长期荷载作用下钢-混凝土组合梁的挠度计算与分析

为科学合理计算钢-混组合梁在长期荷载作用下的挠度,综合考虑钢梁与混凝土桥面板层间滑移效应、钢-混组合梁全截面剪切变形及混凝土桥面板收缩徐变的影响,运用能量变分法推导出钢-混组合梁挠度计算的控制微分方程.引入均布荷载作用下简支和两跨连续钢-混组合梁的自然边界条件,求解出了钢-混组合梁在这两种边界条件下的挠度计算公式.计算公式的可靠性得到了实测值和有限元值的验证.研究结果表明:考虑剪切变形与层间滑移后,两跨连续钢-混组合梁跨中最大挠度计算值相对于初等梁理论增大37.4％,而同时考虑混凝土收缩徐变后其挠度计算值增大58％;简支钢-混组合梁考虑混凝土的收缩徐变后挠度计算值相对于初等梁理论增大1.55倍,可见混凝土的收缩徐变效应对钢-混组合梁的挠度影响较大.研究成果可为实际工程中钢-混组合梁在长期荷载作用下的挠度计算提供理论依据.     

长期荷载作用下钢-混凝土组合梁的挠度计算与分析

为科学合理计算钢-混组合梁在长期荷载作用下的挠度,综合考虑钢梁与混凝土桥面板层间滑移效应、钢-混组合梁全截面剪切变形及混凝土桥面板收缩徐变的影响,运用能量变分法推导出钢-混组合梁挠度计算的控制微分方程.引入均布荷载作用下简支和两跨连续钢-混组合梁的自然边界条件,求解出了钢-混组合梁在这两种边界条件下的挠度计算公式.计算公式的可靠性得到了实测值和有限元值的验证.研究结果表明:考虑剪切变形与层间滑移后,两跨连续钢-混组合梁跨中最大挠度计算值相对于初等梁理论增大37.4％,而同时考虑混凝土收缩徐变后其挠度计算值增大58％;简支钢-混组合梁考虑混凝土的收缩徐变后挠度计算值相对于初等梁理论增大1.55倍,可见混凝土的收缩徐变效应对钢-混组合梁的挠度影响较大.研究成果可为实际工程中钢-混组合梁在长期荷载作用下的挠度计算提供理论依据.     

地基沉降对弹性地基梁的影响

考虑剪切变形的影响,采用Timoshenko梁理论和初参数法分析两端固结、两端简支的弹性地基梁由于地基沉降造成的影响,建立确定悬空长度的超越方程,导出变形和内力的解析解。通过算例分析悬空长度随荷载的变化,比较局部悬空Winkler地基梁在均布荷载作用下挠度、转角、剪力、弯矩的Bemoulli-Euler梁理论结果和Timoshenko梁理论结果,比较地基不同沉降下的变形与内力。研究结果表明：采用Bemoulli-Euler梁理论计算的悬空长度偏大,采用Bemoulli-Euler梁理论计算的局部悬空弹性地基梁的挠度、转角、剪力、弯矩比相应的Timoshenko梁的理论结果大,地基沉降分析中应考虑剪切变形的影响。     

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。     

钢-混凝土组合梁考虑长期效应影响下的挠度计算与分析

钢-混凝土组合梁截面的应力和挠度会受到组合梁翼缘剪力滞效应的影响.综合考虑组合梁的剪切变形、层间滑移、剪力滞效应及混凝土的长期受力特性,利用能量变分原理推导了钢-混凝土组合梁在长期荷载作用下挠度控制微分方程.通过建立短期荷载作用下的ANSYS有限元模型(FEM)与长期荷载作用下的MIDAS FEM,提取MIDAS FEM计算结果中关于混凝土收缩变形和徐变作用下组合梁挠度数据,叠加至ANSYS FEM计算出的短期荷载作用下组合梁的挠度值,即可得到长期荷载作用下钢-混凝土组合梁的总挠度值,其结果与本文理论挠度计算值吻合度良好.为了进一步分析剪力滞效应的影响,引入简支组合梁的试验算例,分析了是否考虑剪力滞效应组合梁挠度的变化情况.最后以简支组合梁为例,分析组合梁支点与跨中处混凝土板的有效宽度系数受宽跨比的影响程度,并与中国规范计算方法进行比较.结果表明：混凝土板的有效宽度系数随宽跨比的增大而减小,支点处的有效宽度相对于跨中处较小,计算值与规范值误差不超过5.12%.     

波形钢腹板混凝土组合梁挠度计算的初参数法

为准确计算波形钢腹板混凝土组合梁的挠度,推导了考虑剪切变形影响的波形钢腹板混凝土组合梁的挠曲线初参数方程.首先分析了波形钢腹板混凝土组合梁截面上剪应力的分布特点,得到了腹板剪应力的简化计算公式;然后推导了其挠曲线的初参数方程,提出了组合梁挠度的计算方法,进而对承受跨中集中荷载、两点对称荷载和均布荷载等3种典型荷载作用下的波形钢腹板混凝土组合梁的挠度进行分析,并将其结果与试验实测值、有限元结果进行比较,验证了文中理论方法的准确性和适用性;最后利用文中理论方法和有限元方法分析了跨高比和宽高比对波形钢腹板混凝土组合梁剪切变形的影响,并给出了波形钢腹板混凝土组合梁挠度计算是否需要考虑剪切变形影响的跨高比界限建议值.     

