波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析_吴文清

波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析_吴文清
波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析_吴文清

波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析

吴文清 万 水 叶见曙

方太云

(东南大学交通学院)

(江苏省交通厅工程质量监督站)

摘要:采用空间有限元法分析了波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应及主要结构参数对剪力滞效应的影响,并通过模型试验验证了计算模型的可靠性;提出了可供工程设计用的剪力滞系数计算经验公式和实用图表;为完善规范有关组合箱梁剪力滞系数的计算提供了理论依据。关键词:剪力滞效应;有限元分析;组合箱梁;波形钢腹板中图分类号:U448.13 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2004)09-0031-06

3-D FINITE ELEMENT A NALYSIS ON SHEAR LAG EFFECT IN C OMPOSITE

BOX GIRDER WITH C ORRUGATED STEEL WEB

Wu Wenqing W an Shui Ye Jianshu (Transportation college of Southeast University )

Fang Taiyun

(Transportation Super vision Station on Engineering Quality ,Jiangsu province )

A bstract :The shear lag effect in the composite box girder with corrugated steel web and the influence of major structural pa -rameters on it were studied with 3-D finite element analysis ,and the reliability of research results was confirmed by the model experimentation .After that ,the practical calculating for mula and chart were put for ward for calculation of the shear lag coeffi -cient in the composite box girder with corrugated steel web ;The r esearch results will also provide the theoretic basis for improv -ing the calculating system about the shear la g effect of c omposite box girder in the code .Keywords :shear lag effect ;finite element analysis ;composite box girder ;corrugated steel web

收稿日期:2002-10-09,收到修改稿日期:2002-12-30

国家自然科学基金资助项目(50078014)

1.引 言

长期以来,减轻预应力混凝土箱梁的重量一直是

工程界十分关注的问题,各国的桥梁工程师都在探讨箱梁桥轻型化的方法。1975年法国学者提出了用波形钢腹板代替混凝土腹板形成一种新的钢-混凝土组合梁[1]

,其典型截面参见图1。与普通混凝土腹板箱梁的受力特性相似[2],箱梁翼板也存在弯曲应力分布不均匀的现象,称为“剪力滞效应”。据文献检索表明此类组合箱梁的剪力滞研究报道极少,因此,非常有必要对该组合箱梁的剪滞效应特性展开研究,为在我国推广应用波形钢腹板组合箱梁桥提供理论分析和技术支持的依据。

本文所研究的波形钢腹板组合箱梁的纵向及横向构造及尺寸[3]参见图2和图3,波形钢腹板组合箱梁配置了体外预应力钢筋。波形钢腹板构造参见图4。

图1 典型构造示意图

Fig .1 The representative structure diagram

图2 组合箱梁纵向剖面图(单位:mm )Fig .2 The longitudinal cross -section (unit :mm )

本文采用空间有限元进行组合箱梁翼板的剪力滞效应

 第37卷第9期土 木 工 程 学 报Vol .37 No .9 2004年9月

CHINA CIVIL E NGINEERING JOURNAL

Sep .2004

图3 箱梁模型基本尺寸(单位:mm )Fig .3 Main dimensions of model (unit :mm

)

图4 波形钢腹板构造示意图(单位:mm )Fig .4 The structure d iagram of Corrugated Steel Web (unit :mm )

分析,系统地分析了波形钢腹板组合箱梁的纵、横向剪滞效应分布规律和主要结构参数(宽跨比、宽高比、悬翼比、波形钢腹板波高等)对剪滞效应的影

响,明确了对剪滞效应有主要影响的结构参数并建立了简支组合箱梁跨中截面最大剪滞系数的经验计算公式;最后通过模型试验和有限元计算结果的比较验证了本文经验计算公式的准确性。

2 空间有限元分析模型的建立

对于波形钢腹板组合箱梁,由于构件受力特性及厚度的不同,决定采用两种不同类型的单元来模拟箱梁结构,即:板壳单元、三维实体单元。

顶、底板用三维实体单元来建模。因腹板的厚度仅1mm ,采用板壳单元来模拟腹板结构较好,在建模时注意波形钢腹板的波折线与顶、底板的波折线完全重合,保证腹板与上、下翼板的节点吻合。横隔板较厚,用三维实体元模拟较好,要注意横隔板与上、下翼板的衔接吻合。为模拟实际情况,横隔板与钢腹板之间没有连接在一起,相互之间不存在制约关系。本文暂不考虑体外预应力钢筋的作用,在模型中未建立预应力钢筋单元。

空间有限元计算模型如图5所示,采用单元自动剖分技术,共得节点总数为17174,单元总数为12126,其中三维实体单元数为9726,板壳单元数为2400。在桥面板上可施加任意形式及大小的集中荷载

或均布荷载,以求得各种加载工况下的应力及变形。

图5 波形钢腹板组合箱梁的有限元计算模型

Fig .5 The FE M model for the composite girder

 

3 剪力滞效应变化规律分析

本文研究的重点是波形钢腹板简支组合箱梁,其

结构受力图式参见图6,假定集中荷载作用于跨中截面两侧腹板处,荷载总值P =25kN ;同样均布荷载q =9.615N /mm 也是对称作用于两侧腹板位置上。

图6 箱梁结构的荷载作用图式Fig .6 The load action mode on the box girder

3.1 跨中截面剪滞效应横向变化规律

在图6荷载作用图式下,应用空间有限元计算模型分别计算了跨中截面上、下翼板的各计算点的剪滞系数横向分布规律,参见图7~图8。图中z 坐标以翼板竖向中心线为原点。

图7 跨中截面顶板剪滞系数横向分布图Fig .7 Transverse distributions of shear -lag

coefficients of top slab in mid -span

图8 跨中截面底板剪滞系数横向分布图Fig .8 Transverse distributions of shear -lag coefficients of bottom slab in mid -span ·32· 土 木 工 程 学 报2004年

对于跨中截面,在集中荷载作用下,简支梁顶板的剪滞效应较严重,最大剪滞系数达1.13;底板的剪滞效应较轻,最大剪滞系数达1.07。在均布荷载作用下,剪滞效应较集中荷载作用下小,顶板最大剪滞系数约1.07,底板剪滞系数约为1.03。

从图7~8可以看出,无论在集中荷载或均布荷载作用下,跨中截面均发生正剪力滞效应,以腹板与肋板交界处的剪滞效应为严重,该处的剪滞系数为最大值,而且腹板左右的悬臂板与上翼板承受的纵向应力并不对称,悬臂板承受的纵向正应力(压应力)较小,可见对于大悬臂板而言,不宜使悬臂宽度和上翼板的宽度相差太大。3.2 剪滞效应纵向变化规律

以下研究单点集中荷载沿箱梁纵向轴移动时相应的受载截面最大剪滞系数和均布荷载作用下各截面最大剪滞系数沿纵向变化情况。此处x 坐标以箱梁左端点为坐标原点,且后文所说的剪滞系数均为肋板与翼板交界处的系数值。由图9可以看出,集中荷载作用下顶板剪滞效应较底板严重一些,其横截面上剪滞系数从左四分点(x =700mm )至右四分点(x =1900m m )范围内变化不大,可取用相同值1.15;当荷载作用位置接近支点位置时,剪滞系数明显增大,在支点截面附近最大剪滞系数大约在2.0左右;从四分点至端支点范围内,剪滞系数可按线性内插取值。由于支点截面附近的弯矩很小,尽管支点附近剪滞系数较大,但对简支梁的抗弯设计影响不大,故全跨可均取跨中截面的剪滞系数即可。底板的最大剪滞系数沿纵向变化相对较缓,且数值上均低于顶板,为简化起见可均取顶板的剪滞系数值

图9 集中荷载作用下各截面剪滞系数变化Fig .9 Variations of shear -lag coefficients along the lon gitudinal direction under the concentrated load

由图10可以看出,均布荷载作用下顶、底板的剪滞效应纵向变化规律非常接近,在跨中截面处顶板的剪滞系数稍大于底板的剪滞系数值,但总的来说,剪滞系数值均小于集中荷载作用下的剪滞系数值。

