基于修正翘曲位移函数的薄壁箱梁剪力滞效应分析

为完善薄壁箱梁剪力滞效应研究,构造余弦函数作为剪力滞效应下纵向翘曲位移分布形态的描述,考虑弯曲剪力流分布对薄壁箱梁弯曲曲率和顶底板纵向翘曲位移的影响,引入顶板悬臂板纵向翘曲位移差函数修正系数及内力平衡因子,基于能量变分法,推导了薄壁箱梁剪力滞效应作用下应力与挠度计算微分方程.针对单箱单室简支箱梁和连续箱梁算例,将理论分析方法得到的应力和挠度计算值与有限元结果和实测值进行对比分析.结果表明,按理论分析方法得到的薄壁箱梁纵向应力值不仅与有限元结果、实测值吻合良好,而且能真实地反映顶板悬臂板应力分布形态.集中荷载和均布荷载作用下,考虑剪力滞效应影响的方法使得薄壁简支箱梁跨中挠度分别增加了25. 34%和19. 22%,与有限元结果的误差分别为1. 31%和1. 83%,精度较高.该理论分析方法可以准确预测薄壁箱梁在任意荷载作用下的截面应力与挠度分布.     

变截面薄壁箱形连续梁考虑大挠度和剪力滞影响的力学分析

为了考察变截面薄壁箱形梁考虑大挠度和剪力滞效应的受力性能,依据势能变分原理,考虑箱梁翼缘正应力的剪力滞效应和结构竖向挠度的几何非线性影响,将5个广义位移函数(竖向挠度、扭转角和3个剪滞翘曲位移)用样条函数展开,使变截面薄壁箱形连续梁的大挠度问题转化为求解非线性代数方程组问题,并采用Newton-Raphon迭代法求解.研究结果表明:要合理地分析薄壁箱形梁的受力状态,应对翼缘板的悬臂板、顶板和底板分别取不同的剪力滞翘曲位移函数进行计算;变截面连续箱梁受力比相应等截面薄壁箱梁的压力更为合理,更能适应连续梁箱梁截面内力沿梁纵向的变化;大挠度对变截面连续梁箱梁内力、位移的影响程度取决于荷载.     

基于Timoshenko梁及能量变分原理的薄壁箱梁挠度计算分析

基于Timoshenko梁理论和能量变分原理,对单箱单室混凝土薄壁箱梁的翘曲位移函数进行修正,合理构造考虑各翼板翘曲位移函数幅值关系、横截面轴力平衡以及剪切变形影响的翘曲位移函数,建立了体系总势能函数表达式.利用Euler-Lagrange方程得到了薄壁箱梁剪力滞效应计算理论的微分方程,推导了考虑剪力滞效应影响的简支梁挠度计算公式.结合ABAQUS有限元数值模型算例,对比分析了简支梁在不同荷载工况下挠度沿梁轴向的分布规律.结果表明:针对不同荷载工况下的单箱单室薄壁简支箱梁,文中提出的挠度计算公式的结果与ABAQUS有限元数值吻合较好.同时选取目前工程应用较为广泛的一般梁挠度简化计算方法进行对比分析.由于此类简化计算方法忽略了剪力滞效应存在而产生的附加挠度,导致误差较大,最高达到32.06%,误差范围为21.39%~32.06%.文中所提出的挠度计算方法的结果与有限元数值模拟的结果吻合良好,能较好地反映结构在外荷载作用下的变形规律,且不受加载工况影响,从而验证了文中挠度计算方法的正确性及适用性.     

箱梁剪力滞效应一维有限元模型及评价方法

文章针对相关研究中剪力滞翘曲位移函数物理意义不明确的问题,分析了剪力滞效应引起的箱梁附加挠度以研究箱梁剪力滞效应;将箱梁挠度分为按初等梁计算的挠度与附加挠度2个部分,利用新的箱梁纵向位移函数,通过箱梁的总势能泛函,推导出关于附加挠度和初等梁挠度的微分方程;在将初等梁挠度与附加挠度分离的基础上,建立箱梁的一维离散有限元模型,对比研究了不同剪力滞翘曲位移函数和不同附加挠度形函数对计算结果的影响;提出用总挠度二阶导数和初等梁挠度二阶导数的比值作为剪力滞效应的评价指标,该指标能较真实地反映箱梁的剪力滞效应,且与实体模型截面应力不均匀程度变化规律一致;最后,为了反映在移动荷载下箱梁的应力分布,提出用箱梁的应力包络来评价箱梁的剪力滞效应,这种方法更直观,且容易被工程师所接受。     