大跨径预应力混凝土箱梁的剪切变形分析

为分析剪切变形对预应力混凝土箱梁挠度的影响,依据经典Timoshenko梁理论,参照已建大跨预应力混凝土箱梁的截面尺寸,简化选取等截面悬臂箱梁为分析对象建立了空间有限元模型.按不考虑剪切变形和考虑剪切变形两种情况计算了箱梁的挠度,分析了剪切变形的影响随箱梁高跨比的变化,并讨论了传统观点中的考虑剪切变形的高跨比门槛值在大跨径预应力混凝土箱梁挠度计算中的适用性.然后,建立了虎门大桥辅航道桥的施工阶段分析模型,模拟箱梁的实际悬臂施工过程,分析了剪切变形对箱梁挠度的影响规律,计算并探讨了箱梁的长期徐变挠度,进而推算了箱梁的剪切徐变挠度.分析结果表明,剪切徐变是造成箱梁持续下挠的原因之一.     

考虑剪切变形的多梁式改进型波形钢腹板组合小箱梁桥荷载横向分布系数计算

目前有关钢-混组合箱梁桥的剪切变形对其荷载横向分布影响的研究较少。首先,在考虑自身剪切变形的基础上,采用正弦荷载得出刚度折减系数,并推导出了考虑剪切变形效应的偏心压力法、修正偏心压力法以及考虑剪切变形效应的刚接梁法等,用于计算多梁式波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板(简称改进型波形钢腹板,即CSWSB)组合小箱梁桥横向荷载分布系数的方法的计算公式;然后,选取一多梁式改进型波形钢腹板组合小箱梁桥实桥进行了试验研究;最后将采用文中讨论的各计算方法计算得到的结果与有限元法结果、试验实测值进行了对比分析。结果表明:采用考虑剪切变形效应的刚接梁法得到的挠度值和Ansys模拟值更为接近,计算跨中的荷载横向分布系数时应采用考虑剪切变形效应的刚接梁法;当桥梁结构不满足窄桥条件时,宜采用考虑剪切变形效应的刚接梁法计算跨中截面的荷载横向分布系数;当满足窄桥条件时,可以采用考虑剪切变形效应的修正偏心压力法计算横向分布系数。     

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.     

非均匀升温下Timoshenko夹层梁热过屈曲精确数学模型及其数值解

在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上建立Timoshenko夹层梁在热载荷作用下的几何非线性控制方程.采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得两端不可移简支夹层梁在横向非均匀升温作用下的静态热过屈曲和热弯曲变形数值解.绘出梁的变形随温度载荷变化的特征关系曲线,分析和讨论材料和几何参数对梁变形的影响.结果表明:梁在均匀加热下不产生拉-弯耦合变形及弯曲变形.在均匀升温条件下,梁的中点无量纲挠度与升温的关系曲线为热过屈曲平衡路径;当升温为横向非均匀的情况下,中心挠度与平均升温之间的关系曲线表现出热弯曲变形的特点.横向剪切变形随梁的长细比增大而显著减小,随变形程度的增大而增大.     

基于剪切附加挠度的波形钢腹板组合箱梁挠度计算

为了更精确地求解波形钢腹板组合箱梁的挠度,通过分析该组合箱梁挠曲剪应力分布特点,结合虚功原理,推导出考虑全截面剪切影响的剪切形式因子.基于能量变分原理,推导出该组合箱梁剪切附加挠度的控制微分方程,并给出一般荷载条件下简支箱梁剪切附加挠度的表达式.数值算例结果表明,考虑剪切变形影响计算的组合箱梁挠度与ANSYS空间有限元计算结果及实测值吻合良好,剪切变形对组合箱梁的挠度影响较大.参数分析结果表明:随着宽高比的增大,采用剪切系数方法计算所得的组合箱梁附加挠度也增大;随着跨高比的增大,波形钢腹板剪切变形产生的附加挠度不断减小,当跨高比大于40时,可忽略腹板剪切变形的影响.     