另外无论在集中荷载还是在均布荷载作用下,简

支组合箱梁翼板沿翼板纵向各截面均出现正剪力滞效应,即最大剪滞系数均大于1.0

图10 均布荷载下各截面剪滞系数变化Fig .10 Variations of s hear -lag coefficients along the lon gitudinal direction under the uniformly distributed load

3.3 影响剪滞效应的结构参数敏感性分析

以下将讨论结构几何参数如翼板宽度、箱梁高度、跨度、顶板的悬臂板与上翼板的比值关系及波形钢腹板波高等几何参数的变化对简支组合箱梁跨中截面剪滞效应的影响,从整体上把握该组合箱梁剪滞效应的变化规律。3.3.1 宽跨比(B /L )对L /2截面剪滞系数的影响

现设计算跨度L =2400mm ,分别设顶板总宽度B =

240mm ,

480mm ,

720mm ,

960mm ,

1200mm ,

1440mm ,1680mm ,1920mm ,2160mm ,2400mm 即考虑宽跨比B /L 分别为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,研究简支箱梁在竖向荷载作用下跨中截面翼板最大剪滞系数随宽跨比的变化。图11为箱梁在集中荷载作用下的计算结果,图12为在均布荷载作用下的计算结果

图11 集中荷载下剪滞系数随B /L 的变化图Fig .11 Variations of shear -lag coefficients with

B /L under the concentrated load

由图11可以看出,在集中荷载作用下顶、底板的剪滞系数分布图非常接近,当宽跨比B /L 由0.1变化至1.0时,最大剪滞系数λ由1.04变化至1.83,

·

33· 第37卷 第9期吴文清等·波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析

图12 均布荷载下剪滞系数随B /L 的变化图Fig .12 Variations of shear -lag coefficients with B /L

under the uniformly distributed load

变化比较明显;应用最小二乘法进行回归,可得二次回归式为λ=0.49(B /L )2

+0.334(B /L )+0.9953,利用该经验公式,代入宽跨比B /L 就可计算得到相应的最大剪滞系数值。

同样由图12可以看出,当宽跨比B /L 由0.1变化至1.0时,顶板剪滞系数由1.02变化至1.27,数值上也有较明显的变化;底板的剪滞系数不如顶板的变化大。顶板的剪滞系数变化值经回归统计得到二次多项式为λ=0.16(B /L )2+0.105(B /L )+1.0026。3.3.2 宽高比(B /H )对L /2截面剪滞系数的影响

现设顶板总宽度B =800mm ,分别设箱梁高度H =266mm ,200mm ,160mm ,133mm ,114m m ,即考虑宽高比B /H 分别为3,4,5,6,7,研究简支箱梁在竖向荷载作用下翼板最大剪滞系数随宽高比的变化。图13为箱梁在集中荷载作用下的计算结果,图14为在均布荷载作用下的计算结果

图13 集中荷载下剪滞系数随B /H 的变化图Fig .13 Variations of shear -lag coefficients with

B /H under the concentrated load

由图13~14可以看出,波形钢腹板组合箱梁的高度变化对翼板剪滞效应几乎没有影响,由此可认为在计算该类箱梁的剪滞效应时不用考虑箱梁高度的影响。

3.3.3 悬翼比(a /b 1)对L /2截面剪滞系数的影响

由于顶板的悬臂板和上翼板不等宽,现在研究悬

臂板宽度a 和上翼板的半宽b 1的比值a /b 1(称为悬

翼比)变化对剪滞效应的影响。设翼板的半宽为b 1=150mm ,变化悬臂板的宽度a =75mm 、150mm 、225mm 及300mm ,即悬翼比a /b 1=0.5、1.0、1.5、2.0。图15为集中荷载作用下悬翼比a /b 1和剪滞系

数的关系图,图16为均布荷载作用下悬翼比a /b 1和剪滞系数的关系图。

图14 均布荷载下剪滞系数随B /H 的变化图Fig .14 Variations of shear -lag coefficients with

B /H under the uniformly distributed load

图15 集中荷载下剪滞系数随a /b 1的变化图Fig .15 Variations of shear -lag coefficients with

a /

b 1under the concentrated load

图16 均布荷载下剪滞系数随a /b 1的变化图

Fig .16 Variations of shear -lag coefficients with

a /

b 1under the uniformly distributed load

由图15可以看出,集中荷载作用下悬翼比

(a /b 1)对顶板剪滞系数似乎有较大的影响,但仔细分析该问题就会发现,当悬臂板宽度在变化时,宽跨比(B /L )同时也在变化,即同时有两个参数在变化,如表1所示。通过对这几组数据的统计分析,可得出B /L 、a /b 1与最大剪滞系数λma x 的关系式为:

λmax =

1+3.86753×(B /L )2+0.001556×(a /b 1)2·34· 土 木 工 程 学 报2004年

表1 悬翼比和宽跨比同时变化剪滞系数比较表

Table 1 Variation of shear -lag coefficients with a /b 1and B /L

a /

b 1B /L 最大剪滞系数

0.50.1875

1.066

1.00.2501.1031.50.3121.167

2.0

0.375

1.245

由该式可以看出,对剪滞系数有主要影响的是参数宽跨比(B /L )。悬翼比(a /b 1)的影响很小,可

忽略不计。由图16可以看出,在均布荷载作用下剪滞系数随着a /b 1的变化也有一些改变,但通过同样的分析也可得出如集中荷载作用下的相同结论,即悬翼比a /b 1不对剪滞系数的改变产生影响。3.3.4 波形钢腹板波高h 对L /2截面剪滞系数的影响

为研究波形钢板的波高h 的变化对翼板剪滞效应的影响,本文分别计算了波高h =0mm ,4mm ,8mm ,12mm ,16mm 时相应的剪滞系数。图17~18是集中荷载和均布荷载作用下翼板剪滞系数随波高的变化图

图17 集中荷载下剪滞系数随波高h 的变化图Fig .17 Variations of shear -lag coefficients with wave -height h under the concentrated

load

图18 均布荷载下剪滞系数随波高h 的变化图Fig .18 Variations of shear -lag coefficients with wave -height h under the uniformly distributed load

 

从图17可以看出,波高h 从0m m (直钢板)变化至16mm 时,集中荷载作用下跨中截面顶板的最大剪滞系数从1.26降至1.13,变化不大;同时底板的

剪滞系数变化很小。由图18可以看出,在均布荷载作用下波高变化对剪滞效应的影响很小。总之,在波高h 正常变化范围内(h =8~16mm ),为简化计不用考虑波高对此的影响。

4 剪力滞系数讨论

4.1 模型试验及分析验证

为分析验证有限元模型计算结果的可靠性,按照图2~4所示的模型尺寸制作了波形钢腹板组合箱梁模型试验梁[3]

,根据图6所示的加载模式进行了加载试验,实测了翼板的纵向正应力,并计算上、下翼板

的最大剪滞系数值。在表2中比较了跨中截面实测剪滞系数值、有限元模型计算值、能量变分法计算值及

本文经验公式计算值。

表2 跨中截面翼板的最大正应力值及最大剪力滞系数

Ta ble 2 The maximum values of norm al stress and shear -lag coefficient in m id -span

工况最大应力值/MPa

位置试验值有限元变分法初等理论剪力滞系数λ

试验值有限元变分法经验公式单点顶板-1.85-1.98

-1.89

-1.75

1.06

1.131.08

1.16

荷载底板5.525.605.575.341.031.051.041.16均布顶板-0.85-0.83-0.82-0.811.051.021.011.05荷载

底板

2.54

2.50

2.55

2.47

1.03

1.01

1.03

1.05

注:集中荷载值为25kN ,均布荷载值为9.62kN /m ,正应力以拉为“+”,以压为“-”

表3 波形钢腹板简支组合箱梁剪滞系数实用计算表Ta ble 3 The practical calculating form for shear -lag coefficients

荷载截面宽跨比(B /L )

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0集中荷载

跨中截面1.0361.0831.125

1.211

1.306

1.3601.464

1.5851.6841.824经验公式λ=0.49(B /L )2

+0.334(B /L )+0.9953

均布

跨中1.017

1.0301.043

1.069

1.101

1.123

1.159

1.188

1.226

1.271

2

·

35· 第37卷 第9期吴文清等·波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析

虽然在模型试验梁中配置了体外预应力钢筋,但由于体外预应力钢筋受力变形的复杂性,表2中有限元方法和变分法等理论计算结果都未考虑体外预应力钢筋的作用。经过作者对此问题的初步计算,发现施加体外预应力对简支梁跨中截面的剪力滞效应影响很小。有关在体外预应力作用下该组合箱梁剪力滞效应的问题,作者将另文探讨。

