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.     

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.     

剪力滞后剪切变形对薄壁箱梁的振动影响

建立了薄壁箱型梁桥在任意荷载作用下考虑剪力滞剪切变形影响的振动分析理论体系,为分析薄壁箱型桥梁等结构振动时的剪力滞剪切变形效应提供了计算手段.采用变分原理,推导了考虑剪力滞剪切变形效应的薄壁箱梁振动控制微分方程、边界及初始条件,探讨了方程的解法,建立了方程解的差分格式,并论证了差分格式的稳定性、收敛性,最后提供了简支梁算例,计算结果验证了方法体系的可行性.同时表明:在薄壁箱梁振动时,剪力滞效应和剪切变形使跨中位移明显增大,应力集中现象明显,且剪力滞的影响比剪切变形的影响要大.     

损伤粘弹性正交铺设层合板的非线性振动分析

研究了考虑横向剪切变形和损伤效应的粘弹性正交铺设层合中厚板的非线性自由振动问题.基于一阶剪切变形理论、应变等效假设和Boltzmann叠加原理,建立了考虑横向剪切变形和损伤效应的粘弹性层合中厚板的非线性自由振动控制方程,且应用有限差分法、Newmark法和迭代法进行求解.算例中,具体讨论了损伤效应、不同跨厚比和长宽比对粘弹性层合板的非线性自由振动幅频响应曲线的影响.     

考虑剪切变形影响的单跨曲线梁受力分析

基于Timoshenko深梁理论及力法原理,建立了考虑剪切变形影响的单跨曲线梁计算方法,导出了单跨曲线梁在集中荷载作用下的内力及变形计算表达式。通过算例验证了所推导公式的正确性,同时分析了单跨曲线梁在圆心角、曲率半径变化下剪切效应对其变形的影响规律。研究结果表明,单跨曲线梁在集中荷载作用下,随着圆心角的变化,考虑剪切变形影响的深梁理论与不考虑剪切变形影响的初等梁理论间挠度计算结果相差甚大;随着曲率半径的变化,剪切效应对其挠度有较大影响;初等梁理论过低地估计了剪切效应在曲线梁变形中的影响。     

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.     

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.     

不同剪切变形理论下梁的静态弯曲分析

建立了在各种剪切变形理论(经典梁理论、一阶剪切理论、高阶剪切理论和正弦剪切理论)下梁的控制方程。利用Navier方法求解了简支梁在均布载荷作用下的静态弯曲行为,数值比较了各种剪切理论下梁的变形、横截面应力分布。结果表明,剪切变形、梁的跨高比对梁的变形和截面应力分布有很显著的影响。     

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CR全量非线性梁柱理论的平面剪切梁元

基于CR全量非线性计算模式,结合考虑梁元剪切效应的Timoshenko梁理论,采用梁柱理论(稳定函数格式)建立精细高效的综合考虑单元轴力、弯矩、剪力及其耦合效应的平面梁元分析理论.采用梁柱理论,结合CR坐标法,完善高精度目标下的平面梁元几何非线性问题快速求解方法;以二阶梁柱理论为基础,推导考虑剪切效应的转角位移方程具体格式,获得刚度系数的精确稳定函数表达式,在保证数值精度及计算过程稳定性的前提下,将上述稳定函数幂级数化且提出对应的截断准则,随后推导了剪切变形影响下考虑梁元弓弦效应的单元节点计算表达式;编写程序对本文提出的方法与经典算例进行对比检验,并结合实际工程进行分析.研究结果表明:对一般的多跨连续梁结构,利用本文计算理论能获得与经典算例一致精度的计算结果;对发生大位移的类如肘型刚架结构,利用本文理论可获得其考虑剪切效应的荷载-位移全过程变形曲线,其跃越屈曲第一及第二临界点亦与经典文献符合;对不同主梁形式的特大跨度斜拉桥结构,利用本文理论亦可得到合理的整体变形特征,同时明显提高分析效率.     

拱的挠度理论分析

通过对拱的平衡微分方程受变形影响的研究,推导出抛物线无铰拱的挠度理论计算公式,并与弹性理论的计算结果比较,说明变形对大跨径拱桥的内力影响不可忽视。对于大跨径拱桥,弹性理论计算已不能正确反映拱结构真实受力情况,应按挠度理论分析计算。     

装配式钢桁-混凝土组合梁变形性能的试验及计算方法研究

为了研究课题组提出的装配式钢桁-混凝土组合梁（PSTC）负弯矩区段的变形性能,针对某依托工程桥梁设计制作了一根变截面PSTC试验梁,开展了负弯矩区段变形性能试验研究。针对此梁,提出了一种挠度简化计算方法：将钢桁腹杆等效为钢腹板,从而计入其剪切变形对组合梁刚度的影响,同时考虑钢与混凝土之间的滑移。结果表明,该新型组合梁表现出显著的三阶段受力,根据简化计算结果,在20吨和47吨荷载作用下,梁的挠度为3.96mm和8.31mm,相比试验测试值4.03mm和8.39mm,计算结果准确,可为同类桥梁提供参考。     

