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1、浅谈箱梁的剪力滞效应Y摘要：目前箱梁是简支梁、连续梁、连续刚构、刚性系杆拱桥和混凝土斜拉桥等桥梁常用的主梁结构形式，它的空间受力性能问题也开头变得越来越突出，而其中剪力滞效应问题则成为了箱梁应用中需要重点争论的内容。本文阐述了剪力滞效应产生的缘由及其影响因素，并对当前普遍采纳的剪力滞分析方法进行了介绍，最终指出了目前箱梁剪力滞争论亟待解决的问题，提出了今后有待进一步争论的方向。关俊词：箱梁：剪力滞：产生缘由：影响因素：展望O引言在20世纪60年月末至70年月初,奥地利、英国、澳大利亚及德国相继发生了四起大跨径钢箱梁的重大事故,据各国专家分析,造成重大事故的直接缘由是设计理论上的失误,其中重要一
2、项就是对剪力滞未加考虑。近几年来，箱梁在我们国家大跨径桥梁、城市立交桥和高架桥中得到广泛的应用。但是我们国家现行桥梁设计法律规范中缺乏关于确定箱梁剪力滞效应的详细规定。所以在一般工程设计中忽视了这一问题,从而造成一些箱梁桥不断地发觉有横向裂缝。因此,箱梁的剪力滞问题引起各国桥梁专家的高度重视。近几十年来，国内外很多学者致力于该课题的争论,分别从解析理论、数值解法和模型试验等方面对剪力滞问题提出了很多新设想和新理论,并获得了很多的争论成果,部分成果已纳入法律规范之中，如英国法律规范和德国工业标准法律规范等。本文介绍了国内外有关箱梁剪力滞的争论成果、产生缘由及影响因素，并提出需解决的问题和今后争论
3、的方向。1箱梁剪力滞产生缘由1.1 箱梁的受力方式箱梁除拉压、水平弯曲、竖向弯曲外，还有扭转、翘曲和剪力滞共6种变形。前3种听从平截面假设的位移模式，现在来说一下后3种基本变形。作用在箱梁横向任意位置的垂直荷载ZP,可分解为下列三种等效荷载图示。图11荷载等效分解(1)对称纵向弯曲荷载产生剪力滞效应，见图Ma(2)刚性扭转荷载一一产生翘曲法向应力及剪应力，见图Llc(3)畸变荷载一一产生畸变翘曲法向应力及横向框架应力，见图Lldo初等梁理论不考虑剪切变形对纵向位移的影响，满意变形的平截面假定，因此，在对称竖向荷载作用下，弯曲正应力在横截面内匀称分布。然而对于箱形梁，特殊是宽箱梁来说，剪应力沿翼
4、缘横向分布很不匀称，剪切变形对纵向位移的影响相当大，下面来分析箱梁截面的剪力流。1.2 箱梁对称弯曲时的剪力流图1.2为薄壁箱梁的单元体dsXdz,厚度为t。沿横截面中心线处单位长度的剪力为：q=t上式称剪力夕为剪力流，Z为剪应力。图1.2箱梁单元体受力图依据文献则有剪力流：q=一亨Sy朱S、(I-I)11y此式实际上就是腹板的剪力流计算式。上面所争论的是对于开口截面而言，在开口截面的自由边缘处，其剪力流q=0o一般来说，箱梁的横截面是封闭的，也就是超静定的，因此，在确定其剪力流时，必需在箱形截面中任一位置处假想有虚构切口，将封闭的横截面视为开口截面。由于封闭截面假想有虚构切口，造成切口的剪力
5、流被切断，为此，必需在切口处分别作用一个未知附加剪力流5,中由截面中切口处的剪切变形协调条件来确定。箱形封闭截面薄壁中的总剪力流q等于开口截面的剪力流qo与附加剪力流5之和，即：q=q0+Qi再依据文献L箱梁总剪力流q为:q=q0+qi=-；(1)-tds当箱形截面关于y轴对称，且外力作用线与y轴重合时，外力不会对截面产生扭矩，附加剪力流qi=O,此时，箱梁剪力流按(I-I)式计算。其剪力流分布图为：图1.3箱梁剪力流分布图可见剪应力在翼缘板上的分布是不匀称的，在腹板与翼缘交界处，剪应力最大，离开腹板越远，剪应力就越小。即剪切变形沿翼缘的分布不匀称。产生弯曲的力通过腹板传递给翼缘板，由于翼板的
