连续曲线箱梁剪力滞效应分析概要Word下载.docx

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箱梁在对称荷载作用下挠曲时,由于翼板的剪切

变形致使弯曲应力沿梁宽方向的横向分布呈现不均匀状态,即所谓“剪力滞”效应。

在20世纪60年代末至70年代初,奥地利、英国、澳大利亚及德国相继发生了4起大跨径钢箱梁的重大事故,其直接原因是在设计

时忽略了剪力滞的影响,从而低估了箱梁结构实际产生的应力,造成结构的不安全。

近几年来,随着城市立交桥和高架桥建设的迅速发展,箱梁桥尤其是与单柱墩配合修建的曲线箱梁桥,因具有外形简洁、美观、占地少、桥下通视良好等优点得到了广泛的应用,但是我国现行桥梁设计规范对箱梁的剪力滞效应仅提出可参照T形梁的规定处理。

因此,提出实用的剪力滞系数计算图表很有现实意义。

近几十年来,国内外许多学者对剪力滞效应做了大量研究。

直线箱梁的剪力滞理论已经趋于成熟,但曲线箱梁由于存在曲率,弯扭耦合效应明显,使曲线箱梁的力学分析十分复杂,研究曲线箱梁的剪力滞效应具有其特殊性。

在曲线箱梁的剪力滞系数实用计算法研究方面,已有文献归纳了简支梁和两跨连续梁的剪力滞特点,认为剪力滞与梁的曲率半径、宽跨比、宽高比、宽厚比、板厚比、斜腹板倾角、荷载类型等因素有关,并就曲率半径和宽跨比两个重要参数编制了实用计算表。

但是,两跨连续梁并不能代表多跨连续梁的

主要控制断面,三跨连续梁才更具有一般性。

本文以

三跨连续梁为例,系统地分析了连续曲线箱梁剪力滞

的分布规律和特点,进而编制实用计算表。

2　研究对象及建模加载

本文以某立交工程曲线匝道桥为例,即以曲率半径75m,跨径布置3×

30m的三跨连续曲梁为研究对象进行剪力滞分析计算。

上部结构为单箱单室截面,桥面宽8m,梁高1.5m。

纵、横断面布置见图1。

图中两端支点断面的端横梁向两侧均伸出1m,这样可增大端部两个支座间距,从而减小端部扭矩产生的支座负反力。

中间支座断面的中横梁不伸出腹板,仅将箱梁一般断面填实,图中未示出。

采用大型通用有限元分析程序ANSYS中的板壳单元模拟箱梁的顶板、底板和腹板,用块体单元模拟端横梁和中横梁进行剪力滞数值计算。

下文提及的跨中截面为三跨连续梁中跨跨中截面,中间支座截面为任一中间支座处横隔梁外侧距离1m的箱梁截面。

计算剪力滞效应主要考虑两种荷载形式:

跨中对称集中荷载（取P=100kN和全跨对称均布荷载（取q=10kN/m,加载示意如图2所示。

3　横向效应分析

曲率半径R=75、150、300m（分别代表小曲率半

第24卷　第4期

2004年8月

　　　　　　　　　　　　　　　中　外　公　路　　　　　　　　　　　　　

61

径、中等曲率半径、大曲率半径曲梁和直桥4种不同曲率半径的三跨连续梁,集中荷载和均布荷载作用下

跨中截面和中间支座截面的剪力滞系数分布规律如图3、图4所示

。

图1　纵横断面布置图（单位:

cm

图2　加载示意图

　　从图3、图4中可以得出以下规律:

（1曲线箱梁的内外侧剪力滞系数不同,外侧大内侧小,且随着曲率半径增大,外侧剪力滞系数减小,

内侧剪力滞系数增大,内外侧剪力滞系数差距缩小,至

直线桥时,内外侧剪力滞系数完全对称

图3　

跨中截面顶板剪力滞系数横向分布图

图4　中间支座截面顶板剪力滞系数横向分布图

　　（2曲线箱梁横截面中心处的剪力滞系数不受曲

率半径的影响。

（3跨中截面顶板剪力滞系数在集中荷载作用下随曲率半径变化较小,而在均布荷载作用下随曲率半

径变化较为明显。

（4中间支座截面顶板剪力滞分布图中出现两个峰值平台,这可能是中横梁的约束作用引起的。

（5相同曲率半径的曲线梁桥,跨中截面集中荷

26　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中　外　公　路　　　　　　　　　　　　　　　　　　24卷　

