵木辛柯剪切效應(yīng)，建立了寬翼緣T梁剪滯效應(yīng)分析的基本微分方程及邊界條件，有助于提高撓度計算精度，但剪滯效應(yīng)與鐵木辛柯剪切效應(yīng)彼此獨立。為了進一步考慮腹板剪切變形對翼緣板剪滯效應(yīng)的影響，提出了“雙翹曲函數(shù)法”，通過對翼緣板和腹板分別引入廣義翹曲位移函數(shù)U1(x)和U2(x)，用能量變分法

7、建立了相應(yīng)控制微分方程及邊界條件。 在翼緣板和腹板的相對溫度變化作用下，寬翼緣梁撓曲時仍具有“剪滯效應(yīng)”。從彈性力學平面應(yīng)力問題的分析方法入手，通過建立翼緣板與腹板連接處的變形協(xié)調(diào)條件及平衡條件作為補充方程，求解應(yīng)力函數(shù)中的積分常數(shù)，提出了寬翼緣T梁翼緣板和腹板的溫度應(yīng)力解析理論，推導了其溫度應(yīng)力具體表達式。得到的公式能夠客觀反映寬翼緣T梁在溫度變化作用下?lián)锨鷷r的應(yīng)力不均勻分布特點，自動考慮了翼緣板的“剪滯效應(yīng)”。數(shù)值算例表明計

8、算理論正確，級數(shù)收斂快，具有較高的計算效率。 將連續(xù)箱梁橋在豎向日照溫度梯度作用下各縱向纖維的自約束作用產(chǎn)生的變形曲率與梁體受外部多余約束作用產(chǎn)生的變形曲率同時考慮，根據(jù)截面靜力平衡條件及變形協(xié)調(diào)條件，直接導出了日照總溫度應(yīng)力的一般公式。結(jié)合我國橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定的日照溫度梯度模式，提出了計算溫度初內(nèi)力、次內(nèi)力及溫度應(yīng)力的實用方法，系統(tǒng)分析了變截面連續(xù)箱梁橋的日照溫度應(yīng)力分布規(guī)律。研究表明，在變截面連續(xù)箱梁橋設(shè)計中當考慮日照溫度作

9、用時，應(yīng)特別關(guān)注主跨跨中正截而抗裂性及中間支點附近斜截面抗裂性驗算。 基于斜交箱梁的簡化力學模型，提出了單跨斜交箱梁和多跨斜交連續(xù)箱梁的日照溫度次內(nèi)力及溫度效應(yīng)計算方法，詳細分析了斜度和彎扭剛度比對單跨和多跨斜交連續(xù)箱梁日照溫度效應(yīng)的影響，繪制的大量曲線顯示了其影響規(guī)律。研究表明，無論是多跨斜交連續(xù)箱梁還是單跨斜交箱梁，在豎向日照溫度梯度作用下都會產(chǎn)生溫度次內(nèi)力，其中次彎矩和次扭矩較大；由于存在彎扭耦合受力特性，斜度和彎扭剛度比