基于变分原理的波形钢腹板箱梁挠度计算解析法

该文通过在纵向位移函数中引入翘曲变形函数以及剪切转角来分别考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的影响,基于能量变分原理,提出一种波形钢腹板箱梁挠度计算的解析方法。并分别针对单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,将该文方法与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法及有限元值进行比较分析。结果表明:该文方法具有较高的准确性;剪切变形影响系数随高跨比和宽跨比的增大明显增大,而剪力滞效应影响系数受高跨比的变化影响较小。     

波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体动力冲击系数的计算分析

为合理分析和计算波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体的动力冲击系数,分别建立了波形钢腹板PC箱梁桥和车辆结构的振动方程,并根据车轮与桥面的接触关系形成两者耦合振动的动力方程。采用MATLAB和ANSYS软件分别建立了三维的车辆模型和波形钢腹板PC箱梁桥的有限元模型,并在考虑路面平整度随机激励的作用下,利用MATLAB软件求解了车桥耦合系统的动力方程,得到桥梁结点的位移振动响应;依据动位移与静位移的关系,计算出了波形钢腹板PC箱梁桥的局部及整体的动力冲击系数;对所求得的局部及整体动力冲击系数进行了不同车辆类型、不同车道数加载,不同行驶速度和不同路面情况下的参数分析,并与我国现行规范和美国现行AASHTO规范进行对比分析,最终提出了波形钢腹板PC简支箱梁桥局部及整体动力冲击系数的合理确定方法,所得结论可为波形钢腹板PC箱梁桥动力冲击系数的确定提供参考。     

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。     

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。     

变截面连续箱梁桥剪力滞及剪切变形双重效应分析的传递矩阵法

基于能量原理,考虑箱梁截面底板、顶板、悬臂板剪滞翘曲幅度一般各不相同的影响和轴力自平衡条件,计入腹板剪切变形,导出了箱梁的平衡控制微分方程组、边界条件;给出了该方程组在均布荷载作用下的初参数解,提出一种研究变截面连续箱梁桥剪力滞后效应的传递矩阵法。建立了相应的场矩阵和点矩阵,从而实现了变截面连续箱梁桥内力、应力及位移的一维递推求解。数值算例与模型试验及已有文献结果对比表明:该文方法计算精度好、效率高,为求解连续箱梁、变截面箱梁的剪力滞问题提供了强有力的计算手段。     

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。     

变高度悬臂箱梁剪力滞效应的半解析解EI北大核心CSCD

以等截面Euler梁的自由振动模态为Ritz基函数,提出了一种求解变高度箱梁剪力滞微分方程组的Ritz法。该方法首先进行与箱梁相同跨度相同边界条件等截面欧拉梁模态分析,然后将箱梁的竖向挠度和剪切转角用模态及其导数的线性组合来表达,从而将变分法所得箱梁剪力滞微分方程组转化为线性代数方程组进行求解。在此基础上,研究了参与计算模态阶数和截面高度变化率对计算误差的影响,算例分析结果表明:箱梁高度变化越大,Ritz法的收敛速度越慢;但随着参与计算模态阶数的增加,Ritz法将收敛到解析解。采用12阶以上模态进行计算,所得的剪力滞系数误差小于5%。     

变高度悬臂箱梁剪力滞效应的半解析解

以等截面Euler梁的自由振动模态为Ritz基函数,提出了一种求解变高度箱梁剪力滞微分方程组的Ritz法。该方法首先进行与箱梁相同跨度相同边界条件等截面欧拉梁模态分析,然后将箱梁的竖向挠度和剪切转角用模态及其导数的线性组合来表达,从而将变分法所得箱梁剪力滞微分方程组转化为线性代数方程组进行求解。在此基础上,研究了参与计算模态阶数和截面高度变化率对计算误差的影响,算例分析结果表明:箱梁高度变化越大,Ritz法的收敛速度越慢;但随着参与计算模态阶数的增加,Ritz法将收敛到解析解。采用12阶以上模态进行计算,所得的剪力滞系数误差小于5%。     

波形钢腹板PC箱梁桥的车桥耦合振动分析及动力冲击系数计算

为了科学合理地确定波形钢腹板PC简支箱梁桥的动力冲击系数,依据标准车辆的车轮与桥面的接触关系建立了车-桥系统耦合振动的动力方程。在考虑路面平整度随机激励的作用下,运用MATLAB软件编写了车桥耦合系统动力方程的求解程序,求得了波形钢腹板PC简支箱梁桥结点位移的振动响应,并进一步计算出了该桥型动力冲击系数的数值解。将求得的数值解与现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中动力冲击系数的规范值和文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式求得桥梁基频后获取的动力冲击系数进行对比分析。结果表明:在路面平整度为中的情况下,按照文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式在获取桥梁基频后求得的动力冲击系数,与JTG D60-2015规范中采用有限元法获取桥梁结构基频后求得的动力冲击系数以及与车桥耦合振动数值模拟获得的动力冲击系数值吻合良好,而与JTG D60-2015规范中给出的简支梁桥基频估算公式获取桥梁基频后求得的动力冲击系数有较大差异。     