载作用下剪力滞效应大,均布荷载作用下剪力滞效应小;

中间支座截面集中荷载和均布荷载作用下的剪力滞效应相差不大,均布荷载作用下稍大些。

经计算表明,箱梁底板也存在剪力滞现象,但远没有顶板严重。

就跨中截面而言,集中荷载作用下最大值为1.263,而顶板为1.496;

均布荷载作用下最大值为1.085,而顶板为1.134。

因此,下面的研究主要讨论曲线箱梁顶板的剪力滞效应

4　纵向效应分析

曲线箱梁横截面上外腹板与顶板相交处剪力滞系数（以下简称为外侧剪力滞系数最大,为了解它沿桥跨曲线纵向的变化规律,计算不同曲率半径的三跨连续梁在集中荷载和均

布荷载作用下沿桥跨曲线纵向的外侧剪力滞系数,见图5所示。

从图5中可以得出以下规律:

（1随着曲率半径减小,曲线箱梁的纵向剪力滞效应加剧。

（2均布荷载作用下,沿桥跨曲线纵向存在正负,,负弯（,由于此两处初等梁应力值,故此两处剪力滞系数趋于正负无穷大。

剪力滞效应最大的位置在中间支座截面附近。

（3集中荷载作用下,沿桥跨曲线纵向任何截面均不出现负剪力滞现象,剪力滞效应最大的位置在中跨跨中截面,其次是边跨跨中截面。

图5　顶板外侧剪力滞系数纵向分布图

　　（4集中荷载作用下的剪力滞影响区域相对集中,而均布荷载作用下纵向分布区域比较均匀。

5　影响曲线箱梁剪力滞效应的主要结

构参数分析

已有的研究表明,曲线箱梁的剪力滞效应与曲率半径、宽跨比、宽高比、宽厚比、板厚比、斜腹板倾角等结构参数有关,但曲率半径和宽跨比是两个最为重要的参数,其他参数对剪力滞的影响较小。

因此,本文只研究曲率半径和宽跨比对剪力滞效应的影响。

5.1　曲率半径的影响分析

增加曲率半径R=50、100、200m三个曲线箱梁模型进行有限元分析计算。

将不同曲率半径的箱梁桥在集中、均布荷载作用下中跨跨中截面和中间支座截面顶板和内外侧腹板相交处的剪力滞系数绘制成图6

所示。

从图6可知:

（1顶板外侧剪力滞系数随着曲率半径的增大而减小,顶板内侧剪力滞系数随着曲率半径的增大而增大。

（2就中跨跨中截面而言,集中荷载下的剪力滞

效应比均布荷载下大很多,当曲率半径大于300m时,两种荷载作用下顶板内外侧剪力滞系数均越来越接近,此时按直线箱梁桥计算剪力滞系数不会产生较大误差。

（3就中间支座截面而言,集中荷载下的剪力滞效应比均布荷载下稍小,两种荷载作用下顶板内外侧剪力滞系数随曲率半径变化较缓,而从曲率半径300m的大半径曲线箱梁变化到直线箱梁较急。

