箱形梁横向内力解析理论及其应用 -中国道桥网

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资料名称:	箱形梁横向内力解析理论及其应用
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上传时间:	2021/7/8
资料类别:	工程论文
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兰州大学博士论文 2020.4

(1) 单箱单室薄壁箱梁横向内力的计算中，针对计算模型是否要虚设侧向水平支承，建立考虑箱梁畸变的有侧向水平支承和无侧向水平支承框架的横向内力计算公式。结合数值算例进行分析，研究竖向荷载横向作用位置、腹板俯角、箱室高宽比、刚度比等参数变化时侧向水平支承对箱梁横向弯矩的影响程度。结果表明：侧向水平支承对箱梁横向弯矩的影响主要取决于竖向荷载横向作用的位置；腹板俯角等参数的规律性变化不能使侧向水平支承对箱梁各角点横向弯矩误差产生明显一致的变化规律，影响不明显；竖向荷载作用在顶板范围内时，侧向水平支承对矩形截面箱梁横向弯矩的影响很小，弯矩误差不超过0.72%。
(2) 同时考虑箱梁畸变和框架剪力差的影响，计算单箱单室梯形截面箱梁的横向内力。在偏心竖向荷载分解的基础上，对反对称荷载作用下加支承的框架横向内力分析采用基于最小势能原理的能量变分法，建立以框架顶板上剪力差为未知量的四阶控制微分方程，采用比拟的弹性地基梁解法解出剪力差，得出反对称荷载作用下框架的横向弯矩。应用算例对本文方法进行了数值验证并分析了不同横向内力计算方法结果的差异，数值算例表明理论解析解和有限元结果误差最大不超过9.68%。
(3) 针对单箱双室简支箱梁横向内力的计算，在刚性支承框架分析的基础上，考虑箱梁畸变、计算模型是否要设置侧向水平支承等影响，建立横向内力的计算公式。结合数值算例，研究竖向荷载横向作用位置和箱梁宽跨比等变化时对单箱双室简支箱梁横向内力的影响。结果表明：本文解析解和有限元解吻合较好；竖向荷载作用在顶板范围内时，矩形截面的单箱双室箱梁横向内力的计算可采用无侧向水平支承的计算模型；宽跨比减小到0.4以后，宽跨比的变化对箱梁横向内力的影响较小。
(4) 在箱梁畸变分析理论研究的基础上，利用畸变角计算箱梁横向内力中的畸变横向弯矩。采用数值算例对箱梁畸变效应进行了分析，对解析解采用ANSYS的Shell-63单元进行了验证。算例表明：畸变分析理论不同，计算的箱梁畸变翘曲正应力的数值是相同的；各板件厚度较小时，箱梁的畸变较明显，随着厚度增加，畸变角和畸变双力矩数值逐渐减小，板件厚度的变化对畸变的影响较腹板俯角和箱梁宽高比的大；以畸变分析理论为基础计算的箱梁畸变横向弯矩和框架分析法计算的结果偏差率最大为25.72%，框架分析法的计算值偏大。
(5) 对单箱双室等高度箱梁的畸变效应研究，采用板元分析法和能量变分法建立反对称畸变和正对称畸变的控制微分方程。针对箱梁的正对称畸变分析，提出了对无对称轴矩形截面箱梁采用两个参数β1、β2描述箱梁各板件上畸变翘曲正应力分布的概念。通过ANSYS的Shell-63单元建立有限元模型，对单箱双室箱梁的畸变效应解析解进行了验证，误差不超过8.71%；单箱双室箱梁反对称畸变产生的箱梁角点畸变翘曲正应力为单箱单室箱梁的40.17%，同时考虑反对称畸变和正对称畸变，解析解和有限元解吻合较好。
(6) 在箱梁横向内力和畸变研究的基础上，为解决箱形梁设计中桥面板设计弯矩的准确计算。以实际工程为算例，采用公路规范给定的计算公式、梁单元框架模型、板壳单元全桥模型，分别对箱梁顶板在车辆荷载作用下的跨中弯矩和支点处弯矩进行了计算对比。给出了箱形梁以简支板梁为模型计算顶板跨中和支点弯矩系数的取值范围。对箱梁悬臂板根部弯矩，采用公路规范公式、贝达巴赫(Baider Bahkt)公式、板壳单元的悬臂板局部有限元模型和全桥模型，分别考虑车辆荷载后轴、中轴和前轴的影响进行计算对比。结果表明：有限元全桥模型得出的悬臂板根部弯矩数值略小于悬臂板局部有限元模型和实用公式计算的结果；ANSYS悬臂板局部有限元模型和贝达巴赫实用公式得出的数值误差仅为0.7%，二者相互吻合较好；大跨度箱梁悬臂板上车辆荷载加载时，前轴和中轴荷载对悬臂板根部弯矩的贡献仅增加5.25%。