特殊支承条件下薄壁连续箱梁的梁段有限元分析
随着交通运输的大发展，在桥梁结构设计中，薄壁箱形截面梁空间结构的优越性使其得到广泛的应用和发展;在线路选线时，受周围环境、跨线等因素的影响，路网的交叉干扰十分常见，斜交桥型的采用越来越多。在宽箱梁设计尤其宽翼缘的箱梁设计中剪力滞效应很突出，其对桥梁产生的负面影响很严重，设计中必须予以重视。因此，虽然很多学者对正交薄壁箱梁的剪力滞效应做了很多工作，但在斜支承条件下对其的研究却很少，并且此时箱梁的受力更为复杂，在设计中很难控制。本文通过系统性的理论推导，分析了在特殊支承条件下薄壁连续箱梁的弯益扭转，并结合有限元理论，提出了一种针对薄壁箱梁挠曲扭转有限元分析的一维有限梁段单元的分析方法，在箱梁解析理论中具有现实可靠的意义。 本文首先在初等梁理论的基础上来考虑箱梁的剪力滞效应，合理选取箱梁弯曲翘曲位移模式，应用能量变分原理建立箱梁的弯曲微分方程;考虑剪切变形影响下的约束扭转翘曲位移模式，通过应力应变关系以及结构平衡条件建立箱梁约束扭转微分方程;分别解相应的齐次微分方程，得到箱梁的弯曲、扭转位移函数形式。然后以积分常量作为中间变量来推导剪滞效应下弯曲和约束扭转的单元刚度矩阵，并由此叠加组合出弯曲扭转总刚度矩阵;对单元荷载按照虚功的互等原理进行等效，得到杆端等效结点力。最后考虑特殊支承条件下箱梁的受力特性，将单元结点位移和单元结点力从形心坐标系和扭转坐标系向支承坐标系中转换，得到相应的参量表达式。根据以上可以对特殊支承条件下薄壁箱梁的梁段进行有限元分析，最终求得考虑剪滞效应的有限元解。 本文根据有限元分析过程，应用Fortran语言编制了薄壁箱梁弯曲扭转的一维有限元电算程序，并通过与试验模型和ANSYS模型进行对比，验证了其可靠性和现实意义。 通过本文理论推导和试验模型分析，可以得出如下重要结论: ①箱梁剪力滞效应在特殊支承条件下更加明显，并且靠近跨中支点截面的剪力滞效应比较突出，跨中截面处剪力滞效应影响一般; ②剪滞力矩图与弯矩图的变化趋势十分相似，但是相对的数值大小和线形有很大差别; ③随着斜交角的增大，弯矩和剪滞力矩都随之减小，但是扭转翘曲双力矩却增大，并且局部的迅速衰减很明显; ④在偏心荷载作用下，斜支承箱梁剪滞力矩在箱梁整体受力中所占的比重较大，分析时不可忽略。
薄壁箱梁;剪滞效应;特殊支承;有限元分析;位移模式
兰州交通大学
硕士
桥梁与隧道工程
张元海
2013
中文
U448.24;O241.82
91
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）