箱型簡支梁在荷載作用下剪力滯效應(yīng)研究

姚 博 李玉寧 黃 佩 王 彪 劉 剛

（西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730030）

0 引言

如今，箱型梁因為其自身具有的抗彎、抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)輕盈，適應(yīng)于現(xiàn)代化施工等優(yōu)點，在越來越多的橋梁設(shè)計中被應(yīng)用。但由于箱型梁受彎時橫截面上的剪切變形對梁縱向位移的影響，此時截面的正應(yīng)力已經(jīng)不再滿足初等梁理論的平截面假定，這使得靠近梁肋的翼緣參與承彎工作的程度比遠(yuǎn)離梁肋的翼緣大，即通常存在沿橫向翼緣方向應(yīng)力分布不均勻的剪力滯后現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致局部應(yīng)力較為集中。為了在工程實際中能夠繼續(xù)使用較為簡單的初等梁理論公式進行計算，又能得出翼緣板實際應(yīng)力的最大值，通常采用“翼緣有效分布寬度”的方法進行處理，即認(rèn)為在翼緣有效分布寬度范圍內(nèi)均勻分布的應(yīng)力等效于梁整個翼緣上分布的實際應(yīng)力。

若剪力滯效應(yīng)過大，梁肋與翼緣交接處應(yīng)力設(shè)計值甚至?xí)浅醯攘豪碚搼?yīng)力計算值的1.3 倍[2]，這明顯超過了梁承載能力的安全范圍。若橋梁設(shè)計時不考慮剪力滯效應(yīng)對梁的影響，就容易導(dǎo)致梁局部的開裂[3]，影響梁結(jié)構(gòu)的安全性。在19世紀(jì)70 年代前后，在歐洲等地發(fā)生了鋼箱梁橋的破損事故，其主要原因之一就是橋梁在設(shè)計時忽略了箱型梁的剪力滯效應(yīng)引起的局部應(yīng)力集中問題。因此只有對梁的剪力滯分布情況有一個清楚的認(rèn)識，才能在設(shè)計中做到更加合理，防止可能出現(xiàn)局部的開裂。針對此問題筆者對有機玻璃制作而成的簡支箱梁模型[4]進行了集中荷載與均布荷載的加載實驗，并對結(jié)果進行分析，以得到箱型梁在不同荷載工況下的剪力滯分布情況，對實際工程具有顯著的參考作用。

1 模型準(zhǔn)備

該模型參照了橋梁設(shè)計相關(guān)規(guī)范[5]，并結(jié)合工程實際，確定了箱型梁的截面尺寸與構(gòu)造，利用氯仿粘接有機玻璃板制得兩個箱型梁模型，實際跨徑為120cm，計算跨徑為110cm。分別在梁的跨中截面、1/4 截面、支座內(nèi)側(cè)截面布置應(yīng)變測點。模型截面尺寸與測點布置詳見于圖1。經(jīng)實測，得到有機玻璃泊松比μ=0.38，彈性模量E=2930MPa。

圖1 模型截面尺寸與測點布置圖

2 荷載實驗

為得到在不同工況下箱型簡支梁的剪力滯效應(yīng)分布情況，本實驗確定加載方式為跨中施加集中荷載以及計算跨徑施加均布荷載。集中荷載分4 級進行加載，安全起見，以該簡支箱梁模型理論極限承載值的75%作為第4 級荷載，荷載分級為2KN，4KN，6KN，8KN；均布荷載分4 級進行加載，同樣以該簡支箱梁模型理論極限承載值的75%作為第4 級荷載，荷載分級為4KN，8KN，12KN，16KN。

為了更準(zhǔn)確的模擬在簡支箱梁模型上施加集中荷載與均布荷載，該實驗通過在加載截面頂板處設(shè)置分配梁，在分配梁上對稱放置兩個液壓千斤頂，在分配梁與模型頂板之間設(shè)置單個受力桿或一層薄沙，以此分別模擬豎向集中荷載和均布荷載工況[6]。各個測點的應(yīng)變值均采用DH3816 靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)測得。

3 實驗結(jié)果與分析

為更簡便的描述剪力滯效應(yīng)對梁彎曲正應(yīng)力的影響，衡量剪力滯效應(yīng)的大小，通常引入剪力滯系數(shù)λ，即考慮剪力滯效應(yīng)后的正應(yīng)力σ 與按初等梁理論計算得到的正應(yīng)力 'σ 的比值。梁截面某一部位的剪力滯系數(shù)越大，則說明在該部位剪力滯效應(yīng)的影響就越大，在梁的實際設(shè)計中就有必要考慮剪力滯效應(yīng)。圖2、圖3分別是簡支箱梁模型在集中荷載與均布荷載作用下跨中截面、1/4 截面、支座內(nèi)側(cè)截面頂板的剪力滯系數(shù)分布情況。

圖2 集中荷載工況頂板各截面剪力滯系數(shù)變化曲線

圖3 均布荷載工況頂板各截面剪力滯系數(shù)變化曲線

3.1 沿梁的縱向分析：

集中荷載工況下，梁的跨中截面剪力滯效應(yīng)最大，而在均布荷載工況下，梁的支座內(nèi)側(cè)截面剪力滯效應(yīng)最大，由此可推斷，在跨中施加集中荷載時，支座截面到跨中截面的剪力滯影響越來越嚴(yán)重，在計算跨徑施加均布荷載時，跨中截面到支座截面的剪力滯影響越來越嚴(yán)重。

在集中荷載與均布荷載工況下各自的剪力滯影響最大截面上，僅第三級荷載作用下的最大剪力滯系數(shù)均已超過1.2，甚至接近1.3。這表明，局部應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了初等梁理論應(yīng)力計算值的1.2 倍以上，因此在簡支箱梁設(shè)計中有必要考慮剪力滯效應(yīng)。

3.2 沿梁的橫向分析：

箱型梁模型在集中荷載與均布荷載工況下，頂板在各個截面處均出現(xiàn)明顯的剪力滯效應(yīng)。

在集中荷載工況下，跨中截面的剪力滯效應(yīng)要比在均布荷載工況下各個截面的剪力滯效應(yīng)明顯，剪力滯系數(shù)曲線變化幅度也相對較大。這可能是由于在集中荷載作用的附近，梁截面各個部分的變形量相對較大，導(dǎo)致其剪力滯效應(yīng)比均布荷載作用時更為明顯。

4 結(jié)論

本文通過對有機玻璃制作而成的箱型簡支梁模型進行荷載實驗，對簡支箱梁的剪力滯效應(yīng)進行了研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）箱型簡支梁在跨中集中荷載作用下的剪力滯影響最不利截面在跨中，而在均布荷載作用下的剪力滯影響最不利截面在支座，因此在簡支箱梁設(shè)計時，應(yīng)充分考慮梁在上述截面的剪力滯效應(yīng)，以避免局部開裂，進而保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）集中荷載工況下的剪力滯效應(yīng)對梁的影響尤為不利，可以考慮通過合理的設(shè)計使集中荷載盡量分散開，以達(dá)到減小剪力滯效應(yīng)的效果。