薄壁箱梁的剪力滯效應(yīng)分析

吳磊

摘 要：薄壁箱梁的剪力滯效應(yīng)是影響橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要因素，剪力滯效應(yīng)的存在影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，會給結(jié)構(gòu)帶來不利的影響。本文以一兩跨等截面連續(xù)梁為研究對象，通過采用兩種不同應(yīng)力計算方法得出的應(yīng)力進行對比，得出剪力滯效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。

關(guān)鍵詞：薄壁箱梁；剪力滯

1 概述

初等梁理論中，我們假定離中性軸同一距離的截面，在彎矩作用下沿寬度方向截面的正應(yīng)力是相等的。實際的帶翼緣板的T梁和箱形截面梁，在對稱垂直力作用下，翼緣板上的正應(yīng)力沿寬度方向呈不均勻的分布狀態(tài)。這種由于腹板處剪力流向翼緣板中傳遞的滯后而導(dǎo)致翼緣板正應(yīng)力沿寬度方向呈不均勻分布的現(xiàn)象，稱為“剪力滯效應(yīng)”。如果靠近腹板處翼緣板中的正應(yīng)力大于初等梁理論的正應(yīng)力，稱為“正剪力滯效應(yīng)”，反之稱為“負剪力滯效應(yīng)”。

在寬翼緣梁的設(shè)計分析中，如果忽略剪力滯效應(yīng)，將低估結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力大小，使其應(yīng)力分布狀態(tài)與實際不符，從而可能造成結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)或破壞。1969年11月至1971年11月，在奧地利、英國、澳大利亞和德國相繼發(fā)生四起鋼箱梁重大事故。事故發(fā)生后，通過橋梁專家的論證與分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計方法上存在嚴(yán)重缺陷，其重要問題就是在剪力滯問題上的考慮不周。國內(nèi)的寧波招寶山斜拉橋在施工中發(fā)生嚴(yán)重事故，專家組研究的結(jié)論認(rèn)為設(shè)計中沒有考慮剪力滯的效應(yīng)是主要因素。

2 結(jié)構(gòu)簡介

本文以跨度為 2*3.182m的兩等跨連續(xù)直梁為研究對象，橫截面如下圖1所示，材料為玻璃鋼。分析在一跨的跨中作用5kN的集中荷載時，箱梁截面的應(yīng)力分布情況。得到結(jié)構(gòu)中間支座截面和兩跨跨中截面各點的剪力滯系數(shù)。

3 初等梁理論正應(yīng)力計算

3.1 箱梁截面特性計算

箱梁跨中截面和支點截面的截面特性采用有限元軟件進行計算。得到：

跨中截面抗彎慣性矩：

支點截面抗彎慣性矩：

3.1 初等梁理論正應(yīng)力計算

按照初等梁理論，在兩個豎向集中力作用下，第一跨和第二跨的跨中彎矩為：

跨中支座的彎矩為：

所以按照初等梁理論所得的應(yīng)力分別為：

4 有限元法正應(yīng)力計算

采用有限元軟件建立了有限元模型，其中箱梁和支座處的橫隔板都采用實體單元進行模擬。有限元模型如圖3所示。

在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)在第一跨跨中、中間支座和第二跨跨中的縱向正應(yīng)變和縱向正應(yīng)力如表1所示：

剔除表1中集中荷載作用處因應(yīng)力集中產(chǎn)生的畸變應(yīng)力，從計算結(jié)果中可以看出：在第一跨和第二跨跨中頂板與腹板交接處，截面的正應(yīng)力為1.9108Mpa（壓應(yīng)力），其數(shù)值小于按初等梁理論的計算結(jié)果2.051Mpa（壓應(yīng)力），可知在此處出現(xiàn)負剪力滯效應(yīng)。在中間支座截面的頂板與腹板交接處，截面的正應(yīng)力為3.253Mpa（拉應(yīng)力），按照初等梁理論的計算結(jié)果為2.17Mpa（拉應(yīng)力），計算此處的剪力滯系數(shù)為1.50。

5 結(jié)論

對薄壁箱梁剪力滯影響比較明顯的因素主要有：作用的荷載類型、荷載作用位置和結(jié)構(gòu)位置、結(jié)構(gòu)的跨寬比、截面翼緣板提供的抗彎剛度與截面總體抗彎剛度的比值。

對于本次所計算的箱梁結(jié)構(gòu)，l/2b=1.591/1.2=1.326，結(jié)構(gòu)的跨寬比比較小，導(dǎo)致在兩跨的跨中頂板與腹板相交的位置出現(xiàn)負剪力滯效應(yīng)，在支座截面頂板與腹板相交的位置出現(xiàn)正剪力滯效應(yīng)。

參考文獻

[1] 雷娟娟，張元海.薄壁箱梁的剪力滯效應(yīng)分析.蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2010年第4期.

（作者單位：廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司）