雙室箱梁剪力滯效應的試驗研究

雒敏，藺鵬臻，孫理想

(蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅蘭州 730070)

雙室箱梁剪力滯效應的試驗研究

雒敏，藺鵬臻，孫理想

(蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅蘭州 730070)

為開展單箱雙室箱梁剪力滯效應的試驗研究，制作了有機玻璃簡支箱梁模型。在容許開裂范圍內(nèi)，對該試驗箱梁進行集中力作用于跨中截面三腹板上方、兩對稱邊腹板上方和中腹板上方的加載。采用DH3816應變采集儀測得跨中及1/4跨截面各關(guān)鍵點應變值，并用百分表測得箱梁各關(guān)鍵截面撓度值。測量得到的截面應力分布規(guī)律驗證了箱梁截面剪力滯效應的存在。同時對該有機玻璃簡支箱梁，采用空間板殼數(shù)值方法計算了3種集中力工況下截面的剪力滯分布規(guī)律。結(jié)果表明，集中力作用下雙室箱梁各翼板間存在明顯的剪力滯效應，且荷載的橫向作用位置對箱梁截面剪力滯效應影響較大。

雙室箱梁 剪力滯 模型試驗 有限元

箱梁由于抗彎和抗扭剛度大、截面整體性好和施工適應性強等優(yōu)點被廣泛應用于工程實際中［1］。當荷載作用于箱梁時，箱梁產(chǎn)生豎向彎曲，且其上、下翼板由于其剪切變形的影響，使得翼板的彎曲正應力沿橫向不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為剪力滯效應［2］。對剪力滯效應的研究，通常有理論分析方法、數(shù)值模擬方法和試驗研究方法。其中試驗研究方法可以直觀地驗證理論和數(shù)值模擬方法的正確性，從而得到廣泛的應用。文獻［3］以福建閩江三橋北引橋為例，制作有機玻璃模型，進行了1∶25的有機玻璃模型結(jié)構(gòu)試驗，探討了對稱彎曲時變截面箱梁的剪力滯后效應，以及偏心荷載作用下變載面箱梁的內(nèi)力分布特性。文獻［4］通過有機玻璃箱梁模型試驗分析了變截面箱梁及特殊支承連續(xù)箱梁等復雜結(jié)構(gòu)的剪力滯效應，驗證所提出的梁段單元用于分析復雜箱梁的剪力滯效應是可靠的。文獻［5］進行了正截面工作階段及帶裂縫工作階段的試驗，驗證了考慮混凝土材料非線性、剪力滯及腹板剪切變形的有限梁段法在混凝土箱梁中的適用性。文獻［6］采用有機玻璃箱梁模型對變高度連續(xù)箱梁及曲線連續(xù)箱梁剪力滯效應進行研究，驗證了有限梁段法在變高度連續(xù)箱梁及曲線連續(xù)箱梁中的適用性。文獻［7］用復合材料構(gòu)成的兩跨連續(xù)箱梁，通過對比試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)，分析了影響箱梁剪力滯效應的原因。由于不同加載方式下雙室箱梁各腹板間剪力流分布的差異，翼板的剪力滯效應分布規(guī)律必然不同。故考慮加載方式對雙室箱梁剪力滯效應的影響研究是非常必要的。但已有研究中，對不同加載方式下箱梁剪力滯效應的模型試驗研究還較少。

近年來，伴隨著對箱梁剪力滯效應理論研究［8－12］的進一步深入，模型試驗研究也發(fā)揮著越來越重要的作用。結(jié)構(gòu)模型試驗因不受簡化假定的影響，能更實際地反映結(jié)構(gòu)的行為，可清晰且直觀地展示整個結(jié)構(gòu)從受載到破壞的全過程，故本文以典型的單箱雙室簡支箱梁為研究對象，利用試驗方法，研究集中力不同作用方式下箱梁截面的剪力滯分布規(guī)律。

1 模型及試驗

1.1 試驗目的

通過有機玻璃簡支箱梁模型試驗，主要測試箱梁截面縱向應力分布情況以及各截面撓度情況。對試驗梁沿橫向不同位置加載集中力，獲得各荷載工況下截面的剪力滯分布規(guī)律，為進一步的理論分析和工程實踐提供依據(jù)，對有限元數(shù)值模擬進行驗證。

1.2 試驗內(nèi)容

試驗中進行了3種集中力工況的加載，如圖1所示。具體如下:①集中力作用于跨中截面三腹板上方時，測試控制截面的應力與撓度。②集中力作用于跨中截面兩對稱邊腹板上方時，測試控制截面的應力與撓度。③集中力作用于跨中截面中腹板上方時，測試控制截面的應力與撓度。