钢桁腹式混凝土组合箱梁的挠度计算

为了研究钢桁腹式混凝土组合箱梁的挠度计算方法和影响其挠度变化的因素,将钢桁腹杆换算为具有等效厚度的换算钢腹板,对悬臂板纵向位移函数进行修正,再利用变分法原理推导综合考虑腹杆剪切变形和剪力滞效应的挠度计算公式.运用有限元软件ANSYS建立组合箱梁的有限元模型,对有限元数值计算值和理论计算值进行比较分析,并在此基础上研究高跨比和腹杆水平倾角对组合箱梁由腹杆剪切变形和剪力滞效应产生的附加挠度的影响.研究结果表明:对组合箱梁悬臂板纵向位移函数进行修正可提高挠度计算精度;对于处于合理高跨比的组合箱梁而言,其腹杆的剪切变形和剪力滞效应产生的附加挠度不可忽略;组合箱梁腹杆水平倾角仅会对腹杆剪切变形引起的附加挠度产生影响.     

薄壁连续箱梁的弯曲自振频率分析

为分析薄壁箱梁考虑剪切变形影响时的弯曲自振频率,将箱梁翼板、腹板受剪切变形影响的纵向位移综合为一个函数表达式.基于此表达式及Hamilton原理,运用能量变分法建立薄壁箱梁的弯曲自振频率控制微分方程.根据边界条件求解考虑剪切变形影响的简支箱梁弯曲自振频率.进而利用三弯矩法,得到等截面连续箱梁的弯曲自振频率表达式.数值算例结果表明,按照所得公式计算出的连续箱梁考虑了剪切效应的弯曲振动频率,与基于ANSYS空间壳单元及考虑剪切效应的梁单元有限元模型的计算结果均吻合较好.考虑剪切变形时,薄壁箱梁的弯曲自振频率减小,且随着自振频率阶数的增加,剪切变形影响逐渐增大,因此在求解薄壁箱梁的高阶自振频率时剪切变形的影响不可忽略.     

非线性温度梯度下悬臂箱梁的剪力滞效应

为分析箱梁截面沿高度方向非线性温度梯度下的自应力,文章提出了双参数函数用于计算梁翼板纵向位移,该函数的2个参数可考虑温度自应力中剪力滞效应引起的上、下翼板剪切转角最大差幅值的差别;基于最小势能原理建立了计算箱梁温度自应力的偏微分方程组和边界条件,并求解了悬臂梁下微分方程的解。算例分析结果表明,双参数函数所得梁翼板的位移和应力分布计算结果与有限元计算结果吻合较好。     

单室箱梁考虑剪切与剪滞双重效应的挠曲函数

基于单室箱梁翼缘板选取最大剪切位移差函数为广义剪力滞位移函数,通过假定箱梁竖向变形由腹板剪切变形与翼板剪滞效应引起的位移,利用变形协调条件和能量变分法最小势能原理推导了特定边界和荷载条件下考虑剪切变形的单室箱梁的挠曲位移表达式。利用推导的挠曲微分方程计算了单室简支箱梁承受均布荷载作用下的挠度,对靠近梁端部采用挠度修正系数线性内插求解竖向变形,建立单室简支箱有限元分析模型;对比解析解和数值解。结果表明:剪切变形对简支单室箱梁承受均布荷载作用的挠度具有一定的影响;利用推导的公式能够快速、有效地计算简支单室箱梁承受均布荷载下剪切与剪滞双重效应的挠度;跨中挠度与数值解差6%,吻合良好。     

考虑全截面剪切的钢闸门宽翼工字形深梁解析计算方法

横截面剪切变形对薄壁梁力学特性的影响尤为突出,导致传统设计中所采用的细长梁理论计算结果误差较大。水工钢闸门中,面板兼作主梁翼缘,在高水头下主梁具有短深梁非线性受力特点。该文基于能量变分法综合考虑全截面剪切效应,通过合理选取纵向位移函数及翘曲形函数,推导出工字形梁挠度、弯曲正应力及固有频率解析计算公式,并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明:当跨高比和跨宽比较小时剪切效应对弯曲正应力影响较大,在集中荷载作用下该现象更为显著。在计算固有频率时,剪切效应使其减小。相比于现有解析方法,该计算结果精度较高,且适用范围更广,可用于结构设计。     