小半径曲线连续箱梁桥恒载应力的空间分布特性分析

为研究混凝土曲线箱梁桥的空间受力特性,以某主梁宽9.75m、桥长5×18.76 m的城市立交匝道桥为工程背景,利用ANSYS有限元软件计算几种标准跨径的桥梁模型,通过对截面应力进行积分运算获取截面不同区域所承担的内力比例,并以内力比值系数、应力差值和应力比值为评价指标讨论了同跨径下曲线箱梁桥与直线箱梁桥在一期恒载作用下各控制截面弯矩、剪力和应力的差异。研究发现:一期恒载作用下,曲线箱梁顶、底板法向正应力分布不均匀,剪力滞系数最大可达1.35;外侧腹板承担剪力值最大可达内侧腹板的2.65倍;圆心角超过8°时,边跨跨中截面剪力比值系数大于1.1,圆心角超过13°时,边跨支点截面剪力比值系数大于1.13;在恒载作用下,曲线箱梁桥中性轴“倾斜”,在边跨跨中截面外侧出现正应力卸载现象,边跨支点截面内侧出现应力卸载现象。现行普遍使用的梁系有限元法计算结果不能真实反应曲线箱梁的空间受力分布,箱梁各腹板受力和顶底板弯曲正应力的分布在工程设计中应引起足够的重视。     

波形钢腹板箱梁桥面板横向内力计算方法

通过静力试验,对单箱双室波形钢腹板缩尺试验梁的桥面板横向受力特点和箱梁框架变形进行分析.结合试验结果和波形钢腹板箱梁的力学特点,提出了一种刚架模型,并将波形钢腹板箱梁桥面板的横向内力计算结果与传统箱梁框架模型和公路桥规中的简支板与连续板模型的横向内力计算结果进行对比.结果表明:刚架模型和箱梁框架模型的计算结果与试验值较为吻合,误差均在10%以内;简支板与连续板模型的计算结果则较为保守,与试验值的误差在20%左右;与箱梁框架模型相比,刚架模型比较简单,并且考虑了波形钢腹板线刚度与混凝土桥面板线刚度比值对混凝土桥面板横向内力的影响.     

钢腹板-混凝土组合箱梁试验研究与有限元分析

进行波形钢腹板-混凝土组合箱梁和平钢腹板-混凝土组合箱梁的模型试验.提出模拟钢腹板-混凝土组合结构的有限元方法,并在大型通用程序ANSYS中实现.有限元计算结果得到了模型梁试验结果的验证,可用于钢腹板-混凝土组合结构的数值分析.试验与数值分析结果表明,两种组合箱梁的总体受力在弹性阶段和弹塑性阶段相似.相对于平钢腹板-混凝土组合箱梁,波形钢腹板-混凝土组合箱梁由于波形钢腹板的折迭效应,其抗变形能力和抗裂性能较相对较弱,但抗剪性能和抗屈曲能力较好.在破坏模式上,波形钢腹板-混凝土组合箱梁属于整体破坏,平钢腹板-混凝土组合箱梁属于平钢腹板局部屈曲破坏,其极限承载力小于波形钢腹板-混凝土组合箱梁.平钢腹板刚度小,在实际工程应用过程中应进行加劲,以防止局部屈曲破坏早于整体破坏的发生,同时也有利于避免施工过程的局部变形.     

波形钢腹板抗剪性能的研究

为了研究波形钢腹板的抗剪受力性能,首先设计了4根波形钢腹板H型钢梁并进行屈曲加载试验,掌握了波形钢腹板屈曲的基本特征;统计国内外已建波形钢腹板组合桥的波形钢腹板尺寸参数、并对弹性屈曲强度的计算进行了分析,建议了弹性屈曲强度简化计算公式和适用范围;考虑局部弹性屈曲强度要小于整体弹性屈曲强度等参数范围,合理选取一批试验数据对Yi、聂建国等提出的波形钢板非线性剪切屈曲强度计算公式进行了对比分析,并通过ANSYS有限元程序对本文部分试验结果进行了分析验证.结果表明:波形钢腹板主要承担剪力且剪应力沿高度均匀分布;几何初始缺陷对其剪切屈曲强度的影响较明显;在工程应用范围内,文中建议的弹性屈曲强度和非线性剪切屈曲强度公式与试验值和有限元分析值吻合较好,精确度较高,可供工程设计参考.     