5.2　宽跨比的影响分析

宽跨比定义为曲线箱梁两腹板中心间距与梁轴线长度之比（2b/L。

上述建立的有限元模型中2b=3.5m,L=30m,2b/L=0.117。

按箱梁截面不变（2b不

3

64期　　　　　　　　　　　　　　　连续曲线箱梁剪力滞效应分析　　　　　　　　　　　　　　　

变,将跨径L变化,使2b/L=0.2、0.3,仍然考虑R=75、150、300m、直桥4种情况分别进行有限元分析计算。

按2b/L=0.117、0.2、0.3的剪力滞系数计算结果

拟合经验公式,为使剪力滞系数实用计算表通用简洁,

2b/L=0.117按2b/L=0.1拟合经验公式计算结果,列入表1中。

宽跨比的影响如图7、图8

图6　顶板内外侧剪力滞系数随曲率半径变化表1　三跨连续曲线箱梁剪力滞系数λ实用计算表

荷载截面

/m

宽跨比（β=2b/L0.10.20.3

经验公式

文献[4]计算值

β=0.1β=0.2β=0.3集中荷载

跨中

75150300直桥1.4701.4601.4571.4521.6041.5921.5871.5771.6921.6781.6721.664λ=-2.302β

2

+2.031β+1.290λ=-2.279β

+2.000β+1.283λ=-2.268β

+1.984β+1.281λ=-1.895β2

+1.818β+1.289——1.2121.200——1.3021.284——1.3701.356中间支座

75150300直桥1.3771.3731.3701.3491.4951.4871.4811.4621.5821.5731.5661.548λ=-1.566β

+1.653β+1.227λ=-1.423β

+1.572β+1.230λ=-1.281β

+1.490β+1.234λ=-1.358β2

+1.539β+1.209——1.1471.121——1.2291.201——1.2961.269均布荷载

75150300直桥1.1251.1081.1011.0901.1791.1581.1481.1271.2311.2061.1921.159λ=-0.121β

+0.581β+1.068λ=-0.076β

+0.518β+1.057λ=-0.163β

+0.522β+1.050λ=-0.226β2

+0.433β+1.049——1.0351.030——1.0721.059——1.1091.083中间支座

75150300直桥

1.4361.4281.4241.405

1.5861.5721.5641.528

1.6841.6681.6571.625

λ=-2.611β

+2.286β+1.233λ=-2.391β

+2.156β+1.237λ=-2.358β

+2.109β+1.237λ=

-1.283β

+1.612β+1.257

——1.2091.179

——1.3231.268

——1.3951.

351

图7　跨中截面顶板外侧剪力滞系数随宽跨比变化图

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8　　表1板相交处的剪力滞系数,因为在横截面上该处剪力滞效应最大,故选择该处的剪力滞系数制定实用计算表供工程设计参考。

表中选用3种不同曲率半径的曲线箱梁和直线箱梁,

当实际桥梁与表中结构参数不完全相同时,可参照本节关于结构参数的讨论偏安全地取用接近的参数查表。

表1中还列出了已有文献归纳的两跨连续曲线箱梁外侧腹板与顶板相交处的剪力滞系数。

经对比发现:

（1在集中荷载作用下,三跨连续箱梁跨中截面和中间支座截面的剪力滞系数均比两跨连续箱梁跨中截面和中间支座截面的剪力滞系数偏大约20%。

（2在均布荷载作用下,三跨连续箱梁跨中截面的剪力滞系数比两跨连续箱梁跨中截面的剪力滞系数偏大约6%。

（3在均布荷载作用下,三跨连续箱梁中间支座截面的剪力滞系数比两跨连续箱梁中间支座截面的剪力滞系数偏大约20%。

这说明三跨连续箱梁的剪力滞效应比两跨连续箱梁的剪力滞效应严重,仅按两跨连续箱梁的剪力滞效应来推断一般连续箱梁的剪力滞效应是有欠缺的。

从图7、图8中可以得出以下规律:

（1宽跨比对剪力滞系数影响很大。

（2不同荷载类型和控制截面的剪力滞系数与宽

跨比的变化规律相似,随着宽跨比的增大剪力滞效应加剧,但加剧程度逐渐减弱。

（3相同宽跨比时,曲率半径越小,外侧腹板与顶板相交处的剪力滞系数越大。

6　结论

本文以三跨连续曲线箱梁代表一般连续曲线箱梁,用板壳单元建立有限元计算模型,对其在对称集中荷载和对称均布荷载作用下进行分析,得到连续曲线箱梁剪力滞效应的一般规律和实用计算表,具有较强的实用性。

就剪力滞规律而言,三跨连续曲线箱梁和两跨连续曲线箱梁大体相同。

但就剪力滞效应而言,三跨连续曲线箱梁比两跨连续曲线箱梁严重,用三跨连续曲线箱梁的分析计算结果来推断一般连续曲线箱梁的剪力滞效应更为合理。

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