6、剪切变形的不匀称性而导致纵向正应力沿着翼板宽度方向呈不匀称分布，其间存在着传力的滞后现象，它与初等梁理论所得到的应力之间的差异，称为剪力滞效应。2箱梁剪力滞效应的影响因素2.1 腹板倾斜角度对剪力滞效应的影响上腹板剪力滞系数和下腹板剪力滞系数在不同的腹板倾斜角度时差别不大,可以推断腹板倾斜角度对箱梁截面剪力滞系数影响不大。腹板倾斜角度越大，下腹板宽度俞窄，上腹板剪力滞系数相应地减小，而下腹板剪力滞系数却增大。总的来说，腹板倾斜角度对剪力滞效应影响不敏感，在实际工程应用中可以用矩形截面来代替梯形截面进行剪力滞分析。2.2悬臂长度对剪力滞效应的影响顶板悬臂长度增大，顶板剪力滞系数增大，底板剪力滞系
7、数减小。悬臂长度对剪力滞效应有肯定影响。2.3 跨宽比L/3对剪力滞效应的膨响跨宽比L/B越大，剪力滞系数越小，连续梁剪力滞系数变化梯度较简支梁大，跨宽比对剪力滞效应影响相当大。2.4 /$/对剪力滞效应的影响翼缘板的刚度占梁总刚度的比IJl越大，箱梁剪力滞效应也随之增加，而且这种曲线的梯度在连续梁上更陡些。实际上，的变化也反映箱梁宽高比B/h的变化，B/h增大，剪力滞系数也增大，这说明宽箱梁的剪力滞系数要比窄箱梁的剪力滞系数严峻。2. 5不同荷载对剪力滞效应的影响(1)集中荷载作用下，剪力滞效应只对局部区域有影响。如本简支体系，集中荷载对剪力滞效应的影响在2m左右范围内；(2)愈靠近梁的支点
8、剪力滞系数愈大；2.1 均布荷载作用下剪力滞系数要比集中荷载作用下剪力滞系数小，而且跨中与支座的值相差不大，支座的值稍大些。3箱梁剪力滞的分析方法2.2 弹性理论解法(1)正交异性板法。正交异性板法是把肋板结构比拟成正交异性板，其肋的面积假定均摊在整个板上，然后应用弹性薄板理论，从边界条件动身，导出肋板结构的应力和挠度公式，获得剪滞问题的解。EReissner早在1938年把上下板为波纹状的悬臂矩形箱梁截面的剪力滞问题比拟成一正交异性板进行了分析和争论，并作了一些近似简化处理。蔡松柏、程翔云等将11形梁视为TimOShenko梁和平面应力板的组合，求得了在横向荷载和轴向偏压荷载作用下满意全部边
9、界条件和掌握方程的弹性力学解析解。(2)折板理论法。折板理论法是将箱梁离散为若干矩形板，以弹性平面应力理论和板的弯曲理论为基础，采用各板接合处的变形和静力平衡条件，建立方程组，可用矩阵形式进行计算。弹性折板理论首先是由Goldberg和Leve等提出并由DefriesSkeme和scor-delis写成矩阵形式而适应于计算机的分析。YoShimUrd将折板理论推广应用于曲线梁桥的剪力滞分析，并争论了曲率对剪滞效应的影响。(3)板壳理论将各种截面外形的箱梁看作为板单元和壳体单元的组合体，并分别采纳板的理论和筒壳理论加以处理。它于1976年由吉普逊和来特瓦利提出。弹性理论所求均为精确解，但其计算过
10、于繁琐，难于应用到简单的结构中,2.3 比拟杆法比拟杆法是将薄壁箱梁看成由很多抱负化的加劲杆组成，其间的薄板将加劲杆联在一起受力。这些抱负化的加劲杆承受轴力切面积等于实际加劲杆，而等效的薄板仅承受水平剪力。通过抱负化加劲杆的内力来确定每块板的剪力滞。最早是Younger,他提出了“加劲薄板理论”，即用等厚连续薄板来代替离散的纵向加劲肋，并假设由它承受全部的轴向荷载。后英国学者Evans和Taherian作了进一步的改进，提出了“三杆比拟法”理论，使之更适用于一般矩形箱梁结构的剪力滞分析。国内学者程翔云教授等在上述争论的基础上，提出了用样条函数靠近法求解高阶微分方程组。比拟杆法通过一些基本假设，