由表2可知,有限元模型计算值与模型试验实测值、能量变分法计算值均接近,说明所建立的空间有限元模型是可靠的;经验公式计算值一般稍大于有限元模型计算值,作为工程设计之用是可靠的;经验公式对上、下翼板均取用统一的剪滞系数值,形式简单,结果可靠。4.2 经验计算公式和计算图表

从工程实际出发,综合前文对波形钢腹板简支组合箱梁的剪滞效应和结构参数分析成果,本文归纳出可供工程设计使用的简支组合箱梁剪滞系数实用计算图表(表3),并给出了经验公式以完善图表中的数据。图表使用说明如下:①该表只适用于单箱单室带外伸板的波形钢腹板简支组合箱梁,对于其它截面形式的波形钢腹板组合箱梁还需进一步研究;②表中经验公式是根据空间有限元计算结果采用最小二乘法回归得到的,故经验公式的计算值与表中数据有微小差异;③表中B 是箱梁顶板的全宽;④为偏于安全,箱梁底板的剪滞系数可与顶板取相同值。4.3 与普通混凝土箱梁剪力滞效应的对比

因为普通混凝土箱梁需要布置体内预应力钢筋,故箱梁腹板往往较厚,对其剪力滞效应的研究在许多文献中已有阐述[4,5]。波形钢腹板组合箱梁的腹板很薄,且抗弯刚度很小。在箱梁几何尺寸大体相同的条件下,两者在剪力滞效应的性质及其分布规律方面基本相同,只是组合箱梁的翼板正应力平均值明显大于普通箱梁,最大剪力滞系数稍大于普通箱梁,数值上没有太大的差距。究其原因,虽然波形钢腹板本身厚度很薄,但是在波高范围内波形钢板与交界处混凝土的受力相互影响,相当于组合箱梁的腹板厚度增大了,由此使组合箱梁的剪力滞后效应接近于普通箱梁,只是抗弯刚度有明显差异。

5 结 论

根据本文的研究成果,可得出如下若干结论:

(1)室内模型试验和空间有限元分析结果均表明波形钢腹板简支组合箱梁在竖向荷载作用下,其上、下翼板均出现了典型的纵向应力剪滞效应,而且均是正剪力滞效应,即波形钢腹板与翼板交界处的混凝土翼板纵向正应力大于其它位置的正应力。集中荷载作用下翼板的剪滞效应大于均布荷载作用下的剪滞效应,而且上翼板剪滞效应稍大于下翼板,但两者剪力滞系数比较接近。

(2)对波形钢腹板组合箱梁的空间有限元分析、变分法求解结果与模型试验测试结果的比较表明,三者的应力值和变形值比较接近,证明论文研究所建立的波形钢腹板组合箱梁空间有限元模型是可靠的。

(3)通过空间有限元方法对单箱单室的简支波形钢腹板组合箱梁的参数敏感性分析,发现箱梁多个几何参数中宽跨比(B /L )是影响波形钢腹板组合箱梁翼板剪滞效应的主要因素;其它参数如宽高比、悬臂板长度、正常范围内的波形钢腹板波形高度等因素对翼板剪滞效应影响较小,在随后建立剪滞系数的经验计算公式时没有考虑这些因素。

(4)通过回归法可提出根据箱梁的宽跨比参数来计算翼板最大剪滞系数的经验公式和计算图表,以方便单箱单室波形钢腹板简支组合箱梁的工程设计。

本次论文研究的侧重点是竖向外加荷载作用下波形钢腹板组合箱梁的剪滞效应问题,已经研究了较多的影响因素。关于体外预应力的作用、截面形式的改变、动载作用等其它问题,有待于进一步加强研究,以完善波形钢腹板组合箱梁剪滞效应问题的研究。

参考文献[1]

 刘岚,崔铁万编译.本谷桥的设计与施工—采用悬臂架设施工法的波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥[J ].国

外桥梁.1999,(3):18~25

[2] 蔡千典,冉一元.波形钢腹板预应力结合箱梁结构特

点的探讨[J ].桥梁建设,1994(1):26~30

[3]

 吴文清.波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应问题研究[D ].南京:东南大学,2002.8[4] Luo QZ ,Wu YM ,Tang J ,Li QS .Experimental studies on

s hear lag of box girders [J ].En gineering Structures .2002,

24(4):469~477

[5] 郭金琼,房贞政,罗孝登.箱型梁桥剪滞效应分析

[J ].土木工程学报,1983(1):1~13

吴文清 副教授,工学博士。主要研究方向为桥梁结构的检测、维修加固和结构分析。通讯地址:210096 南京东南大学交通学院桥梁与隧道工程研究所

万 水 副教授,博士后,主要从事有限元理论及其应用和结构动力学的研究工作。

叶见曙 教授,博士生导师,东南大学交通学院桥梁与隧道工程研究所所长,主要从事钢筋混凝土和预应力混凝土结构理

论设计和施工实践研究。

方太云 工程师,工学硕士。主要从事道路和桥梁工程的施工质量监督检查。

·36· 土 木 工 程 学 报2004年

剪力滞后效应概念普及

(shear-lag effect)在结构工程中是一个普遍存在的力学现象,小至一个构件,大至一栋超高层建筑,都会有剪力滞后现象。剪力滞后有时也叫剪切滞后,具体表现是,在某一局部范围内,剪力所能起的作用有限,所以正应力分布不均匀,把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。例如在墙体上开洞以后,由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象,使柱中正应力分布呈抛物线状,称为剪力滞后效应。 剪力滞后效应的概念是在箱梁中提出的。剪力滞后效应在T型、工型和闭合薄壁结构中(如筒结构和箱梁)表现得较为典型,在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。当结构处于水平力作用下时,主要反应是一种应力不均匀现象,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,由此引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移,当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值,称为正剪力滞,反之为负剪力滞。 剪力滞概念与有效分布宽度相同,前者用不均匀应力表示,后者用一等效板宽表示。为了使简单梁理论能够用于宽翼缘梁的分析,故对翼缘定出个“有效翼缘宽度”翼缘的有效宽度为假设的翼缘宽度,沿其宽度上受均匀压缩,其压缩值如同在同样的边缘剪力作用下的实际翼缘的受载边缘数值一样。另外,有效宽度可以视为理论的翼缘宽度,该理论翼缘承受具有均匀应力的压力。该均匀应力与原型宽翼缘处的应力峰值相等,而且总压力值相等。 在框筒结构中,结构整体可以看成一个箱形的悬臂构件。在水平力作用下,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等:远离腹板框架的柱轴力越来越小,翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形,同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。这就是一种剪力滞后效应。