圖1 集中力作用點

1.3 有機玻璃箱梁模型

依據(jù)本文所要研究的問題以及借鑒以往有機玻璃箱梁模型，制作了雙室有機玻璃簡支箱梁模型。模型的橫截面尺寸如圖2所示。

1.4 測點布置

應變片用結(jié)構(gòu)膠粘貼在箱梁表面，并和導線焊接后引出，用萬用表對應變片逐一檢查，以保證應變片正常工作。在單箱雙室箱梁模型跨中和1/4跨截面處貼有縱向應變片，跨中和1/4跨截面處應變片各布置20片且布置位置相同，如圖3所示。

圖2 箱梁1/2橫截面(單位:mm)

圖3 跨中及1/4跨截面應變片布置

1.5 加載方法

將DH3816應變采集儀與電腦連接，采用溫度自補償方法測定應變值，用百分表測取箱梁撓度。加載前對傳感器進行標定，標定功能反映系統(tǒng)工作的可信程度，本試驗中使用的多點同步加載裝置通過面板(人機對話界面)上的標定開關(guān)，可以方便地在工作現(xiàn)場對各監(jiān)測通道的信號做出比較和更新，并且當前標定值一旦確認，無須專門存盤操作，下次開機即為最新標定結(jié)果。在跨中截面腹板上方同時施加集中荷載P，施加跨中集中力過程中，采用電腦控制3個電壓千斤頂及荷載傳感器，配合橡膠墊塊分級加載來實現(xiàn)。每一級荷載以0.4 kN的數(shù)量遞增，加載至跨中集中力P=1.2 kN后(此時梁體未開裂)，停止加載，整個加載過程共分3級。然后以同樣的荷載級數(shù)完成卸載。每級加載后，等待讀數(shù)穩(wěn)定5 min再進行讀數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

基于有機玻璃試驗模型尺寸建立Ansys有限元數(shù)值模型，分別計算出3種集中力工況下的截面應力及撓度。試驗模型為跨度1 000 mm的簡支箱梁，截面尺寸見圖2，由拉伸試驗測得有機玻璃的彈性模量E= 2 600 MPa，泊松比μ=0.385，跨中集中力P=1.2 kN，取6個同規(guī)格鋼圓柱支承于兩梁端截面三腹板對應底板下方。

2.1 跨中集中力分析

跨中是其應力和變形較大的部位。本文試驗測試值和由Ansys板殼數(shù)值解獲得的單箱雙室簡支梁跨中截面翼板的縱向應力如圖4所示。

從圖4可知:①本試驗測試值與Ansys板殼數(shù)值分析結(jié)果的分布規(guī)律和數(shù)值大小均非常接近，兩者具有基本相同的截面應力分布趨勢，試驗結(jié)果驗證了有限元數(shù)值模擬在箱梁中運用的可行性。②由于實測數(shù)據(jù)受到很多因素的影響，且諸多因素在試驗中具有不可模擬性和不可控制性，所以測試所得的數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)存在差異。在該試驗中，外界溫度應力、加載速度、測試器材精度等的影響使得應變傳感器實際測得的應變是考慮各種因素之后應變的總和。因溫度較低、應變傳感器精度不夠、加載不穩(wěn)定等因素導致實測數(shù)據(jù)存在一定的誤差。故剪力滯效應試驗研究時需要采用更穩(wěn)定的測試器材和較穩(wěn)定的環(huán)境。

圖43 種集中力工況下1/2跨截面應力分布

試驗結(jié)果表明，集中力作用下的剪力滯效應在靠近腹板一定范圍內(nèi)較大。雖然梁體承受對稱豎向彎曲荷載，但邊腹板和中腹板處頂、底板的應力存在較大差異。集中力作用于跨中截面三腹板上方時邊腹板位置處頂板應力與中腹板位置處頂板應力最大相差1% ;集中力作用于跨中截面兩對稱邊腹板上方時邊腹板位置處頂板應力與中腹板位置處頂板應力最大相差可達12% ;集中力作用于跨中截面中腹板上方時邊腹板位置處頂板應力與中腹板位置處頂板應力最大相差可達116.5% 。這說明，荷載橫向作用位置對剪力滯效應的影響非常顯著，尤其是只有一個集中力作用于跨中截面中腹板上方時邊腹板和中腹板部位頂、底板的應力差異最大。本試驗可以為工程實踐提供一定的參考，在進行強度設計時應考慮荷載的橫向作用位置引起的剪力滯變化。