基于多参数翘曲位移函数的箱梁剪力滞和剪切效应分析解析法

用多参数翘曲位移函数考虑箱梁截面底板、顶板、悬臂板剪滞翘曲幅度一般各不相同的影响,计入箱梁剪切变形,导出了箱梁剪滞效应分析的控制微分方程组、边界条件及相应的闭合解。给出了算例结果,表明此方法用于求解薄壁宽箱梁的应力和挠度能大幅度提高计算精度。此方法蜕化后可广泛用于多种常见桥梁结构剪力滞效应的高精度分析。     

弯、扭、剪力滞耦合的曲箱梁剪滞效应力学模型

文章以薄壁曲杆理论为基础,合理地假设了三个剪力滞翘曲位移函数,应用能量变分法推导出考虑曲率半径影响、弯、扭、剪力滞耦合的曲线箱梁弹性控制微分方程及其边界条件,为薄壁大曲率箱梁剪滞效应建立了理论分析基础。     

曲线箱梁剪力滞效应及其影响因素

为研究曲线箱梁的剪力滞效应,以薄壁曲梁的理论位移为基础,利用箱梁剪力滞分析的纵向位移函数,同时考虑弯扭耦合作用、曲率半径沿梁宽的变化和荷载横向分布等因素的影响,应用变分法推导了曲线箱梁剪力滞效应的弹性控制微分方程.不同荷载作用下结构反应的分析表明,依据该方法所得结果与实验值吻合较好,进一步验证了曲率半径和中心角对曲线箱梁的剪力滞效应的重要影响.     

城市轻轨箱形梁考虑剪力滞效应的荷载响应

为了研究城市轻轨箱形梁结构荷载响应问题,利用规范规定最不利方式加载,基于能量变分法的最小势能原理推导给出简支边界条件下箱梁截面的剪力滞系数以及挠度的表达式,分别计算二期荷载下箱梁剪力滞系数与竖向挠度,并与ANSYS数值解进行对比.结果表明,二期荷载作用考虑剪力滞效应下箱梁顶板,与本文解相比,跨中剪力滞系数大致相同,竖向挠度不同;与初等梁理论相比,剪力滞效应增大挠度;ANSYS得到结果随着纵向位移逐渐减小,本文解与有限元解大致相同.     

单箱三室箱梁的剪力滞翘曲位移模式研究

针对等截面单箱三室箱梁的空间变形特点,并考虑梁纵向平衡所附加的全截面纵向位移．假设4种不同的箱梁剪力滞翘曲位移模式;基于最小势能原理推导出系统的总势能函数,由变分法得到一组带有边界条件的微分方程,据此推导出不同的剪力滞翘曲函数下的剪力滞系数的分布情况;列举算例并借助有限单元法验证各种翘曲位移函数得到的剪力滞系数．最后将本文解与有限元算出的剪力滞系数比较,分析各种剪力滞翘曲位移模式的适用性;并与不考虑梁纵向平衡所附加的全截面纵向位移算出的剪力滞系数进行比较。     

箱梁剪力滞翘曲位移函数理论推导

为研究箱梁合理的剪力滞翘曲位移函数,根据箱梁翼缘板纵向受力和变形特性,将翼缘板视为纵向平行的具有一定刚度的弹簧所连接的弹性体,建立翼缘板弹簧模型,基于能量变分原理建立了翼缘板平衡微分方程,推导出纵向位移函数为双曲函数与三角函数的线性组合。通过分析确定翘曲位移函数分别为双曲正弦函数、双曲余弦函数、正弦函数3种单一形式,并将3种函数形式代入剪力滞变分方程中,得到3种纵向位移函数的弯曲正应力方程。为验证理论推导的3种函数的合理性,将3种函数形式计算得到的翼缘板正应力与实测值、三次抛物线形式计算值、实体有限元计算值进行比较,并从函数形态分析了不同函数形式对翼缘板应力分布的影响。结果表明:文中方法推导出的函数形式中正弦函数计算值与实测值吻合度较高,与实体有限元计算值也基本吻合。另外,函数的二阶导数与翼缘板应力分布存在正相关性。     

