考虑纵向加劲肋影响的钢箱梁剪力滞及剪切变形双重效应研究

摘要

箱梁剪力滞问题历来都是桥梁理论研究中的一个经典课题。目前，国内外许多学者对混凝土箱梁的剪力滞效应做了大量的研究，而对于钢箱梁的剪力滞效应分析较少。钢箱梁相对于混凝土箱梁而言具有明显的区别，横隔板、纵向加劲肋及横向加劲肋都会对钢箱梁的剪力滞效应产生影响。因此，对钢箱梁的剪力滞效应进行系统研究很有必要。本文的主要研究内容及结论如下:
　　(1)基于能量变分法和最小势能原理，建立了考虑纵向加劲肋影响的剪力滞控制微分方程和同时考虑纵向加劲肋影响的剪力滞及剪切变形双重效应的控制微分方程，并推导了简支梁和悬臂梁分别在集中荷载与均布荷载作用下的剪力滞效应的解析式。通过对比发现，考虑纵向加劲肋影响的剪力滞控制微分方程可退化为未考虑加劲肋影响的剪力滞控制微分方程。
　　(2)结合钢箱梁实例，运用所推导出的解析式计算钢箱梁控制截面的应力、挠度和剪力滞系数解析解;运用ANSYS15.0建立了实例钢箱梁的三维壳单元模型，求出了相应边界条件和荷载工况下的数值解。通过理论计算值与数值解对比后发现:
　　针对简支钢箱梁，对跨中截面翼缘板的应力而言，未考虑加劲肋影响的解析解相比数值解大35.81％，考虑纵向加劲肋影响的解析解与数值解相比，误差降到3.25％以内;对跨中截面挠度而言，未考虑加劲肋影响的解析解相比数值解大23.73％，考虑纵向加劲肋影响的解析解与数值解相比，误差降到11.73％以内。跨中作用集中荷载与满跨均布荷载相比，前者引起的跨中截面的剪力滞效应更加明显。是否考虑纵向加劲肋对钢箱梁的剪力滞系数影响很小。
　　针对悬臂钢箱梁，对固端截面翼缘板的应力而言，未考虑加劲肋影响的解析解相比数值解大30.65％，考虑纵向加劲肋影响的解析解与数值解相比，误差降到3.91％以内;对自由端挠度而言，未考虑加劲肋影响的解析解相比数值解大33.74％，考虑纵向加劲肋影响的解析解与数值解相比，误差降到4.18％以内。自由端作用集中荷载与满跨均布荷载相比，后者引起的固端截面的剪力滞效应更加明显。是否考虑纵向加劲肋对钢箱梁的剪力滞系数影响很小。
　　当同时考虑加劲肋影响的剪力滞及剪切变形双重效应后，简支钢箱梁跨中挠度解析解与数值解的误差在6.50％以内，悬臂钢箱梁自由端挠度解析解与数值解的误差在0.87％以内。
　　(3)针对钢箱梁实例，计算了不同边界条件与荷载工况下的翼缘板有效宽度的理论值，并与《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)中考虑剪力滞影响下的钢箱梁翼缘板有效宽度的计算值进行对比分析，研究表明，理论计算的翼缘板有效宽度值均小于规范中的计算值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概述

1．1．1 钢桥及钢箱梁的发展概述

1．1．2 钢箱梁的受力特点

1．2 薄壁箱梁剪力滞效应研究现状

1．2．1 薄壁箱梁剪力滞效应的理论研究现状

1．2．2 薄壁箱梁剪力滞效应的实验研究现状

1．3 箱梁剪切效应的理论研究方法简述

1．3．1 考虑剪切变形的铁木辛柯梁理论(一阶梁理论)

1．3．2 考虑剪切变形的高阶梁理论

1．4 本文的主要研究内容

2 未考虑加劲肋影响的钢箱梁剪力滞效应研究

2．1 基本假定

2．2 控制微分方程的建立及求解

2．3 简支钢箱梁的剪力滞效应

2．3．1 简支钢箱梁承受集中荷载

2．3．2 简支钢箱梁承受均布荷载

2．4 悬臂钢箱梁的剪力滞效应

2．4．1 悬臂钢箱梁自由端承受集中荷载

2．4．2 悬臂钢箱梁承受均布荷载

2．5 本章小结

3 考虑纵向加劲肋影响的钢箱梁剪力滞效应研究

3．1 基本假定

3．2 控制微分方程的建立及求解

3．3 简支钢箱梁的剪力滞效应

3．3．1 简支钢箱梁承受集中荷载

3．3．2 简支钢箱梁承受均布荷载

3．4 悬臂钢箱梁的剪力滞效应

3．4．1 悬臂钢箱梁自由端承受集中荷载

3．4．2 悬臂钢箱梁承受均布荷载

3．5 本章小结

4 考虑纵向加劲肋影响的钢箱梁剪力滞及剪切变形双重效应研究

4．1 基本假定

4．2 控制微分方程的建立及求解

4．3 简支钢箱梁的剪力滞效应

4．3．1 简支钢箱粱承受集中荷载

4．3．2 简支钢箱梁承受均布荷载

4．4 悬臂钢箱梁的剪力滞效应

4．4．1 悬臂钢箱梁自由端承受集中荷载

4．4．2 悬臂钢箱梁承受均布荷载

4．5 本章小结

5 钢箱梁剪力滞效应的有限元分析与实例验证

5．1 有限元模型的建立

5．2 简支钢箱梁的剪力滞效应分析

5．2．1 简支钢箱梁跨中承受集中荷载

5．2．2 简支梁承受均布荷载

5．3 悬臂钢箱梁的剪力滞效应分析

5．3．1 悬臂钢箱梁承受集中荷载

5．3．2 悬臂钢箱梁承受均布荷载

5．4 本章小结

6 钢箱梁翼缘板有效宽度取值探讨

6．1 理论分析

6．2 《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)规定的有效宽度取值

6．3 简支钢箱梁翼缘有效分布宽度探讨

6．3．1 简支钢箱梁跨中承受集中荷载时有效分布宽度

6．3．2 简支钢箱梁承受均布荷载时有效分布宽度

6．4 悬臂钢箱梁翼缘有效分布宽度探讨

6．4．1 悬臂梁自由端承受集中荷载时有效分布宽度

6．4．2 悬臂梁承受均布荷载时的有效分布宽度

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果