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。     

小跨度连续吊车梁的有限元算法

厂房钢结构连续吊车梁相比目前普遍采用的单跨简支吊车梁,具有更好的竖向刚度和经济性。但由于连续吊车梁在移动荷载下的内力分析难度较大,工程设计中罕有采用。本次研究采用有限元程序,对两等跨等截面小跨度吊车梁的仿真分析,得出连续吊车梁在中轻级吊车荷载作用下的控制内力和变形挠度,对比单跨简支吊车梁,提出满足工程设计的简单实用的小跨度连续吊车梁内力计算方法。     

薄壁箱梁的弯曲纵向位移函数与剪力流

以薄壁箱梁的弯曲理论为基础,从分析微板剪力流出发,结合弹性理论中求解平面应力问题的假设,推导考虑薄壁箱梁各板面内剪切效应时的弯曲纵向位移函数,同时从理论上导出剪力滞翘曲位移函数。运用能量变分原理及铁木辛柯深梁理论的假设简化并求解考虑各板面内剪切效应的纵向位移函数,并给出数值算例。研究结果表明:按本文推导的考虑各板面内剪切效应的位移函数计算的简支梁跨中截面正应力与实测值及有限元值吻合良好,剪应力与挠度较以往方式求解的结果更为准确,且箱梁挠度及腹板剪应力计算值相对于初等梁的结果均有明显增加,最大增量达到21%。     

Winkler地基上Timoshenko深梁的有限元分析

建立Winkler地基上Timoshenko深梁的初参数解和有限元列式,导出单元刚度矩阵和均布荷载、集中力、集中力偶等非结点荷载的等效公式。根据《材料力学》剪应力分布假定,提出截面剪切修正系数的梯形分块算法,计算T形截面的剪切修正系数。运用建立的有限元对弹性地基上变截面阶梯梁、等截面倒T梁的弯曲问题进行计算。分析剪切变形对两端固支弹性地基梁的地基沉降影响。研究结果表明:考虑剪切变形影响与不考虑剪切变形影响计算的悬空长度、最大挠度、最大转角、最大剪力和最大弯矩分别相差48.88%,4.61%,67.17%,43.59%和59.26%,证明剪切变形对弹性地基梁有重要影响。     

预应力梁桥在移动荷载作用下的动力响应分析

建立双折线型预应力钢筋混凝土等直梁的强迫振动的运动微分方程,分析了梁在预应力钢筋作用下的横向振动问题,将运动微分方程解耦,得到梁在预应力作用下固有频率的解析解以及梁振动时的动力响应,分析了梁的固有频率与预应力和偏心距的关系.通过实例计算,得到梁在不同速度移动车辆荷载作用下的动力挠度曲线,给出了是否考虑预应力时梁的动力效应的比较.     

二次受力条件下增大截面加固梁的试验研究

通过试验研究了二次受力条件下增大受拉区截面加固的梁的力学性能,主要考虑了增大截面的高度和初始荷载两个主要影响因素,对比分析了梁的极限荷载、荷载-挠度曲线及钢筋的应变变化。研究结果表明：采用增大截面法加固可有效提高梁的极限承载力和刚度,其极限荷载受初始荷载等级的影响较小,其荷载-挠度曲线包括混凝土开裂、上下层纵向受拉钢筋先后屈服及梁的破坏四个阶段。最后,认为二次受力条件下增大截面加固梁在实际使用中应避免产生过大的变形。     

折腹式组合梁桥考虑剪切变形的挠度计算

提出考虑剪切变形的弹性弯曲理论分析折腹式组合梁桥.通过假定位移场,建立内力平衡方程、变形协调条件以及物理方程,依据边界条件和荷载工况求出解析解.以折腹式I型和箱型梁为算例,将该理论结果和有限元计算及试验结果进行比较,验证其妥当性.基于该理论得出跨中挠度简化计算式,给出考虑剪切变形影响与否的高跨比界限.     

冲击荷载下固支梁弹塑性动力响应分析

为了研究在冲击荷载下固支梁的弹塑性动力响应,首先利用能量法推导固支梁在冲击荷载下动力响应的简化计算方法,将跨中挠度和冲击荷载响应作为梁动力响应的评价指标;然后通过一些算例对固支梁与简支梁的动力响应进行对比来探讨不同边界条件对受力的影响,为结构抗冲击安全设计提供指导;最后利用有限元软件ANSYS/LSDYNA模拟固支梁在外部冲击物碰撞作用下的动力响应并与解析结果进行对比,在分析时考虑材料应变率和接触变形.结果表明:提出的弹塑性动力响应判别方法、动力响应简化计算方法和评价指标都是可行的;固支梁相对于简支梁更有利于承受冲击荷载;当质量比与冲击物速度比较适中时,跨中挠度和冲击荷载响应的解析解和数值解相符较好;在相同的冲击能量下,冲击物质量和速度所占的比例不同,动力响应所经历的时间历程不同.     

考虑横向剪切效应的竹材层合板弯曲变形

用层梁经典理论,一阶剪切变形理论以及有限单元法分别计算了竹材层合板梁的弯曲变形,为验证理论分析与数值计算结果是否合理,对实际结构变形进行了测定。结果显示,竹材层合板梁在跨高比较小时具有十分显的的横向剪切交 ,一阶剪切变形理论与有限单元法均能足够精确地反映含有剪切效应的梁的弯曲变形,横向剪切效应很小时,经典理论的解与实际情况的符合程序优于一阶剪切变形理论。