如何理解剪力滞后效应

1、剪力滞后效应 剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象,小至一个构件,大至一栋超高层建筑,都会有剪力滞后后现象。剪力滞后,有时也叫剪切滞后,从力学本质上说,是圣维南原理,它严格地符合弹性力学的三大方程,即几何方程、物理方程、平衡方程。具体表现是,在某一局部范围内,剪力所能起的作用有限,所以正应力分布不均匀,把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。 : 剪力滞效应的概念是在箱梁中提出的。剪力滞通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构当中,如筒结构和箱梁当中,主要反应的是一种应力不均匀现象,比如说:
在对称弯曲荷载作用下,如果箱梁具有初等弯曲理论中所假定的无限抗剪刚度(即时变形的平截面假定),那么弯曲正应力沿梁宽方向是均匀分布的。但是箱梁产生的弯曲的横向力通过肋板传给翼板,而剪应力在翼板上的分布是不均匀的,在交接处最大,离开肋板逐渐减小,因此剪切变形沿翼板分布是不均匀的,从而引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移,所以其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状,这种现象工程界称之为“剪力滞效应”。如果翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值,称为正剪力滞,反之为负剪力滞。
忽略剪力滞效应的影响,就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力,从而导致不安全:如1969-1971年在欧洲不同地方相继发生了四起箱梁失稳或破坏事故。事故发生后,许多桥梁专家对桥梁的设计和计算方法进行了研究和分析,提出这四座桥的计算方法存在严重缺陷,其中一项就是设计中没有认真对待“剪力滞效应”,因此导致应力过分集中造成桥梁的失稳和局部破坏。又如广东省的佛陈大桥、乐从立交桥、江湾立交桥、顺德立交桥、文沙大桥等出现桥梁翼板横向裂缝,据资料显示其主要原因是未考虑剪力滞,致使实际应力大于设计应力,不能满足翼板承载力的要求而出现裂缝
英国规范和德国工业标准规范中通过翼缘有效宽度的折减来考虑剪力滞的影响,但是我国现行桥规中仅提及可参照“T”形梁的规定办理,没有箱梁有效宽度的具体规定,因此按初等梁计算在静、动载作用下纵向弯曲的应力无折减或增长系数可依。目前对于复杂受力的大跨径桥梁,我国设计人员仅凭模型试验或大型有限元技术进行剪力滞分析,如我国的钱塘江二桥、上海南浦大桥、铜陵长江公路大桥等,花费了大量人力物力。但对于一般的工程设计,却忽略剪力滞的影响,致使不断有一些宽箱梁桥出现横向裂缝.
在箱梁中,肋处的剪力流向板中传递过程,有剪力滞后现象,称之为剪力滞效应,剪力滞概念与有效分布宽度相同,前者用不均匀应力表示,后者用一等效板宽表示。其实,剪力滞效应和T型梁的有效分布宽度是同一回事,都是由于腹板的剪力流使得上翼缘的应力分布不均匀。只是T型梁用有效宽度来简化这一现象。在桥梁的箱型截面中这一现象较突出,但当跨宽比较大或者截面腹板惯性矩与翼缘惯性矩之比较小时尤其严重,一定要考虑。高层和这个类似,高层倒小与桥梁的箱型截面其实一回事。有效分布宽度由于开口截面,剪力滞多用于封闭截面。剪力滞有正剪力滞与负剪力滞之分。剪力滞影响结构设计,需将设计值提高。
剪力滞的概念是一般狭窄翼缘的剪切扭转变形不大,其受力性能接近于简单梁理论的假设,而宽翼缘因这部分的变形的存在,而使远离梁肋的翼缘不参予沉弯工作,也即受压翼缘上的压应力随着离梁肋的距离增加而减少,这种现象就成为“剪力滞后”,简称剪力滞效应。
在框筒结构中,结构整体可以看成一个箱形的悬臂构件。在水平力作用下,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等:远离腹板框架的柱轴力越来越小,翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形,同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。这就是一种剪力滞后效应。 剪力滞后效应事实存在,很难消除,只能通过其他手段考虑该影响。 如:在结构设计中往往全长加密角柱箍筋,目的之一就是增加角柱的抗剪能力,增加延性。 1、剪力滞后现象越严重,框筒结构的整体空间作用越弱;

钢_混凝土组合梁疲劳性能的有限元分析_1

图1组合梁截面示意

图4试验与有限元数据比较 编号FSCB-1FSCB-2FSCB-3FSCB-4FSCB-5FSCB-6FSCB-7 荷载/kN P max120.0114.0128.7118.0114.6110.0101.1 P min20303030302020 DP100.084.098.788.084.690.080.1 应力,并指定事件(Event)的重复次数和比例系数;激活疲 劳计算。 2数值算例 2.1计算参数取值 本文采用上述有限元模型分析7个组合梁分别为: FSCB-1、FSCB-2、FSCB-3、FSCB-4FSCB-5、FSCB-6和 FSCB-7七根梁的截面尺寸、栓钉间距以及混凝土板做法完 全相同,其配筋率rst和混凝土抗压强度fcu见表1。 2.2模型建立及计算结果 本模型是由三部分组成:混凝土板、连接件和钢梁。其 中混凝土板是由SOLID65构成,根据7根不同配筋率和混凝 土强度的试件设置混凝土的含筋量和混凝土抗压强度,工字 钢梁是有SOLID45构成,连接件的作用通过钢筋混凝土板和 钢梁应用GLUE命令来实现的,采用接触面耦合自由度的方 法使混凝土板和工字梁完全连接。 2.2.1S-N曲线 通过试验建立等幅循环应力与疲劳破坏时循环次数之间 的关系,即S-N曲线为: logN k+4.81logΔτ=16.23(2) 2.2.2等幅疲劳荷载和疲劳损伤累积 (1)疲劳荷载。 试验中施加的是常幅疲劳荷载,如图3。试验荷载结果, 见表2。 (2)疲劳损伤累积。 迄今为止,大部分疲劳试验都是研究等幅荷载下的疲劳 问题,ANSYS采用的是Miner线性积累损伤法.Miner线性积 累损伤法假定:①低于疲劳极限的应力不导致疲劳损伤;② 大小不同载荷加载顺序的影响忽略不计;③临界疲劳损伤 DCR=1。 (3)疲劳寿命。 从有限元分析过程可以看出,在疲劳荷载作用下,栓 钉、混凝土与钢梁结合部产生应力较大,随着疲劳次数的增 加,同时栓钉的疲劳承载力也不断下降,降低的速率取决于 作用在栓钉上的疲劳荷载幅,荷载幅越大则栓钉的静力极限 承载力下降越快.由荷载引起的剪力在尚未发生疲劳破坏的栓 钉之间重新分布,使剩余栓钉承受的剪力增大.随着疲劳次数 的增加,栓钉承载力进一步降低,又有栓钉被荷载上限引起 的剪力剪断,又进一步引起剪力重分布现象。 2.3结果分析与讨论 本文结合组合梁的试验数据,与有限元分析结果进行了 比较。 2.3.1疲劳寿命 梁疲劳寿命比较见表3、图4。 从表3和图4可以看出,FSCB-1和FSCB-2,FSCB-3 和FSCB-4具有相同的配筋率,当混凝土抗压强度越高时, 其对应的试件疲劳寿命也越大,并且当混凝土抗压强度提高 时,其疲劳寿命相应的提高很大;从表上看比较明显,例如 FSCB-4和FSCB-5,FSCB-5配筋率明显小于FSCB-4,但无 论是实验还是数值分析中FSCB-5的疲劳寿命都大于FSCB-图2组合梁加载示意 图3疲劳试验加载路径 表2试验荷载 表3疲劳寿命对比 梁号FSCB-1FSCB-2FSCB-3FSCB-4FSCB-5FSCB-6FSCB-7 rst/%0.770.770.610.610.450.610.61 fcu/MPa35.336.836.441.845.334.434.4 表1组合梁试件设计参数 编号FSCB-1FSCB-2FSCB-3FSCB-4FSCB-5FSCB-6FSCB-7 rst/%0.770.770.610.610.450.610.61 fcu/MPa35.336.836.441.845.334.434.4 试验中疲劳次数/万38.0-206.0(实振)68.5170.0179.034.822.0 有限元中疲劳次数/万46.0-721801903713 ◎研究与应用 49

T型悬臂梁剪力滞效应研究

T型悬臂梁剪力滞效应研究 一、问题简述 本例采用T型悬臂梁来研究刚度对剪力滞的影响,采用的是钢材Q345B跨度为5米,采用ansys进行分析,采用实体单元进行研究。通过设置界面的不同尺寸来改变截面的刚度,进而分析对剪力滞的影响。 二、剪力滞效应描述 初等梁理论中,我们假定离中性轴同一距的截面我们假定离中性轴同一距的截面在弯矩作用下,沿宽度方向截面的正应力是相等。实际上带翼缘板T梁和箱形截面梁,在对称垂直力作用下翼缘板上的正应沿宽度方向呈不均匀的分布状态。这种由于腹板处剪力流向翼缘板中传递的滞后而导致翼缘板正应力沿宽度方向呈不均匀分布的现象,称为“剪而导致翼缘板正应力沿宽度方向呈不均匀分布的现象,称为“剪滞效应”。剪力滞效应大小的程度用剪力滞系数λ表示,剪力滞系数λ表示为截面应力σ与初等梁理论计算所得应力σ之比。 三、荷载和工况设置 本例通过设置4个工况来研究T型梁不同刚度对剪力滞效应的影响,本例汇总采用均布荷载集度为q=2500N/m,现将工况设置列表如下: 表 1

