考虑温度和剪切变形的改进型波形钢腹板组合箱梁动力特性研究

为了精确分析温度效应和剪切变形效应对改进型波形钢腹板组合箱梁自振特性的影响,提出一种考虑温度效应和剪切变形效应的改进型波形钢腹板组合箱梁自振特性分析方法。综合考虑温度、剪切变形和波形钢腹板刚度修正的影响,运用应力等效原则推导出改进型波形钢腹板组合箱梁的自振频率解析公式;利用实桥ANSYS有限元分析结果和试验实测结果对自振频率解析公式的正确性进行了验证;分析了温度等效轴向偏心力变化、弹性模量变化、剪切变形效应、不同高跨比和不同宽跨比下温度效应对该桥型自振频率的影响。结果表明：温度效应对改进型波形钢腹板组合箱梁的基频影响较大,计算该桥型的基频时需要考虑温度效应的影响;波形钢腹板的剪切变形效应对该桥型自振频率的影响较为显著,从第4阶自振频率开始剪切变形的影响已超过50%;不同高跨比下温度效应对基频的影响较大,且随着高跨比的增大呈线性急剧增大;不同宽跨比下温度效应对自振频率的影响较小,可以忽略不计。研究成果可为改进型波形钢腹板组合箱梁的自振频率计算和分析提供参考依据。     

多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥竖向弯曲振动频率的计算

为合理计算多跨(跨度相等)等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥的竖向弯曲振动频率,运用能量变分原理、Hamilton原理及力法方程,建立了该类型箱梁在发生自由弯曲振动时考虑箱梁剪力滞效应、波形钢腹板剪切效应及两者耦合效应的频率方程。求解该频率方程获得了多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥竖向弯曲振动频率的求解公式,所得计算公式的正确性得到了室内模型试验实测值、已建实桥实测值和三维有限元值的验证。随后分析了箱梁剪力滞效应、波形钢腹板剪切效应、波形钢腹板剪切模量修正、箱梁宽跨比变化以及不同波形形状对等截面波形钢腹板PC连续箱梁竖向弯曲振动频率的影响。所得结论可为同类型桥梁的竖向弯曲振动频率的计算提供参考。     

钢-超高性能混凝土组合箱梁弹性弯曲性能试验研究及解析解

钢-超高性能混凝土(Ultrahigh performance concrete,以下简称UHPC)组合箱型桥面系在大跨径桥梁建设中具有良好的应用前景。以实际桥梁工程为背景,设计两个大比例钢-UHPC组合箱梁模型试验,主要研究弹性状态下的组合箱梁的弯曲受力行为,重点测试试件加载过程中挠度、应变分布等;建立同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的组合箱梁分析模型,并推导得出解析解。研究结果表明:集中荷载作用下钢-UHPC组合箱梁的剪力滞效应显著,UHPC板跨中截面纵向压应变的最大值与最小值之比约为5~7;UHPC板厚越大,钢-UHPC组合箱梁的刚度越大,相同荷载下,UHPC板和钢梁应变越小;该文同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的解析解与试验结果基本吻合,相比于不考虑钢腹板剪切变形的模型结果具有明显改善。     

薄壁箱梁剪力滞效应分析的初参数法

选取剪力滞效应引起的附加挠度作为广义位移,在定义新的剪力滞广义力矩及广义翘曲位移函数基础上,将薄壁箱梁的剪力滞变形状态从初等梁挠曲变形状态中分离出来作为一种独立的基本变形状态进行分析。对广义翘曲位移函数引入两个修正系数以充分考虑剪力滞翘曲应力的自平衡条件。提出了剪力滞翘曲应力的简便计算公式,它与初等梁弯曲应力公式具有相同的形式。用能量变分法建立了剪力滞控制微分方程,以广义力矩、广义剪力、附加挠度及其变化率作为四个初参数,给出了微分方程的初参数解。对两跨连续箱梁模型的应力计算表明:本文计算值与实测值及其它文献给出的计算值均吻合良好,从而验证了该文分析方法的正确性。挠度计算表明:剪力滞效应使该箱梁在集中荷载和均布荷载作用下的跨中挠度分别增大17%和16%。     

波形钢腹板梁变形计算的有效刚度法

为研究波形钢腹板剪切变形对波形钢腹板梁受力行为的影响,引入腹板剪切变形转角函数,将波形钢腹板梁的弯曲行为分解为桁架作用和弯曲作用,建立一个能够考虑波形钢腹板剪切变形的波形钢腹板梁理论模型,推导了简支和悬臂波形钢腹板梁在不同类型荷载作用下的变形解析解,采用有限元方法验证了理论模型和解析解的正确性和适用性。根据变形等效原理,引入重要影响参数对波形钢腹板梁的变形解析解进行简化,提出了考虑腹板剪切行为的波形钢腹板梁变形简化计算方法——有效刚度法。用该文提出的有效刚度法计算波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的变形值和试验结果吻合良好,为波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的挠度计算提供一种准确性较高的简化计算方法。     

