动荷载下薄壁箱梁的剪力滞效应研究

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上世纪中叶,专家学者在航天航空的项目设计中发现了由于剪力滞效应引起的金属构件局部应力集中,关于剪力滞效应的研究由此展开。在此之后,学者们陆续发现许多桥梁在设计之初便出现结构局部开裂、局部失稳,甚至更加严重的破坏,这一类现象也是由设计者对剪力滞效应的忽略引起的。作为影响桥梁安全性的重要因素,剪力滞效应逐渐引起学者们的注意。经过几十年的发展,剪力滞问题的研究取得了一些成果,可以有效的解决桥梁结构设计和投入使用的一部分实际问题,但仍无法全面的应对各类问题,对于有针对性要求的工程结构,仍存在很多限制条件。近年来我国交通事业飞速发展,桥梁设计和建设中由于剪力滞效应引起的新问题相继出现,在国内外相关规范中对于有效翼缘宽度的规定也尚未形成完整体系,桥梁在动荷载等形式作用下的剪力滞问题以及负剪力滞等反常现象的研究尚少,因此,研究剪力滞问题具有重要的理论和工程实际意义。鉴于箱型截面梁的优势和广泛使用,以箱型截面梁为主要研究对象,结合能量变分法和数值分析法,根据最小势能原理,通过理论推导建立了不同影响因素下薄壁箱梁剪力滞效应的计算方法,研究薄壁箱梁在不同情况下的剪力滞效应规律,在此基础上进行动荷载作用下薄壁箱梁的剪力滞效应问题研究。综述了现阶段桥梁剪力滞效应的研究理论和主要研究方法,介绍了国内外现行规范对箱梁有效翼缘宽度的规定;基于变分法和最小势能原理,根据三次抛物线形式的箱梁各部位翘曲位移函数,建立了不考虑剪切变形影响下剪力滞效应的弹性理论控制微分方程,得出了简支梁和悬臂梁分别在集中力、均布力作用下的剪力滞系数解析解;基于最小势能原理的箱梁截面竖向位移控制微分方程及边界条件,考虑了薄壁箱梁在动荷载作用下的自由振动情况,提出了薄壁箱梁无阻尼自由振动和强迫振动弯矩解析解,从而建立了瞬时动荷载作用下考虑剪力滞效应的箱梁截面正应力解析表达式,并分析了跨宽比对剪力滞效应的影响。在自由振动基础上研究了简支箱梁的强迫振动,基于挠度重新定义了薄壁箱梁的剪力滞系数,建立了简支薄壁箱梁的剪力滞系数解析解,根据不同尺寸因素影响下基于弯曲正应力和竖向挠度定义的剪力滞系数,以此反映不同尺寸因素对等直薄壁箱梁剪力滞效应的影响大小。对现阶段的箱梁有效翼缘宽度的规定进行了归纳,结合国内外相关规范和本文方法,并利用有限元软件进行模拟,分析大跨度等直箱梁的剪力滞效应,得到了剪力滞效应对箱梁应力应变的影响规律,以及剪力滞系数计算和有效翼缘宽度取值的一些合理方法,为今后相似类型桥梁的设计和使用中有关剪力滞效应的内容提供一定程度的参考。
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