其中,B1为翼缘板宽度,H1为整个截面高度,B2为腹板厚度,H2为翼缘板高度。 四、计算结果 本例通过ansys建立模型,通过剪力滞理论并结合绘图软件得出以下结果:

五、分析感悟 剪力滞效应是由于腹板在受剪的过程中将剪力传递给翼缘,从而造成翼缘正应力分布不均匀的现象,桥梁结构中的一种重要的现象。由于剪力滞效应的影响,桥梁结构中的应力呈现铰复杂的分布,在腹板附近使得按照初等梁理论的桥梁结构应力小于实际值,如果不考虑剪力滞效应的影响很有可能会低估该部分位置的应力,使得桥梁结构的设计偏于危险。在复杂的桥梁结构特别是翼缘较宽时应该考虑剪力滞的影响,从而对桥梁结构进行设计。

箱梁剪力滞效应求解与应用,

箱梁剪力滞效应求解与应用 摘要:剪力流在横向传递过程中有滞后的现象,称为剪力滞效应。 剪力滞效应带来的应力分布不均匀,应力集中效应,应给予足够的重视。 本文主要通过介绍了薄壁箱梁剪力滞效应及常用求解方法 , 通过对一具体例题的有限元求解 , 详细阐述了剪力滞现象的存在。剪力滞后现象使翼缘有效分布宽度的确定成为正截面承载力计算的关键 , 结合现行规范 , 对考虑箱梁有效宽度后的应力计算结果与有限元求解结果进行了对比。 关键词 :薄壁 ;箱梁 ;剪力滞 ;有效宽度 ;应力 随着箱形梁桥向长悬臂板、大肋间距的简洁型单箱单室截面方向发展,其剪力滞效应日益受到人们关注。然而, 梁弯曲初等理论的基本假定是变形的平截面假定, 它不考虑剪切变形对纵向位移的影响, 因此不再适用于扁平的薄壁箱梁。目前, 国内外均建造了大量的箱形薄壁梁桥, 对高跨比较大、宽高比较突出的箱形梁桥, 其剪力滞效应相当严重, 如果忽略剪力滞的影响, 势必导致结构失稳或破坏。箱形梁的受力是一个复杂结构空间分析问题,对箱形梁进行受力分析时,往往采用一些假定和近似处理方法,将作用于箱形梁上的偏心荷载分解成对称荷载与反对称荷载对称荷载作用时,按梁的弯曲理论求解;反对称荷载作用时,按薄壁杆件扭转理论分析,按叠加原理将计算结果叠加而得。箱形梁在偏心荷载作用下将产生纵向弯矩、扭转、畸变及横向挠曲四种基本状变形态。

1箱梁剪力滞及其求解方法 1.1剪力滞 根据初等梁理论中的平截面假定,不考虑剪切变形效应对纵向位移的影响,箱梁的两腹板处在对称竖向荷载作用下,沿梁宽度方向上、下翼板的正应力是均匀分布的。但由于在宽翼箱梁中沿翼缘板宽度方向剪切变形的非均匀分布,引起弯曲时腹板的翼板纵向位移滞后于近肋板处的翼板纵向位移,而弯曲正应力的横向分布呈曲线形状。这种由翼缘板的剪切变形造成沿宽度方向弯曲正应力的非均匀分布,在美国称为“剪力滞效应”,英国则称为“弯曲应力离散”。靠近腹板处的纵向应力若大于靠近翼缘板中点或悬臂板边缘处的纵向应力,称为“正剪力滞”;反之,则称为“负剪力滞”。剪力滞效应常用剪力滞系数λ来衡量, λ的经典定义为: σ λ = σ- σ:实际截面上发生的应力 σ-:初等梁理论算出的应力

波形钢腹板组合梁桥的特性及应用

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/b76485129.html, 波形钢腹板组合梁桥的特性及应用 作者:武林 来源:《中国科技纵横》2017年第22期 摘要:相对于传统混凝土类腹板,形钢腹板是一种新材料,能够很好地替代传统混凝土 腹板。波形钢腹板与混凝土顶及底板而构成的结构形式的桥梁称为波形钢腹板组合式桥梁。本文阐述了此桥梁的预应力力、结构设计及抗剪性、抗震性等功能特点,对其应用情况进行了分析,以期为其更好的应用提供参考。 关键词:波型刚腹板;组合桥梁;应用;特性 中图分类号:U448.216 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2017)22-0069-01 波型刚腹板组合桥梁以混凝土腹板的替代型腹板重新组合成的桥梁。该桥梁同传统的混凝土腹板桥梁的结构相比,取消了工字梁腹板的混凝土材料,代之的是钢腹板,钢腹板较混凝土材料更加轻巧,能够有效降低桥梁的重量[1]。同时,波形钢腹板的形状呈纵向刚度的较低波 纹形,克服了传统混凝土钢腹板中纵向桥变的限制所导致的截面预应力下降的问题。本文从波形钢腹板桥梁预应力、结构设计、抗震及抗剪性等方面来分析其特性,以探讨其在我国交通桥梁设计建设中的应用。 1 波形钢腹板组合桥梁的特征 1.1 材料性能的充分发挥 波形钢腹板的桥梁是利用其顶、钢腹板及底等混凝土翼缘板构成,且在箱梁的顶底板中施加其预应力[2]。波形钢腹板因其自身特征的抗剪性能高即轴向刚度低等特征,其比较适应于 截面剪力的成端,但其底及顶混凝土的抗剪性能不高及轴向强度强等特征,使其比较适用于截面轴向压力的承受。因此,其性能构建中的功能各异,其能够共同工作和各自发挥性能,并能在最大程度上提升钢材料及混凝土的效率。通过分析其结构发现,常规桥梁的内力分布较为均匀,分布特点同平截面假定的应力三角形分布不同,这表示钢腹板的梁材料具有较高的利用率。例如波形干板为1600型时可选择40-150米的跨径机芯组合,其板厚应为8-40毫米,波形钢腹板桥梁常用1000型、1200型、1600型等。此外,对于一个截面来说,其效率的衡量指标主要是其惯性半径的多少。因波形钢腹板-混凝土式桥梁的混凝土材料集中在截面上下缘,且能够自由增加截面惯性的半径,直至其极限值。因而,波形钢腹板能够明显提高截面和结构的效率。波形钢腹板桥梁的的尺寸应按照桥梁跨径的不同类型来选择。 1.2 箱梁自重的减轻 波形钢腹板的应用能够降低箱梁结构的恒载自重,进而对建设费用及材料使用量进行优化,可以有效降低项目造价。同时,主梁自重结构减轻后可以使地震响应显著降低,进而提高

波 形 钢 腹 板 简 介

波形钢腹板简介 波形钢腹板PC组合箱梁是一种经济、高效、施工简便的新型钢-混凝土组合结构形式,这种结构彻底地解决了传统预应力混凝土箱梁腹板的裂缝问题,对于实现桥梁轻型化,美化桥梁景观,实现桥梁建设节能降耗和可持续发展具有重要的现实意义(1)结构重量比PC 桥梁减轻约30% (2)采用体外预应力体系(3)钢腹板受力优于混凝土(4)收缩、徐变影响较大(5)钢板受压、加劲板较多波形钢腹板桥可以说完全解决了腹板开裂的问题,因为腹板是钢材抗拉、抗剪强度较高,跨中下挠不敢说完全解决至少会减少,因为体外索可以补张,相当于现在的很多桥的加固,大多是增加体外索。下面是波形钢腹板桥的优点:顾名思义波形钢腹板预应力混凝土箱形梁就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其显著特点是用10mm左右厚的钢板取代厚30~80cm厚的混凝土腹板。鉴于顶底板预应力束放置空间有限,导致体外索的应用则是波形钢腹板预应力混凝土箱梁的第二个特点。 这两个构造特点使波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁与预应力混凝土箱梁桥相比有如下优点:经济效益显著,节省建筑材料:采用波形钢腹板代替厚重的砼腹板,减轻了上部结构的自重20~30%, 从而使使上、下部结构的工程量获得减少,降低了工程总造价。 1、提高预应力效率,改善结构性能:波形钢腹板的纵向刚度较小, 几乎不抵抗轴向力, 因而在导入预应力时不受抵抗, 纵向预应力束可以集中加载于顶、底板, 从而有效地提高预应力效率。 2、提高了材料的使用效率:在波形钢腹板PC 箱梁桥中, 砼用来抗弯, 而波形钢腹板用来抗剪,弯矩与剪力分别由顶、底板和波形钢腹板承担,其腹板内的应力分布近似为均布图形, 而非传统意义上的三角形, 有利于材料发挥作用。 3、提高了断面结构效率:波形钢腹板PC 箱梁桥中的砼均集中在顶、底板处, 回转半径几乎增加到最大值, 大大地提高了截面的结构效率。 4、自重降低, 抗震性能好:波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥的腹板采用较轻的波形钢板, 其桥梁自重与一般的预应力砼箱梁桥相比大约减轻20%, 致使地震激励作用效果显著降低, 抗震性能获得一定的提高。 5、可减少现场作业, 加快施工进程:波形钢腹板PC 箱梁桥在施工过程中, 可减少大量的模板、支架和砼浇注工程, 免除在砼腹板内预埋管道的烦杂工艺, 而且波形钢腹板可以工厂化生产, 现场拼装施工, 从而加快了施工进程。施工时可利用波形钢腹板作临时