考虑剪切变形时薄壁箱梁的挠曲分析

为分析剪切效应对薄壁箱梁受力特性的影响,利用微板的面内剪切及平衡微分方程,分别推导出不考虑和考虑薄壁箱梁各板面内剪切效应的弯曲位移函数。选取剪切效应引起的附加挠度作为广义位移,通过定义的剪切广义力矩及剪切翘曲位移函数,将剪切变形状态从全梁挠曲变形状态中分离出来,作为独立的变形状态进行分析。为满足全截面翘曲应力的自平衡条件,引入两个截面特性参数对广义剪切翘曲位移函数进行了修正。数值算例表明,按该文推导的薄壁箱梁剪切弯曲位移函数计算的两跨连续梁跨中截面应力与实测值及有限元值吻合良好。挠度计算表明:剪切效应使得该箱梁在集中和均布荷载作用下跨中挠度分别增大27%和24%。     

波形钢腹板组合槽型梁剪切挠度计算方法与试验研究

为了提出适用于波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度的计算方法,分析了荷载作用下组合梁的受力特点和截面上的剪应力分布规律,推导了剪应变的几何方程,提出了支反力-荷载分段函数的计算模式,通过对几何方程进行积分,建立了波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度计算公式。该公式能够计算多个集中荷载和均布荷载同时作用下的剪切挠度,并适用于波形钢腹板组合梁的其它截面形式。通过4片波形钢腹板组合槽型梁和1片波形钢腹板组合工形梁的静载试验和有限元分析,验证了剪切挠度计算公式的准确性。试验研究表明:对于5片缩尺试验梁,不考虑剪切变形的影响,挠度值偏小约20%,而采用该文考虑剪切变形影响的挠度公式计算的理论值与实测值吻合良好。     

单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力分析

为研究单箱多室波形钢腹板箱梁桥在车轮荷载下的横向受力特点及有效分布宽度,建立了单箱单室、双室、三室波形钢腹板箱梁的有限元模型,对比分析了3种截面箱梁的横向应力和有效分布宽度的规律。通过缩尺模型梁试验,验证了有限元分析结果。通过研究发现,单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力可近似简化为单室箱梁,但按照目前规范计算波形钢腹板箱梁的有效分布宽度存在较大误差。利用有限元模型,研究了荷载横向作用位置、腹板中心间距、悬臂板长度、顶板厚度、波形钢腹板尺寸及类型等参数对单箱单室箱梁有效分布宽度的影响,结果表明荷载横向作用位置和箱室腹板中心间距是最重要影响因素。通过对参数分析结果进行曲面拟合,得到了单箱单室波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算公式;单箱多室箱梁有效分布宽度可按0.9倍的单室箱梁有效分布宽度计算。最后,以某单箱三室波形钢腹板箱梁桥为例,按照该文公式求得有效分布宽度,采用弹性框架法计算了横向单点和多点车轮荷载作用下箱梁的顶板横向应力,并与有限元模型、桥规方法计算结果进行了对比,发现:横向多点车轮加载时,忽略不同箱室有效分布宽度的差异会使横向应力计算结果偏不安全,建议采用该文提出的应力折减系数考虑此因素影响;按照该文方法计算的横向应力结果更精确,与规范方法相比误差可减小20%~40%。     

波形钢腹板组合工字梁的振动特性

为分析波形钢腹板组合工字梁的弯曲振动频率及其动力反应特性,综合考虑剪切变形、转动惯量、剪滞翘曲应力自平衡和腹板褶皱效应等多重因素的影响,对组合工字梁上、下翼板设立2个不同的纵向翘曲动位移差函数,基于能量变分法和Hamilton原理建立该类结构的弹性控制微分方程和自然边界条件,获得相应广义位移的闭合解,结合数值算例计算了不同边界条件下组合工字梁的固有频率,详细分析了剪力滞效应和翘曲应力自平衡对组合工字梁振动特性的影响。研究结果表明：该闭合解计算结果与ANSYS有限元值吻合良好,且计算精度明显提高;剪力滞效应降低了组合工字梁的竖向刚度,其影响随频率阶数的升高而增大,随跨宽比的增大而减小;与简支组合梁相比,两端固支组合梁的频率值受剪力滞效应的影响更大;翘曲应力自平衡对组合工字梁自振频率的贡献值小于5%,对翼板动应力幅值的影响可达10%以上;在进行该类结构动力特性分析时平截面假定不再适用。     

波形钢腹板组合梁桥横向受力研究

该文结合波形钢腹板箱梁的受力特性,考虑了波形钢腹板箱梁横向受力产生的周边不变形的约束扭转和畸变翘曲,对波形钢腹板组合梁桥横向受力进行研究,提出了波形钢腹板箱梁横向受力计算模型;并针对波形钢腹板箱梁实桥进行了试验研究和有限元计算,验证了横向受力计算模型的有效性。对比我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中混凝土箱梁桥横向设计要求,研究表明提高横向设计弯矩系数即可实现波形钢腹板箱梁桥的横向设计安全。     

