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薄壁箱梁剪力滞效应的理论分析与试验研究

张玉红  
【摘要】:随着箱形梁桥向长悬臂板、大肋间距的简洁型单箱单室截面方向发展,其剪力滞效应日益受到人们关注。近年来,许多专家、学者致力于箱梁剪力滞效应的研究,取得了一些研究成果,但仍有一些问题没有得到解决,特别是在变截面箱梁和曲线箱梁的剪力滞效应方面,有必要进一步深入开展研究工作。 本文以薄壁杆理论为基础,应用薄壁箱梁结构分析的能量泛函变分原理,建立了一套适合于薄壁箱梁的弯曲、弯扭、压弯和剪力滞效应的理论分析和计算方法,主要侧重于薄壁箱梁剪力滞效应的理论分析、试验研究及其对桥梁结构行为的影响。本文共有6章,第1章综述了薄壁箱梁剪力滞的研究理论和研究方法;第2章基于最小势能原理,分别建立了是否考虑剪切变形影响的剪力滞弹性力学求解的控制微分方程,结合边界条件,给出了剪力滞计算公式;第3章介绍了负剪力滞效应及其产生的机理,分析了悬臂箱梁和连续梁的负剪力滞及其影响因素;第4、5章利用能量变分法建立了薄壁曲线箱梁剪力滞效应的控制微分方程并给出了特定边界条件下的解析表达式,通过模型试验对曲线箱梁的力学特性、剪力滞效应进行了分析,研究了预应力对曲线箱梁剪力滞效应的影响;第6章对几种典型的单箱截面桥梁的剪力滞系数进行了三种计算方法的求解与分析,研究了几个典型桥梁考虑施工阶段的剪力滞分布规律。本文主要完成了以下工作: 1.以具有代表性的梯形箱梁为分析对象,结合薄壁杆理论和能量泛函变分原理,建立了薄壁箱梁弯曲和弯扭剪力滞效应的弹性力学求解体系,完善了薄壁箱梁剪力滞计算方法。 2.根据是否考虑剪切变形,构造了薄壁箱梁的剪力滞翘曲位移函数,依据能量泛函变分原理,分别建立了两种情况的剪力滞弹性力学求解的控制微分方程;结合边界条件,利用数学方法给出了控制微分方程的闭合解;给出了考虑剪力滞效应时简支梁和连续梁在集中荷载和均布荷载作用下应力和挠度的计算表达式;依据计算结果探讨了剪切变形效应对剪力滞效应的影响;结合计算实例对推导的理论公式进行了验证。 3.以悬臂箱梁和连续梁为例,阐述了负剪力滞现象及其产生机理,确定了正、负剪力滞效应的临界点,分析了剪切变形、泊松比、跨宽比、宽高比、宽厚比及刚度比等因素对悬臂梁和连续梁负剪力滞效应的影响。 4.针对薄壁曲线箱梁,依据薄壁曲杆理论,在曲线箱梁翼缘板的基本变形中补充了剪力滞翘曲位移函数,考虑曲线箱梁约束扭转时二次剪切变形对翘曲位移的影响,用能量变分原理建立了曲线箱梁剪力滞效应分析的控制微分方程及相应边界条件,将薄壁直线箱梁剪力滞的能量泛函变分原理推广到了曲线箱梁中,建立了弯、扭、剪力滞耦合的弹性控制微分方程,给出了计算简支曲梁的剪力滞计算解析表达式,并通过算例进行了验证;制作了有机玻璃模型,对两跨独柱支撑连续曲线刚构的剪力滞效应进行了试验研究,对该类型桥梁的设计和施工提供了科学依据。探讨了预应力曲线箱梁的剪力滞效应特点,采用理论分析与模型试验对比分析方法探讨了预应力对曲线箱梁剪力滞的影响。 5.应用变分法和Ansys有限元法对几种典型单箱截面桥梁进行剪力滞效应的分析与对比研究,得到了剪力滞效应对桥梁结构行为的影响规律,基于这些成果对箱形梁的设计给出了一些建议,对于同类型桥梁的剪力滞效应的研究和初步设计具有参考意义。


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