剪力滞后

框筒结构有单筒和束筒之分,单筒是梁柱在平台内侧形成的闭合体,束筒是在平台内侧形成的多个闭合体。无论单筒和束筒,腹板框架承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部分弯矩,它们之间通过框筒束联系,如果角柱很弱,则达不到上述效果。由于梁的弹性变形,在侧向荷载的作用下,截面并不保持为平面,角柱处轴向变形为最大,离角柱越远的各柱轴向变形为最小,这种现象称为剪力滞后,如图所示。 剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象,小至一个构件,大至一栋超高层建筑,都会有剪力滞后后现象。剪力滞后,有时也叫剪切滞后,从力学本质上说,

是圣维南原理,它严格地符合弹性力学的三大方程,即几何方程、物理方程、平衡方程。具体表现是,在某一局部范围内,剪力所能起的作用有限,所以正应力分布不均匀,把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。 剪力滞后后效应通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构中如筒结构和箱梁,在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。当结构水平力作用下,主要反应是一种应力不均匀现象,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,从而引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移,从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等:远离腹板框架的柱轴力越来越小,翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形,同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。这就是一种剪力滞后后效应。当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值,称为正剪力滞后,反之为负剪力滞后。 忽略剪力滞后效应的影响,就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力,从而导致不安全:如1969-1971年在欧洲不同地方相继发生了四起箱梁失稳或破坏事故。事故发生后,许多桥梁专家对桥梁的设计和计算方法进行了研究和分析,提出这四座桥的计算方法存在严重缺陷,其中一项就是设计中没有认真对待“剪力滞后效应”,因此导致应力过分集中造成桥梁的失稳和局部破坏。又如广东省的佛陈大

剪力滞后效应知识科普

剪力滞后效应知识科普 剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象,小至一个构件,大至一栋超高层建筑,都会有剪力滞后现象.剪力滞后有时也叫剪切滞后,具体表现是,在某一局部范围内,剪力所能起的作用有限,所以正应力分布不均匀,把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后.例如在墙体上开洞以后,由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象,使柱中正应力分布呈抛物线状,称为剪力滞后效应. 剪力滞后效应的概念是在箱梁中提出的.剪力滞后效应在T 型、工型和闭合薄壁结构中(如筒结构和箱梁)表现得较为典型,在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件.当结构处于水平力作用下时,主要反应是一种应力不均匀现象,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,由此引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移,当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值,称为正剪力滞,反之为负剪力滞. 剪力滞概念与有效分布宽度相同,前者用不均匀应力表示,后者用一等效板宽表示.为了使简单梁理论能够用于宽翼缘梁的分析,故对翼缘定出个“有效翼缘宽度”翼缘的有效宽度为假设的翼缘宽度,沿其宽度上受均匀压缩,其压缩值如同在同样的边缘剪

力作用下的实际翼缘的受载边缘数值一样.另外,有效宽度可以视为理论的翼缘宽度,该理论翼缘承受具有均匀应力的压力.该均匀应力与原型宽翼缘处的应力峰值相等,而且总压力值相等. 在框筒结构中,结构整体可以看成一个箱形的悬臂构件.在水平力作用下,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等:远离腹板框架的柱轴力越来越小,翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形,同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律.这就是一种剪力滞后效应.

波形钢腹板组合梁桥课程设计

波形钢腹板组合梁桥课程设计 : 班级: 学号: 指导老师:

摘要 波形钢腹板组合梁桥由于具有比较优越的结构性能,近几年来在国国外的运用越来越多,主要特点体现在:(1)自重小(相比与传统PC梁桥),有利于减轻结构自重,抗震性能好(2)波形钢腹板主要承担剪力,不能承担纵向轴力,纵向弯曲可不计入波形腹板的影响(3)波形钢腹板PC箱梁抗弯刚度、抗扭刚度与横向刚度均比混凝土PC箱梁小,设计中应注意按适当间距设计横隔板以增大其抗扭能力。除此之外,波形钢腹板组合箱梁特别适合于大、中跨径的多跨连续梁桥及连续刚构桥,当跨径超过50米时,经济效果很明显。MIDAS/Civil是针对土木结构,特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式,同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析,通过建模分析运算可以可以大大减轻工程计算量,提高分析设计效率,给土木工程结构分析带来很大的方便。 关键词:波形钢腹板桥梁;迈达斯;有限元分析 Abstract Corrugated steel web composite girder bridge due to structure with superior performance, more and more used in recent years at home and abroad, the main characteristics embodied in: (1) the small weight, good seismic performance of corrugated steel web plate (2) the main bear shear (3) the corrugated steel web PC box girder bending stiffness and torsional stiffness and lateral stiffness are smaller than the PC box girder concrete.In addition, corrugated steel web composite box girder is particularly suitable for large, medium span of multi-span continuous beam bridge and continuous rigid frame bridge, when the span of more than 50 m, the economic effect is obvious.MIDAS/Civil is for Civil structure, at the same time, can do a nonlinear boundary, hydration heat, the material nonlinear analysis, static elastoplastic analysis and dynamic elastoplastic analysis, through the analysis of the modeling algorithm can greatly reduce the engineering calculation, improve the efficiency of analysis and design, to make a lot of convenient for Civil engineering structure analysis.

薄壁箱梁剪力滞理论的评述和展望_罗旗帜

第19卷第3期 佛山科学技术学院学报(自然科学版) Vol.19No.3 2001年9月 Jo urnal o f Foshan Univer sity(Natural Science Editio n)Sep.2001 文章编号:1008-0171(2001)03-0029-07 薄壁箱梁剪力滞理论的评述和展望 罗旗帜1,吴幼明2 (1.佛山科学技术学院教务处,广东佛山528000;2.佛山科学技术学院数学系,广东 佛山528000) 摘要:介绍了国内外近几十年来有关薄壁箱梁剪力滞的研究成果,综述了所获成果的研究理 论和方法,评述了各种理论和方法的适用性和局限性,提出了今后有待进一步研究的方向。 关键词:薄壁箱梁;剪力滞;评述;展望 中图分类号:U448.213 文献标识码:A 在20世纪60年代末至70年代初,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原因是设计理论上的失误,其中重要一项就是对剪力滞未加考虑。近几年来,宽翼薄壁箱梁在我国大跨径桥梁、城市立交桥和高架桥中得到广泛的应用。但是我国现行桥梁设计规范中缺乏关于确定箱梁剪力滞效应的具体规定。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现有横向裂缝[1]。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,国内外许多学者致力于该课题的研究,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许多新设想和新理论,并获得了许多的研究成果,部分成果已纳入规范之中,如英国规范[2]和德国工业标准规范[3]等。本文介绍了国内外有关薄壁箱梁剪力滞的研究成果,从理论和实际应用上评述了各种理论和方法的适应性和局限性,并提出了今后研究的方向。 1 解析理论 1.1 弹性理论解法 (1)调谐函数法 调谐函数法是以肋板结构为基础,取肋板和翼板为隔离体,肋板由初等梁理论分析,而翼板由平面应力分析,用逆解法求解应力函数,然后根据肋板和翼板之间的静力平衡条件和变形条件,建立方程组,求出未知数,从而导得翼板的应力和挠度解。早在1924年,弗?卡门[4]就利用该方法解决了无限宽翼缘板的应力分布及其有效分布宽度问 收稿日期:2001-03-05 作者简介:罗旗帜(1955-),男,浙江温州人,佛山科学技术学院教务处处长,教授,主要从事桥梁工程与交通工程教学与科研工作。

钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析_石永久

第32卷第3期土木建筑与环境工程 Vo l .32No .32010年06月Jo urnal o f Civil ,A rchitectural &Environm ental Engineering Jun .2010 钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析 石永久,王 萌,王元清,施 刚 (清华大学土木工程系,北京100084) 摘 要:钢框架组合节点考虑楼板组合效应后,其承载能力大幅提高,节点区刚度相应增大,可能对抗震造成不利影响。采用通用有限元软件ABAQ US 建立非线性精细有限元模型,并对单元选取,螺栓受力行为和材料的应力应变关系及损伤模型的确定进行详细说明。结合国内外已有的钢框架组合梁节点拟静力试验,验证了非线性有限元模型的正确性和适用性。试验和有限元分析结果均表明:考虑楼板的组合效应之后,该类型节点的刚度和承载力均有较大幅度提高,承载力提高幅度约为26%,节点区弹性刚度提高了30%左右;在静力往复荷载作用下,该类型节点的滞回曲线较为饱满,耗能能力强,具有良好的抗震性能。 关键词:钢框架组合节点;有限元分析;滞回曲线;承载力;损伤退化 中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1674-4764(2010)03-0001-07 FEM Analysis on Cyclic Behavior of Steel Frame -Composite Connections SHI Yo ng -jiu ,WANG Meng ,WAN G Yu an -qing ,SHI Gang (Department of Civ il Enginee ring ,T sing hua U nive rsity ,Beijing 100084,P .R .China ) A bstract :T he capacity and stiffness of the steel frames are improved sig nificantly considering slab com po site effect w hich may cause bad effects on the seismic .Efficient and accurate FEM of ABAQ US w as pro po sed fo r numerical simulatio n .A nd the selectio n of elements type s ,the material stre ss -strain relationship and damage m odel w ere made a detailed description .No n -linear finite element mo del w as approved with existing steel frame -com po site co nnectio ns quasi -static test home and abroad .It is show n that the capacity o f this ty pe co nnections is improved by nearly 26%and the stiffness by 30%.A nd this ty pe o f connections have m ore full hy steretic curve with high ene rg y -consuming ability and good seismic performance . Key words :S teel Frame -Co mposite Co nnections ,finite element analy sis ,hy steretic curve ,bearing capacity ,damage deg radatio n 在多高层钢框架中最常用的刚性连接方式即为梁翼缘与柱焊接、梁腹板与柱上耳板用高强度螺栓连接。钢框架结构中的楼盖常采用混凝土或压型钢板组合楼板。抗震设计的基本准则要求“强柱弱梁”、“强节点弱构件”[1],但是目前对于节点的强化 往往是考虑加强钢梁与钢柱的连接,在实际工程中并没有考虑节点区组合效应使承载力提高的作用,特别是在采用钢柱—组合梁的框架结构中,组合效应对节点区的承载性能影响更为突出。 组合作用对于节点承载力的提高毋庸置疑[2],

我国已有波形钢腹板桥梁详细介绍

目前我国部分已建和在建波形钢腹板梁桥情况统计 近几年来,波形钢腹板梁桥在国内得到了应用和发展,表1统计了目前国内部分已建成和在建的24座采用波形钢腹板的桥梁,表后对其中16座桥梁作出了相对详细的介绍。 表1

1、江苏淮安长征人行桥 长征桥属波形钢腹板PC箱梁人行桥,该桥位于江苏省淮安市长征小学西侧,跨越里运河,分别连接河南路和漕运西路的人行道,主要解决长征小学学生和行人的通行。为了增强城市美感及适应周边环境,长征桥采用有较强立体感、外形美观的波形钢腹板PC组合连续箱梁结构形式,并配以4个造型优美螺旋式转梯。桥梁跨径布置为18.5m+30m+18.5m的三跨形式,边跨与中跨之比为0.62。其主横断面采用单箱单室截面形式。箱梁顶板宽7m,翼缘悬臂长1.63m,底板宽2.5m,箱高1.6m,底板厚15cm,顶板厚20cm,钢腹板倾斜角度与竖向成30o,体外预应力筋采用直径为15.2mm的钢绞线束,在箱梁中横隔板处设置转向块,在端横隔板处设置为锚固区。长征桥采用了在波形钢腹板的上下端部焊接钢质翼缘板,翼缘板上焊接剪力钉构成剪力键。该桥是我国第一座波形钢腹板PC组合梁人行桥,于2005年1月建成竣工。 2、河南光山泼河桥 2005年建成的泼河大桥是一座装配式波形钢腹板PC连续箱梁桥,全长120m,其结构为4孔30m先简支后连续装配式波形钢腹板PC组合箱梁。箱梁的上下缘采用混凝土板,腹板采用斜放的波纹腹板,斜交角20o,箱梁高1.6m,底板宽1.5m,底板厚15cm,顶板厚15cm,在与翼板连接处局部加厚。腹板与翼缘板的连接采用穿透式的抗剪连接件形式。泼河大桥预应力采用钢绞线体外预应力束体系,在箱梁横隔板处设置转向块。该桥是我国第一座装配式波形钢腹板PC连续箱梁公路桥。 3、重庆永川大堰河桥 大堰河桥位于重庆市永津二级公路永川段,跨越一小河,桥位地势平坦。设计为跨径25m的简支梁桥,为国内首座波形刚腹板箱梁简支公路梁桥。本桥的标准跨径为25m,计算跨径为23.7m,梁高为1.6m,波形钢腹板的倾角为25o,底板宽4.21m,顶板宽9m,在沿桥长方向设置了2道中横隔梁和2道端横隔梁。腹板与顶板和底板的连接为埋入式剪力连接件。虽然本桥的跨径较小,还是采用了6束体内预应力束和4束体外预应力束两种形式,其体内预应力束抵抗恒载弯矩,体外预应力束抵抗活载弯矩,这样可以方便以后进行体外束的重新张拉或更换,利用两道中横隔梁作为体外预应力束的转向块。 4、青海三道河桥 三道河中桥上部结构采用单箱双室波纹钢腹板预应力简支组合梁结构,跨径50m,主梁为C50混凝土,梁体采用体内外索结合张拉的方式,在横隔板及端横隔梁位置设置转向钢板及转向钢管作为体外索的转向装置。腹板采用12mm厚的波形钢腹板结构,每片钢腹板各分5段加工,每段9.6m,采用高强螺栓并配合贴角焊缝的连接方式。 5、宁波百丈跨甬新河桥 宁波市百丈路跨甬新河桥位于宁波市城市主干道百丈路,跨越甬新河。甬新河是新开挖的景观、排洪河道,标准河宽60m,是正在建设中的东部新城与老城的界河,地理位置特殊。要求跨河桥除满足美观要求外,还要体现技术创新,经过多方案比选,最后选定采用PC连续梁桥,跨径布置为24m+40m+24m,中墩两侧各10m腹板采用波形钢腹板,为国内第一座部分波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥。桥梁宽50.7m,横向布置为5片单箱单室箱梁,各箱梁之间通过翼板后浇带横向刚接。主梁采用C50混凝土现浇,中跨跨中及边跨支点处