薄壁曲线箱梁考虑材料弹塑性的剪力滞效应

依据势能变分原理,推导了薄壁曲线箱梁考虑翼缘应力剪力滞效应和材料非线性的刚度矩阵。采用样条有限点法和截面内力塑性系数法对薄壁曲线箱梁的弹塑性问题进行了求解。研究表明:弯曲剪力滞效应系数的非线性特征较挠度和扭转角的要明显;在荷载达到一定程度时,随荷载的增加,箱梁截面上的翼缘应力的分布逐渐均匀。该文的方法简单、实用,并可推广于变截面、变曲率薄壁曲线箱梁的计算。     

大跨波形钢腹板箱梁桥日照温度场及温差效应研究

针对目前我国桥涵设计规范未给出波形钢腹板箱梁日照温度梯度,和其温度梯度研究工作的不足。以港珠澳大桥连接线工程某特大跨波形钢腹板连续箱梁桥为研究对象,对其波形钢腹板箱室断面,进行了3 d的日照温度场观测。研究了其日照温度场分布规律,继而提出波形钢腹板箱梁竖向和横向温度梯度数学计算模型,并对温差参数的取值进行了探讨。结合现场实测数据和有限元软件,对比不同温度梯度模式的温差计算值,分析了其温差效应。研究结果表明:实测波形钢腹板箱梁温度场分布与传统箱梁相差较大;温度梯度模式为指数函数和线性函数组成的分段函数;该模式计算得到的竖向及横向温差值与实测结果十分吻合,其他模式与实测结果相差较大;由于温差效应影响,顶板中轴线下缘产生了较大的横向拉应力,设计中应给予关注。该模式可为不同气候条件地区同类桥梁温度荷载计算提供重要参考。     

单箱多室波形钢腹板组合箱梁的腹板剪应力分析

为研究单箱多室波形钢腹板组合箱梁的腹板受力特性,建立了单箱双室和单箱三室波形钢腹板组合梁的有限元模型,并与模型试验结果进行了对比验证。通过有限元分析得到了不同类型的横向对称和偏心荷载作用下各波形钢腹板剪应变的结果,并对单箱多室波形钢腹板组合箱梁各腹板剪应力分布的不均匀现象的特点和原因进行研究。结果表明:集中荷载和均布线荷载的横向作用位置不同时,单箱多室波形钢腹板组合箱梁各腹板的剪应力差异显著,对称荷载作用下的单个腹板实际剪应力与横截面所有腹板平均剪应力的比值可达2.0以上,偏心荷载作用下则超过4.5,设计计算时须考虑各腹板剪应力的不均匀分布;均布面荷载作用下各腹板的剪应力可近似按均匀分布计算。根据腹板剪应力特点,提出单箱多室波形钢腹板组合箱梁的钢腹板剪应力计算应包括弯曲剪应力、扭转剪应力以及局部畸变产生的剪应力。     

基于弹性扭转约束边界的波形钢板整体剪切屈曲分析

波形钢板的整体剪切屈曲对波形钢腹板PC组合箱梁桥的竖向抗剪设计有重要意义。该文在正交各向异性薄板理论的基础上,利用势能驻值原理和瑞利-里兹法,推导了基于弹性扭转约束边界的波形钢板弹性整体剪切屈曲荷载的分析方法,并给出了几种特殊边界条件下的简化计算公式。计算结果表明:对于四边简支板和四边嵌固板,该方法与现有公式计算结果一致;波形钢板强抗弯刚度方向上的约束条件是影响其整体剪切屈曲的决定性因素,随着该方向上约束的增强,屈曲模式将从四边简支情况向四边嵌固情况过渡;弱抗弯刚度方向上约束条件的影响很小,可以忽略。最后给出了将波形钢板在实际梁结构中受到的边界约束等效为弹性扭转弹簧的方法。     

波形钢腹板组合槽形梁抗扭性能试验研究

为了研究新型结构预应力波形钢腹板组合槽形梁的抗扭性能,基于约束扭转理论,推导了波形钢腹板组合槽形梁的约束扭转翘曲应力表达式和扇形惯性矩;考虑了波形钢腹板的褶皱效应对纵向刚度的影响,计入波形钢腹板的剪切变形对约束扭转刚度的降低,得到了扇形惯性矩修正公式;最终建立了集中扭矩作用下的扭转角计算公式。完成了2片波形钢腹板组合槽形试验梁的偏载试验和3片相同梁的对称加载试验,试验表明:90 kN以内的偏载作用下,试验梁的荷载-位移曲线基本呈线性;试验梁两侧竖向位移的平均值与对称荷载作用下的竖向位移基本相同;试验梁的偏载系数位于1.2~1.3,比波形钢腹板组合箱梁增大10%左右。理论计算、试验测试和有限元分析表明:该文建立的扭转角计算公式采用修正过的扇形惯性矩进行计算,具有良好的精度。