理工大高等桥梁结构理论.docx
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1、浅谈箱梁的剪力滞效应Y摘要:目前箱梁是简支梁、连续梁、连续刚构、刚性系杆拱桥和混凝土斜拉桥等桥梁常用的主梁结构形式,它的空间受力性能问题也开头变得越来越突出,而其中剪力滞效应问题则成为了箱梁应用中需要重点争论的内容。本文阐述了剪力滞效应产生的缘由及其影响因素,并对当前普遍采纳的剪力滞分析方法进行了介绍,最终指出了目前箱梁剪力滞争论亟待解决的问题,提出了今后有待进一步争论的方向。关俊词:箱梁:剪力滞:产生缘由:影响因素:展望O引言在20世纪60年月末至70年月初,奥地利、英国、澳大利亚及德国相继发生了四起大跨径钢箱梁的重大事故,据各国专家分析,造成重大事故的直接缘由是设计理论上的失误,其中重要一
2、项就是对剪力滞未加考虑。近几年来,箱梁在我们国家大跨径桥梁、城市立交桥和高架桥中得到广泛的应用。但是我们国家现行桥梁设计法律规范中缺乏关于确定箱梁剪力滞效应的详细规定。所以在一般工程设计中忽视了这一问题,从而造成一些箱梁桥不断地发觉有横向裂缝。因此,箱梁的剪力滞问题引起各国桥梁专家的高度重视。近几十年来,国内外很多学者致力于该课题的争论,分别从解析理论、数值解法和模型试验等方面对剪力滞问题提出了很多新设想和新理论,并获得了很多的争论成果,部分成果已纳入法律规范之中,如英国法律规范和德国工业标准法律规范等。本文介绍了国内外有关箱梁剪力滞的争论成果、产生缘由及影响因素,并提出需解决的问题和今后争论
3、的方向。1箱梁剪力滞产生缘由1.1 箱梁的受力方式箱梁除拉压、水平弯曲、竖向弯曲外,还有扭转、翘曲和剪力滞共6种变形。前3种听从平截面假设的位移模式,现在来说一下后3种基本变形。作用在箱梁横向任意位置的垂直荷载ZP,可分解为下列三种等效荷载图示。图11荷载等效分解(1)对称纵向弯曲荷载产生剪力滞效应,见图Ma(2)刚性扭转荷载一一产生翘曲法向应力及剪应力,见图Llc(3)畸变荷载一一产生畸变翘曲法向应力及横向框架应力,见图Lldo初等梁理论不考虑剪切变形对纵向位移的影响,满意变形的平截面假定,因此,在对称竖向荷载作用下,弯曲正应力在横截面内匀称分布。然而对于箱形梁,特殊是宽箱梁来说,剪应力沿翼
4、缘横向分布很不匀称,剪切变形对纵向位移的影响相当大,下面来分析箱梁截面的剪力流。1.2 箱梁对称弯曲时的剪力流图1.2为薄壁箱梁的单元体dsXdz,厚度为t。沿横截面中心线处单位长度的剪力为:q=t上式称剪力夕为剪力流,Z为剪应力。图1.2箱梁单元体受力图依据文献则有剪力流:q=一亨Sy朱S、(I-I)11y此式实际上就是腹板的剪力流计算式。上面所争论的是对于开口截面而言,在开口截面的自由边缘处,其剪力流q=0o一般来说,箱梁的横截面是封闭的,也就是超静定的,因此,在确定其剪力流时,必需在箱形截面中任一位置处假想有虚构切口,将封闭的横截面视为开口截面。由于封闭截面假想有虚构切口,造成切口的剪力
5、流被切断,为此,必需在切口处分别作用一个未知附加剪力流5,中由截面中切口处的剪切变形协调条件来确定。箱形封闭截面薄壁中的总剪力流q等于开口截面的剪力流qo与附加剪力流5之和,即:q=q0+Qi再依据文献L箱梁总剪力流q为:q=q0+qi=-;(1)-tds当箱形截面关于y轴对称,且外力作用线与y轴重合时,外力不会对截面产生扭矩,附加剪力流qi=O,此时,箱梁剪力流按(I-I)式计算。其剪力流分布图为:图1.3箱梁剪力流分布图可见剪应力在翼缘板上的分布是不匀称的,在腹板与翼缘交界处,剪应力最大,离开腹板越远,剪应力就越小。即剪切变形沿翼缘的分布不匀称。产生弯曲的力通过腹板传递给翼缘板,由于翼板的