箱梁剪力滞效应分析的梁条方法及模型

为简化剪力滞效应的计算,将箱梁沿纵向离散为若干根带有附加约束荷载的平行梁条.基于刚度等效和相邻梁条间的变形协调条件,获得了各梁条的约束等效荷载.基于梁单元理论和整体结构的边界条件,分别计算箱梁对应位置梁条的弯曲效应,从而得到箱梁全截面的应力分布.通过与有机玻璃试验模型和数值解的比较,分析了梁条模型的精度.研究表明,梁条模型的应力及竖向挠度值与试验值总体接近,变化规律与数值模型解吻合;试验箱梁的梁条应力值与板壳值最大相差9.84%,梁条模型的腹板竖向挠度较板壳值大7.53%;集中荷载以及均布荷载作用下铁路双室箱梁的梁条应力值以及挠度值分别与实体单元值最大相差10.42%、9.2%;梁条模型的计算结果偏于安全,可以计算箱梁的弯曲效应.     

基于广义位移的波形钢腹板组合箱梁有限梁段分析方法

为准确分析腹板手风琴效应、剪切变形与翼板剪力滞效应对波形钢腹板组合箱梁挠曲变形及应力的影响,利用截面变形连续条件建立了综合考虑腹板手风琴效应、剪切变形与剪力滞效应的挠曲位移模式.通过引入广义剪切位移和剪力滞位移,将该挠曲变形状态解耦为拟平截面的Euler梁挠曲、广义剪切变形引起的挠曲以及剪力滞效应引起的挠曲3种状态.依据广义位移与转角的关系,选用Hermite多项式作为位移形函数,推导出广义位移的单元刚度矩阵,提出了适合该组合箱梁的梁段分析方法.数值算例结果表明,基于该方法得到的应力及变形与三维空间有限元结果吻合良好.广义剪切变形对梁的挠曲变形与应力存在较大影响,集中荷载作用或中支点截面附近的应力放大系数甚至超过2.0.     

翼板横向位移对箱梁剪力滞效应的影响

为了揭示翼板横向位移对箱梁剪力滞效应的影响,在箱梁全截面上引入能充分反映剪力滞翘曲特性的中性轴修正系数,选取剪力滞效应引起的附加挠度为广义位移,从翼板剪切变形与附加挠度的几何关系入手,定义了箱梁的翼板横向位移模式,运用能量变分法建立了考虑翼板横向位移影响的箱梁剪力滞效应解析理论.简支和连续箱梁算例分析表明:考虑翼板横向...     

薄壁箱梁剪力滞效应数值计算

运用有限元方法,采用板壳单元——Shell 63单元,对薄壁直线箱梁和薄壁曲线箱粱剪力滞效应分别进行了数值计算．将直线箱梁剪力滞效应的数值计算结果与变分法理论计算值及模型试验值进行了对比,三者吻合较好。验证了本研究数值方法的正确性．在有限元理论的基础上,进一步计算了曲线箱梁在静力荷载作用下的挠度、应力、应变及剪力滞系数值,分析了曲率半径等因素对曲线箱梁剪力滞效应的影响．计算结果表明,曲率半径对曲线箱梁的剪力滞效应影响较大．与直线箱梁相比,截面相同位置处的剪力滞系数随曲率半径的减小而增大,增幅远超过5％以上．因此在曲线箱梁的设计中应对曲率半径加以考虑．     

一种连续箱梁的高精度解析计算方法

以能量变分原理为基础,综合考虑箱梁满足轴力自平衡的剪力滞和剪切变形等多重因素的影响,推导连续箱梁的控制微分方程及自然边界条件,获得集中荷载和均布荷载作用下的连续箱梁解析解。通过算例将本文解析计算结果与ANSYS有限元计算结果进行比较。研究结果表明:两者计算结果吻合良好,证明本文计算方法正确,本文构造的位移函数是正确和可靠的。所得公式比以往箱形箱梁剪力滞计算理论有一定发展,由于剪力滞效应的影响,薄壁连续箱梁截面形心应力不再为0 Pa;箱梁顶板及底板的应变曲线不为直线,而是顶板中心、底板中心及悬臂板边缘滞后的曲线。