11、简化了力学模型,便利了计算，但它只适合于等截面箱梁，对于一些简单力系和简单结构的剪力滞分析仍旧有肯定的困难。3. 3能量变分法能量变分法是从假定箱梁翼板的纵向位移模式动身，以梁的竖向位移和描述翼板剪力滞的纵向位移转角差的广义位移函数为未知数，应用最小势能原理，建立掌握微分方程，从而获得应力和挠度的闭合解。能量变分法最早由Reisser提出，他假设翼板的纵向位移沿横向按二次抛物线分布，然后依据最小势能原理，导出了梁的微分方程，第一次胜利地应用能量变分法分析了双轴对称矩形箱梁剪力滞问题。国内学者郭金琼教授等在ReiSSer微分方程的基础上，将翼板纵向位移沿横向分布函数修改为三次抛物线，并用模型试验
12、和数值分析加以验证。韦成龙采用传递矩阵法实现了变截面梁的解析解。近几年来，能量变分法又被推广应用于曲线箱梁和复合材料箱梁的剪滞效应分析，并获得了良好结果。能量变分法可以获得闭合解，不仅能描绘出任意截面剪滞效应的函数图像，而且还可以定性地分析每种不同参数的影响状况，这种方法在桥梁初步设计中，颇受工程师的欢迎，是最为广泛应用的一种方法。3. 4数值解法(1)有限单元法。有限单元法是解决各种简单工程问题的一种行之有效的数值分析法,它能用来分析等截面或变截面梁桥的剪力滞问题。它是由计算机模拟完成的能获得较全面而精确的应力分布图像，但它所花的机时和贮存量太大，一般难以满意有用要求，尤其在初步设计阶段，工
13、程一般采纳简捷方法。一般只作为一种数值验证的方法。(2)有限条法。有限条法是从有限单元法进展出来的一种半解析方法，与有限单元法相比，它具有简洁、计算量小的优点,此法是分析等截面简支梁桥的有效方法。目前国内外很多学者采纳了这种方法分析箱形梁的剪力滞。(3)有限差分法。有限差分法是一种传统的方法，此法是在能量变分法所求得的剪滞微分方程组基础上，给出相应的有限差分格式，进行变截面箱梁桥的剪滞分析。张士铎教授用此法对直线变截面悬臂梁的剪力滞进行了分析，并研讨了负剪力滞规律。(4)有限段法。有限段法也是从有限单元法进展出来的一种半解析法。罗旗帜教授提出了一种分析剪滞效应的有限段法，该法以剪力滞微分方程的
14、齐次解为位移模式，建立了平面梁单元的半解析有限段模型，将三维空间问题简化为一维空间，实现了在结构分析中自动计入剪滞效应的功能。该法又被推广应用于斜拉桥、变截面箱梁桥及曲线箱梁桥的剪力滞分析。3. 5模型试验科学试验是重大工程建设中必不行缺的一环,是为结构分析供应数据和结论的主要手段之一，也是检验数值理论和解析理论正确性的主要依据。近几年来，随着大跨径桥梁的快速进展，为确保工程的平安性和牢靠性，设计人员常采纳模似实桥进行试验争论。结构模型试验因不受简化假定的影响，能更实际地反映结构的各种物理现象、规律和量值。对于一些简单的结构和简单状况用计算机来完全模拟还有困难,而模型试验却可清楚且直观地展现这
15、种状况下整个结构从受载直到破坏的全过程。4箱梁剪力滞亟待解决的若干问题及展望4.1负剪力滞效应的产生气理和分析方法的争论剪力滞效应可分为正剪力滞效应和负剪力滞效应,若翼缘与腹板交界处的正应力小于初等梁理论的计算值，则称为负剪力滞。负剪力滞效应常被认为是一种反常的力学现象，目前对负剪力滞效应产生的机理还没有一个准确的解释，其全面解释还有待于进一步的争论和研讨。4. 2箱梁剪力滞效应分析的综合理论和分析方法的建立针对混凝土箱梁剪力滞效应的争论大多局限在某一领域,还没有一个综合性的精确的求解理论和方法。这些局限了剪力滞理论在更广泛的结构形式和体系范围内的应用。目前对剪力滞问题的争论多停留在弹性范围内
16、，也有学者开头研讨考虑几何非线性的剪力滞问题，但结合混凝土材料非线性特征的剪力滞争论还几乎没有涉及。大部分的分析理论和方法忽视了预应力对截面产生的正应力的剪力滞效应。预应力是桥梁结构中的一种特殊外荷载，它必定也存在剪力滞问题，影响箱梁结构应力分布，这种影响随着腹板的变薄和翼缘悬臂的增大而更加明显。而对于预应力引起的剪力滞问题，各国法律规范都没有明确的规定和相应条款，也没有定量的依据。此外，混凝土箱梁上作用的荷载多样化、简单化，而当前的理论求解大多只考虑集中荷载或均布荷载等简洁荷载形式。因此，如何建立一个精确考虑结构几何和材料非线性、各种荷载形式及超宽、超高等因素共同作用的综合性的混凝土箱梁剪力