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。     

变分原理分析连续箱梁开裂后的剪力滞效应

变分原理通常适用于箱形截面梁剪力滞效应弹性分析,基于换算截面法和解肢法,运用变分原理推导了钢筋混凝土连续箱梁均布荷载作用的剪力滞系数计算公式,考虑了混凝土开裂对连续箱梁剪力滞效应的影响,并与试验结果和规范方法进行了对比。分析表明混凝土开裂将引起连续箱梁剪力滞效应分布规律发生变化,且混凝土开裂对跨中截面翼缘有效分布宽度系数的影响较小,对中间支座截面的影响较大。本文方法力学概念明确,是其弹性分析适用范围的拓展,可广泛应用于连续箱梁开裂后的剪力滞效应分析。     

钢-混凝土组合箱型梁的滑移和剪力滞效应

该文提出了钢-混凝土组合箱型梁考虑滑移和剪力滞效应的理论模型。模型中引入了5个变量,分别包括混凝土板轴向位移、钢梁轴向位移、竖向挠度、混凝土板翘曲强度函数和钢梁翘曲强度函数,采用虚功原理得到了组合箱型梁的控制微分方程组,微分方程组可基于有限差分法求解。进而结合有限元精细模型分析手段,通过分析1座简支组合箱梁桥和1座两跨连续组合箱梁桥的滑移和剪力滞效应,验证了理论模型的准确性与适用性。最后以承受均布荷载的简支组合箱梁桥为基础,采用理论模型研究了压弯或拉弯荷载导致的梁柱效应以及预应力束布置方式对剪力滞效应的影响,并进一步分析了所提出的理论模型较之于之前研究者提出的理论模型所具备的优势。     

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。     

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。     

简支矩形深受弯箱梁静力性能试验研究

由于城市土地用途改变,冲沟回填筑路,原架空箱涵被掩埋并承受较大的附加土压力和车辆荷载,荷载工况的改变导致管道结构存在破坏风险。对山地城市排水干管常见的深受弯钢筋混凝土架空箱梁进行了模型静力加载试验,分析了此类箱梁的破坏形式、剪力滞效应和抗剪性能,讨论了现行有关设计规范对于箱涵抗弯承载力计算之不足,并对箱梁进行了非线性有限元模拟分析。研究表明:竖向均布荷载作用下,跨高比接近5的简支矩形深受弯箱梁的最终破坏为弯曲破坏。跨中截面无明显剪力滞现象,开裂前1/4跨截面剪力滞效应较明显,开裂后剪力滞效应逐渐削弱。箍筋作为主要的抗剪部件,在斜裂缝出现后承担着大部分剪力。非线性有限元模拟结果与试验结果吻合较好。对于按简支结构设计的排水箱涵在回填前应进行加固措施,避免排水箱涵过早开裂,影响管道的正常使用。     

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。     

单箱多室波形钢腹板PC组合梁桥动力特性试验研究

为了研究单箱多室波形钢腹板PC组合梁桥动力特性,参照南昌市朝阳大桥非通航孔桥,制作了三跨单箱两室PC连续波形钢腹板试验梁,并对模型桥和实桥进行动力测试。分别利用自互功率谱法和传递率法对动力特性进行分析,识别了试验梁前四阶模态参数和实桥前七阶模态参数;同时利用ANSYS程序建立实桥和模型桥的有限元分析模型,并进行动力特性分析;研究结果表明,除因实桥两幅之间横向工字钢连接,导致实桥理论和实测扭转1阶频率相差较大外,实桥各阶理论与实测频率相差较小,振型一致;试验梁低阶频率理论值与实测值能较好吻合。研究设计制作的波形钢腹板缩尺试验梁及测试结果正确,试验梁能较好体现实桥动力特性;传递率法可较好识别该类桥梁结构的模态参数。     

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。     

波形钢腹板PC组合箱梁纯扭作用下抗扭承载力试验研究

为了更好的了解波形钢腹板PC组合箱梁扭转力学机理及其抗扭承载力影响因素,该文通过模型试验的方法,对4根波形钢腹板PC组合箱梁模型进行纯扭作用下的承载力研究。通过偏心加载的方式对模型梁施加单调纯扭矩。试验结果表明:波形钢腹板PC组合箱梁在纯扭作用下,混凝土顶、底板裂缝方向与梁纵轴线基本成45°角;截面中心纵向钢筋对组合箱梁抗扭贡献不大;抗扭刚度与波形参数η成正比;钢腹板屈服扭矩与组合箱梁极限扭矩随着钢腹板厚度的增加而增大。