装配式T梁桥汽车荷载效应的空间分布特征

为探讨汽车荷载作用下跨径、桥宽对装配式预应力混凝土简支T梁桥汽车荷载效应的影响,以交通部2008年T梁桥通用设计图为背景,利用实体有限元模型对比分析了25m、30m、35m三种跨径和9.0m、11.25m、13.5m、15.75m和18m五种桥宽下的竖/横向位移、竖/横向弯矩、纵向应力和扭转角,并与T梁桥实用空间解析解进行了对比分析。通过分析发现：汽车荷载作用下装配式T梁会同时出现竖向和横向挠曲变形,竖向荷载效应随桥梁宽度的增加而近似线性减小,但其横向形变效应会受桥梁跨径、宽度、布载形式等多种因素影响;当装配式T梁桥的所有T梁均使用边梁的设计活载效应时,T梁最大应力的解析结果能包络T梁的活载横向挠曲效应,但当跨径超过30m后中梁活载应力最大值可能会超过刚性横梁法的计算结果;T梁的侧向弯曲会显著增加截面中性轴附近的拉应力,且随着跨径的增大梁体侧向弯曲引起的中性轴位置处应力越大,T梁腹板外侧的分布钢筋最好能按照T梁腹板承受的横向弯矩大小设计为受力钢筋,并减小钢筋间距以更好地防止T梁腹板的竖向开裂。     

折线先张法预应力工字梁受力性能试验

为克服直线先张法的预应力筋不能弯折而使桥梁跨径受限,以30 m折线先张法预应力混凝土工字梁为研究对象,研究折线先张法工字梁在弹塑性阶段的应力、变形、裂缝和承载能力,进行理论计算及静载破坏试验,并利用Midas Civil有限元软件的psc程序计算,对比静载试验与有限元模型。结果表明：在弹性阶段,荷载与混凝土应变、挠度的试验曲线均呈线性变化;跨中截面和3L/8截面为梁体应变的危险截面;加载至1～1.4倍的开裂荷载时,L/4、L/2截面挠度变化仍基本处于线性增大状态,斜率约为按弹性阶段计算的2倍;当出现第一条裂缝后,随着荷载的增加,裂缝继续向工字梁腹板延伸,跨中底板及腹板附近出现新裂缝,但未出现梁端剪切裂缝或破损现象。预应力混凝土工字梁的应力、挠度校验系数均小于1,表明折线先张法工字梁的抗弯和抗剪承载能力、强度、刚度、抗裂性均满足设计及规范要求。     

基于挠度理论的三塔四跨悬索桥静力特性分析

为研究三塔四跨悬索桥活载效应下的静力特性,拓展单跨悬索桥挠度理论公式,建立了多塔连跨悬索桥挠度理论非线性微分方程组,引入“代换梁法”求解方程组。基于MATLAB语言平台考虑了集中力引起的主缆水平力增量对影响线的非线性影响,开发出基于挠度理论的多塔连跨悬索桥内力线形的程序。研究结果表明:挠度理论解与有限元法的计算结果具有较好的一致性,位移相对最大偏差为5.3%,弯矩最大相对偏差为13.9%; 加劲梁最大挠度发生在两个主跨跨中处; 挠度理论的位移和弯矩大于有限元的计算结果,依此控制结构设计是较安全的。挠度理论在三塔四跨悬索桥设计中具有足够的适用性,可以应用在多塔连跨悬索桥的初步或者概念设计方面。     

桥面板徐变对曲线组合梁桥剪力钉受力性能的影响

钢-混组合梁桥中桥面板与钢主梁通过剪力键连接,混凝土板徐变效应会对剪力键内力产生影响。为探究这种影响,本文以某座钢-混组合曲线梁桥为背景,使用ANSYS建立精细化实体有限元模型,按金属蠕变原理模拟混凝土板徐变效应,在考虑施工阶段的基础上研究混凝土板徐变效应下剪力钉的力学行为。研究表明：钢纵梁处剪力钉横桥向徐变内力约为顺桥向2.0倍,但徐变内力变化趋势均相同即每跨跨中向两侧支点逐渐递增,徐变内力极值均出现在支点湿接缝附近剪力钉上。钢横梁剪力钉横桥向、顺桥向内徐变内力均由横截面中线向两侧逐渐增加,但受“弯扭耦合”影响,横梁内、外侧剪力钉徐变内力相反。徐变影响下全桥剪力钉顺桥向徐变滑移分布较横桥向更加均匀,绝大多数剪力钉顺桥向徐变滑移量仅为横桥向的30%~50%。混凝土板徐变效应对剪力钉内力影响随时间的增加而减弱,内力影响最大是成桥初期3个月;增加混凝土板预制龄期可显著降低成桥时剪力钉的徐变内力,推荐采用龄期为180d的桥面板,并计入10年徐变效应可满足工程要求。