17、滞分析理论和计算方法，是当前剪力滞效应争论进展的一个主要方向。4. 3曲线箱梁桥的剪力滞效应的争论随着城市和山区立交桥、高架桥的修建，曲线箱梁势必得到越来越多的应用，而曲线箱梁的预应力对剪力滞效应的影响必定与直线箱梁有所区分，假如采纳能量变分法或者有限段法、有限差分法等半解析法，则必需要提出一个合理有效的位移函数假定；假如采纳有限元方法，则如何考虑几何和材料非线性，提高分析效率，减低模型分析误差，得到最优解；这些问题都有必要进行深化争论。4.4剪力滞效应分析方法的有用化当前很多理论计算和分析方法特别简单，或需借助于有限元分析，这些方法在实际工程中的应用将导致效率低下,不经济。那么将当前剪力滞分
18、析理论得出的主要成果进一步深化、简化和有用化，在实际工程中推广应用，将是剪力滞效应争论方向之一。参考文献1何光宇.箱梁剪力滞效应的争论与影响因素分析D.南京水利科学争论院,2005.2罗旗帜,吴幼明.薄壁箱梁剪力滞理论的评述和展望J.佛山科学技术学院学报,2001,19(3):29.35.3邹毅松,李成君，易祥军.薄壁箱梁剪力滞效应计算方法争论J交通标准化,2022,(5)93-98.(4王子健.薄壁箱梁剪力滞效应争论D.西南交通高校,2004.5蔺鹏臻.混凝土箱梁剪力滞效应的分析理论与应用争论D.兰州交通高校,2022.6向桂兵,邓小康,胡斯亮.混凝土箱梁桥剪力滞效应分析J西部交通科技,20
19、22,(9):53-57.7陈鸿鸣,乔静宇.混凝土箱梁桥剪力滞争论现状与进展J.结构工程师,2022,27(1):161.166.8周世军.箱梁的剪力滞效应分析J.工程力学,2022,25(2):204-208.19胡欣.箱梁的剪力滞效应争论综述J.科技信息,2022,(23):853868.(10 UI建辉.箱形截面梁的剪力滞效应J.中国新技术新产品,2022,(9):94.95.11秦少卿,聂继超.箱型梁剪力滞的争论综述J福建建材,2022,(1):42.43.DiscussionaboutshearlageffectinboxgirdersAbstract:Boxgirdersareco
20、mmonlyusedasmaingirdersforsimplysupportedgirderbridges,continuousgirderbridges,continuousrigidframebridges,rigidtiedarchbridgesandconcretecable-stayedbridges,thusthespatialmechanicperformanceofboxgirdersisfocusedon,oneofthemostimportantaspectsisshearlageffect.Thispaperdescribesthecausesandinfluencingfactorsofshearlageffectandintroducesseveralcommonlyanalysismethodsforshearlageffect.Intheend,someproblemsonshearlagarepointedtobesolvedanditprovidessomeimportantinformationforfutureresearch.Keywords:boxgirder;shearlag;causes;influencingfactors；prospect