集中力作用在跨中截面時，3種不同作用點對1/4跨截面處剪力滯作用的影響均不大，邊腹板和中腹板處的頂板應力相差很小。

2.2 雙室箱梁撓度分析

簡支箱梁在集中荷載作用下，初等梁理論、Ansys板殼數(shù)值解和試驗求得的梁體中腹板、邊腹板部位撓度沿跨度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在集中荷載作用下，由于剪力滯效應的存在使得整個梁體撓度均增大。

圖5 雙室箱梁中腹板與邊腹板處撓度對比

由圖5可知:利用有限元方法考慮剪力滯對撓度影響的計算結(jié)果與實測結(jié)果的規(guī)律一致，兩者的計算結(jié)果得到了相互驗證。但中腹板和邊腹板處沿縱向撓度的Ansys板殼解在數(shù)值上均小于實測結(jié)果。這主要是由于兩方面的原因造成:實際模型梁支座的約束條件不是理想鉸支;試驗手段和儀器測試存在一定的誤差，加載的部分偏移會引起梁底兩側(cè)撓度的較大差異。但計算與實測結(jié)果的差別總體較小，滿足工程精度要求，且實測結(jié)果的變化規(guī)律與有限元模擬結(jié)果一致性較好，試驗結(jié)果驗證了有限元數(shù)值方法在箱梁剪力滯效應分析中運用的可行性。集中荷載作用下無論中腹板處還是邊腹板處剪力滯效應均增加了其撓度。相對于經(jīng)典初等梁理論值，考慮剪力滯后跨中截面的撓度增加幅度最大，達到25% 。同一截面不同位置處撓度亦存在較小差異，如跨中截面邊腹板處撓度與中腹板處撓度相差為6% 。故在工程設計時應充分考慮剪力滯效應對梁體撓度的影響，避免梁體撓度過大而破壞。

3 結(jié)論

1)單箱雙室簡支箱梁在集中荷載下試驗值與Ansys板殼數(shù)值解的數(shù)值大小和變化規(guī)律均基本接近，本試驗能很好地反應單箱雙室箱梁的剪力滯效應。

2)集中力作用下的剪力滯效應在靠近腹板處明顯，雖然梁體承受對稱豎向彎曲荷載，但邊腹板和中腹板處頂、底板的應力存在較大差異，剪力滯效應亦存在明顯的局部差異。

3)剪力滯效應的存在使得整個梁體撓度均增大。跨中截面撓度增幅達25% 。故在工程設計施工時應充分考慮剪力滯效應對梁體撓度的影響，避免梁體撓度過大而破壞。

［1］郭金瓊，房貞政，鄭振.箱型梁設計理論［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］REISSNER E.Analysis of Shear Lag in Box Beams by the Principle of Minimum Potential Energy［J］.Quarterly of Applied Mathematics，1946，5(3):268－278.

［3］房貞政，郭金瓊.變截面連續(xù)箱梁模型試驗研究［J］.中國公路學報，1995，4(8):59－63.

［4］張元海，王來林，李喬.箱型梁剪滯效應分析的一維有限元法及其應用［J］.土木工程學報，2010，43(8):44－49.

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［6］吳幼明，羅旗幟，岳珠峰.變高度連續(xù)箱梁剪力滯效應試驗研究［J］.實驗力學，2004，19(1):85－90.

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Experimental study on shear lag effect of twin-cell box girder

LUO Min，LIN Pengzhen，SUN Lixiang
(Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

A simply supported plexiglass box girder model was manufactured to study shear lag effect in twin－cell box girder.There are three loading cases:concentrate loads at all three webs，at two side webs，or at middle web.Strain at 1/4 span and mid－span was measured with DH3816 strain measurement device.Deflection was also measured with dial gauge.The effect of shear lag was observed.Also，shear lag effect of this plexiglass box girder was calculated through numerical analysis of spatial plate and shell.Results showthat shear lab effect is distinct under the concentrated loads.The transverse location of loads significantly affects shear lag effect in box girder.

T win－cell box girder;Shear lag;M odel test;Finite element

U448.21+3;TU317+.1

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.11

(責任審編 趙其文)

1003－1995(2015)10－0056－04

2015－03－02;

2015－06－29

國家自然科學基金項目(51168030，51208242，51368031);甘肅省杰出青年基金項目(1210RJDA009);中國博士后科學基金項目(2012M521815);教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”項目(IRT1139)

雒敏(1991—)，男，助教，博士研究生。