6、剪切变形的不匀称性而导致纵向正应力沿着翼板宽度方向呈不匀称分布,其间存在着传力的滞后现象,它与初等梁理论所得到的应力之间的差异,称为剪力滞效应。2箱梁剪力滞效应的影响因素2.1 腹板倾斜角度对剪力滞效应的影响上腹板剪力滞系数和下腹板剪力滞系数在不同的腹板倾斜角度时差别不大,可以推断腹板倾斜角度对箱梁截面剪力滞系数影响不大。腹板倾斜角度越大,下腹板宽度俞窄,上腹板剪力滞系数相应地减小,而下腹板剪力滞系数却增大。总的来说,腹板倾斜角度对剪力滞效应影响不敏感,在实际工程应用中可以用矩形截面来代替梯形截面进行剪力滞分析。2.2悬臂长度对剪力滞效应的影响顶板悬臂长度增大,顶板剪力滞系数增大,底板剪力滞系
7、数减小。悬臂长度对剪力滞效应有肯定影响。2.3 跨宽比L/3对剪力滞效应的膨响跨宽比L/B越大,剪力滞系数越小,连续梁剪力滞系数变化梯度较简支梁大,跨宽比对剪力滞效应影响相当大。2.4 /$/对剪力滞效应的影响翼缘板的刚度占梁总刚度的比IJl越大,箱梁剪力滞效应也随之增加,而且这种曲线的梯度在连续梁上更陡些。实际上,的变化也反映箱梁宽高比B/h的变化,B/h增大,剪力滞系数也增大,这说明宽箱梁的剪力滞系数要比窄箱梁的剪力滞系数严峻。2. 5不同荷载对剪力滞效应的影响(1)集中荷载作用下,剪力滞效应只对局部区域有影响。如本简支体系,集中荷载对剪力滞效应的影响在2m左右范围内;(2)愈靠近梁的支点
8、剪力滞系数愈大;2.1 均布荷载作用下剪力滞系数要比集中荷载作用下剪力滞系数小,而且跨中与支座的值相差不大,支座的值稍大些。3箱梁剪力滞的分析方法2.2 弹性理论解法(1)正交异性板法。正交异性板法是把肋板结构比拟成正交异性板,其肋的面积假定均摊在整个板上,然后应用弹性薄板理论,从边界条件动身,导出肋板结构的应力和挠度公式,获得剪滞问题的解。EReissner早在1938年把上下板为波纹状的悬臂矩形箱梁截面的剪力滞问题比拟成一正交异性板进行了分析和争论,并作了一些近似简化处理。蔡松柏、程翔云等将11形梁视为TimOShenko梁和平面应力板的组合,求得了在横向荷载和轴向偏压荷载作用下满意全部边
9、界条件和掌握方程的弹性力学解析解。(2)折板理论法。折板理论法是将箱梁离散为若干矩形板,以弹性平面应力理论和板的弯曲理论为基础,采用各板接合处的变形和静力平衡条件,建立方程组,可用矩阵形式进行计算。弹性折板理论首先是由Goldberg和Leve等提出并由DefriesSkeme和scor-delis写成矩阵形式而适应于计算机的分析。YoShimUrd将折板理论推广应用于曲线梁桥的剪力滞分析,并争论了曲率对剪滞效应的影响。(3)板壳理论将各种截面外形的箱梁看作为板单元和壳体单元的组合体,并分别采纳板的理论和筒壳理论加以处理。它于1976年由吉普逊和来特瓦利提出。弹性理论所求均为精确解,但其计算过
10、于繁琐,难于应用到简单的结构中,2.3 比拟杆法比拟杆法是将薄壁箱梁看成由很多抱负化的加劲杆组成,其间的薄板将加劲杆联在一起受力。这些抱负化的加劲杆承受轴力切面积等于实际加劲杆,而等效的薄板仅承受水平剪力。通过抱负化加劲杆的内力来确定每块板的剪力滞。最早是Younger,他提出了“加劲薄板理论”,即用等厚连续薄板来代替离散的纵向加劲肋,并假设由它承受全部的轴向荷载。后英国学者Evans和Taherian作了进一步的改进,提出了“三杆比拟法”理论,使之更适用于一般矩形箱梁结构的剪力滞分析。国内学者程翔云教授等在上述争论的基础上,提出了用样条函数靠近法求解高阶微分方程组。比拟杆法通过一些基本假设,
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