基于有限元软件ABAQUS的组合结构分析

基于有限元软件ABAQUS的组合结构分析 摘要:本文通过大型有限元工程模拟软件ABAQUS对波纹钢腹板组合梁建立有限元模型,并与试验数据作对比,检验有限元分析的正确性。 关键词:组合梁、有限元 Abstract: this paper through the large finite ABAQUS software engineering simulation of the corrugated steel beams webs, a finite element model and with the test data as compared to test the validity of the finite element analysis. Key words: the composite beams, finite element 0引言 有限元数值分析方法起源于20世纪50年代飞机结构分析,并由其理论依据的普遍性己被推广到其它很多领域。在结构分析领域,几乎所有的弹塑性结构静、动力学问题都可以用它求得满意的数值结果。桥梁结构作为众多结构中的一种,利用有限元数值方法分析其力学特性同样可以得到很好的数值分析结果。 波纹钢腹板预应力组合箱梁桥是20世纪80年代起源于法国的一种新型组合桥梁,此类新型结构与传统的混凝土箱梁相比有以下优点:(1) 自重降低,抗震性能好。腹板采用较轻的波形钢板,其桥梁自重与一般的预应力混凝土箱梁桥相比大为减轻,地震激励作用效果显著降低,抗震性能获得一定的提高。(2) 改善结构性能,提高预应力效率。波形钢腹板的纵向刚度较小,几乎不抵抗轴向力,因而在导入预应力时不受抵抗,从而有效地提高预应力效率。(3)充分发挥各种材料特性。在波形钢腹板预应力箱梁桥中,混凝土用来抗弯,而波形钢腹板用来抗剪,几乎所有的弯矩与剪力分别由上、下混凝土翼缘板和波形钢腹板承担,而且其腹板内的应力分布近似为均布图形,有利于材料发挥作用。[1-5] 本文通过大型有限元工程模拟软件ABAQUS对波纹钢腹板试验梁建立有限元模型,并与试验数据作对比,检验有限元分析的正确性。 1 有限元建模 1.1单元选择 有限元工程模拟软件的实体单元库包含二维和三维的一阶插值单元和二阶插值单元,积分方式有完全积分和减缩积分。三维实体单元有四面体和六面体。四面体单元有4节点12自由度和10节点30自由度的四面体单元,六面体单元

波形钢腹板组合桥梁分析计算

波形钢腹板组合桥梁 结构分析 交通运输部公路科学研究院 2010年12月

目录 1 波形钢腹板组合梁桥的特点 2 波形钢腹板组合桥计算方法研究 现状 3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分 析方法研究 4 GQJS软件在鄄城黄河公路大桥施 工过程计算中的应用

1 波形钢腹板组合梁桥的特点 1.1波形钢腹板混凝土箱梁的弯曲特性 ?由于波形钢腹板纵向刚度较小,设计上可以认为腹板不承担轴向力,轴向力仅由上、下混凝土板承担。?该类桥主梁的弯曲特性可以用通常的梁理论中的平截面假定来近似描述。

1 波形钢腹板组合梁桥的特点 1.2波形钢腹板混凝土箱梁的扭转特性 ?由于波形钢腹扳的纵向刚度非常小(轴向有效弹性模量是原弹性模量的几百分之一),波形钢腹板预应力结合梁桥的扭转与传统箱梁有很大不同。 ?作用在箱梁上的外扭矩,会在顶、底板中产生方向相反的水平横向力。这样就使顶、底板内产生弯矩,腹板中产生附加扭转剪应力。 ?为控制截面的扭转变形,要适当地布置横隔板,借此来降低波形钢腹板的剪应力与翼板的翘曲应力。

1 波形钢腹板组合梁桥的特点 1.3波形钢腹板混凝土箱梁的剪切屈曲稳定性 波形钢板屈曲的3种模式: ①局部屈曲模式 局部屈曲模式是指波形钢腹板的某一个波段部分出现的屈曲破坏现象。

1 波形钢腹板组合梁桥的特点 ②整体屈曲模式 整体屈曲模式是指波形钢腹板整体出现屈曲破坏现象。其特征为常规的波长较长的变形在无局部屈曲的情况下逐渐发展,与在正交异性板中的情况相似。 ③合成屈曲模式 合成屈曲模式是指波形钢腹板同时出现局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象。其特征为钢板沿折叠线产生突发的、不可逆转的塑性变形。

全部和部分剪切连接的组合梁有限元模型

lation;Fictitious cross2s ection J ournal of Cons tructional Steel Res earch,2007,63(8): 1058-1065 在竖向和水平荷载作用下单层多跨钢框架初步设计分析模型 Analytical Model f or t he Preliminary Design of a Single2S t orey Multi2Bay S t eel Fra me Under Horizontal and Vertical L oads J1G1Ya ng a nd G1Y1Lee 摘 要:有很多复杂的分析方法可预测单层多跨钢框架的几何非线性和钢构件的材料非线性影响。然而,一些结构工程师在理解这些复杂的方法以及应用在钢结构设计上存在困难。因此,提供了简化的分析模型,用于初步设计阶段。采用简化的分析模型,结构工程师能够容易地预测层间位移、最大允许荷载,单层多跨钢框架支撑的刚度。通过二维的有限元分析验证了简化模型应用的可行性。Abstract:Many complicated analytical met hods have been prop os ed t o pre dict t he eff ects of t he geometric nonlineari2 t y of a single2st ory multi2bay s teel f rame and t he material nonlinearit y of its s teel me mbers1How e ver,s ome struct ur2 al engineers have difficult y in unders tanding t he complicate d met hods and applying t he m in designing s teel s truct ures1 Theref ore,t his s t udy has been perf orme d t o p rovide a sim2 plifie d analytical model t hat is only applicable in t he p relimi2 nary design stage1Using t he simplifie d analytical model, struct ural engineers can easily pre dict t he st orey drif t,max2 imum allowable loads,and bracing s tiff ness of a single2s t o2 rey multi2bay s teel f rame1The application f easibilit y of t he simplifie d model is verifie d by p erf orming a t w o2dimension2 al finite ele ment analysis1 关键词:单层多跨钢框架;半刚性连接;双重角连接;层间位移;支撑系统 K eyw ords:Single2s t orey multi2bay s teel f rame;Se mi2rigid connection;Double angle connection;St orey drif t;Bracing s ys te m J ournal of Cons tructional Steel Res earch,2007,63(8): 1091-1101 CFRP修复火灾后混凝土填充钢管 的抗压和弯曲性能 Comp res sive and Fle xural Behaviour of CFRP2Rep aired Concret e2Filled S t eel Tubes Af t er Exp os ure t o Fire Zho ng Tao,Lin2Hai Ha n a nd Ling2Ling Wa ng 摘 要:对单向CFRP修复火灾后混凝土填充钢管的轴心抗压和弯曲进行试验。试验采用圆形和方形两种试件来研究修复效果,试验结果显示CFRP加固有效提高了损伤柱的承载力。同时,由于CFRP 的约束,柱的刚度也有提高。然而,对于梁来讲,试验结果显示修复效果没有柱的修复效果好,从试验结果来看,对于受到火灾严重损伤的混凝土填充钢管梁或承受较大弯矩的构件,建议采用其他合适的修复方法。 Abstract:This pap er p res ents t he res ults of axial compres2 sion and bending tes ts of fire2damage d concrete2filled s teel t ubes(CFS T)repaired using unidirectional carbon fibre re2 inf orce d p olymer(CFRP)comp osites1Bot h circular and s quare specimens w ere tes ted t o inves tigat e t he repair eff ects of CFRP comp osites on t he m1The tes t res ults s how ed t hat t he CFRP jackets enhance d t he load2bearing ca2 pacit y of t he s t ub columns eff ectively1Enhance ment of t he columns’s tiff ness due t o t he CFRP jackets was als o ob2 s erved1How e ver,f or beams,t he tes t res ults de mons tra2 ted t hat t he repair eff ect was not as good w hen compare d wit h t hat f or s t ub columns1From t he tes t res ults,it is rec2 ommende d t hat ot her app rop riate repair meas ures s hould be taken in repairing s e verely fire2damaged CFS T beams,or t hos e me mbers s ubjected t o comparatively large bending moments1 关键词:组合柱;组合梁;FRP;火后;残余强度;混凝土填充钢管;修复 K eyw ords:Comp osite columns;Comp osite beams;FRP; Pos t2fire;Residual strengt h;Concrete2filled s teel t ubes; Repairing J ournal of Cons tructional Steel Res earch,2007,63(8): 1116-1126 全部和部分剪切连接的 组合梁有限元模型 Finit e Ele ment Modelling of Co mp osit e Beams wit h Full and Partial S hear Connection 国际期刊导读

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