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原文传递考虑截面自平衡的薄壁结构梁桥力学特性研究

论文题名：	考虑截面自平衡的薄壁结构梁桥力学特性研究
关键词：	薄壁结构梁桥;力学特性;截面自平衡;剪滞系数;波形钢腹板
摘要：	薄壁结构梁桥具有良好的力学性能和低廉的建设成本优势，随着对其力学特性理论解析、试验研究和数值仿真不断深入认知，使之成为桥梁工程建设广泛应用的结构形式之一。许多薄壁结构梁桥在服役使用中出现了挠度过大、翼/腹板应力过大产生的裂缝等病害问题，这些问题表明薄壁结构梁桥在材料设计、结构计算理论的基础研究还不足，对其受力工作过程涉及的内在工作机理认识还不够深入，在一定程度上设计规范也存在不完善和滞后。因此，需要继续深入和拓展薄壁结构梁桥工作性能方面的基础理论研究，揭示薄壁结构梁桥受力内在机理。在过去几十年的薄壁结构梁桥研究中，更多的关注其剪滞效应、有限元求解法和新材料的工程应用等一般力学问题，开展考虑截面自平衡条件的薄壁结构梁桥力学特性的计算理论研究甚少。考虑到薄壁结构梁桥力学特性计算理论完善的迫切需求，继续开展其静动力学特性研究显得非常有必要。针对薄壁开口截面梁的力学特性、薄壁闭口截面梁的力学特性和新型波形钢腹板组合梁的力学特性等三大力学特性问题，本文考虑剪切变形、剪滞效应和截面自平衡条件等因素的综合影响，开展了薄壁结构梁桥力学特性的理论解析、有限元数值仿真和试验研究。主要研究工作如下：　　针对薄壁T形截面直/曲线梁，基于能量变分原理，建立了同时考虑剪滞效应、剪切变形和截面自平衡条件等因素影响的T形截面梁的弹性控制微分方程和自然边界条件，获得了该类结构静力特性研究的解析计算方法。详细研究了在均布荷载和集中荷载作用下，不同跨径、跨宽比时，T形截面梁法的翼板正应力、剪滞系数和截面自平衡贡献等变化规律，截面自平衡条件对翼板正应力和竖向挠度的贡献度。同时，还建立了单肋T形截面直线梁动力学控制微分方程和自然边界条件，给出了其动力特性分析的解析解。研究了截面自平衡条件对结构的固有频率、翼板动应力幅值和动剪滞系数的贡献度，并通过有限元数值仿真得以验证。　　针对薄壁梯形截面箱梁，根据势能原理和变分解法，引入截面自平衡条件，同时考虑剪切变形和剪滞效应等因素，通过设置不同的剪滞纵向位移差函数建立了薄壁梯形截面箱梁的静力特性分析的弹性控制微分方程和边界条件。推导并获得了其力学特性解析解，为完善薄壁闭口截面结构的剪滞计算理论做出了贡献。研究了荷载类型、跨径、翼板宽/厚等因素对梯形截面箱梁的翼板正应力、剪滞系数、截面自平衡贡献和竖向挠度的影响规律。算例解析得出截面自平衡条件的引入显著提高了翼板正应力的计算精度，尤其针对小跨度、低梁高和宽翼缘情况，跨宽比较小时截面自平衡条件的影响更加突出，研究具有很好的理论实用价值。　　针对新型波形钢腹板组合槽形梁，考虑了剪滞效应、剪切变形、波纹钢腹板的褶皱效应和截面自平衡条件等因素，建立了用于分析其竖向弯曲静力特性的弹性控制微分方程和自然边界条件，并提出了理论计算解析方法。通过算例计算剪力滞影响值、剪滞系数、两种算法影响率和褶皱效应指标，研究了波形钢腹板褶皱效应对组合槽形梁力学特性的影响程度。结果表明：褶皱效应对下承翼板的影响较小，而上腹板肋梁的褶皱效应较为突出，且均布荷载作用下褶皱效应的影响较为均衡。由于截面自平衡条件的引入，波形钢腹板组合槽形梁力学体系简化为无耦合关系的初等梁理论体系和剪滞理论体系，与剪滞效应相比较，褶皱效应对结构的竖向挠度影响更明显。组合槽形梁模型试验实测计算结果表明本文提出的计算解析方法具有较高的计算精度。　　针对波形钢腹板曲线连续箱梁桥，为了研究其力学特性，基于Python语言开发和搭建了快速化ABAQUS参数输入和精细建模仿真子程序。应用该程序进行的波形钢腹板曲线连续箱梁桥承载力仿真结果表明：对于内或外偏载工况，箱梁顶板内边缘竖向位移相差较大。与混凝土腹板箱梁相比，波形钢腹板箱梁横向相对刚度小，顶板的扭转约束弱，截面扭矩大是产生竖向位移偏差过大的主因。波折角、曲率半径和梁高变化对不同位置处箱梁截面的顶/底板应力影响程度不同。截面的竖向弯矩受约束方式影响大，截面的扭矩受曲率半径影响大，其他的截面内力受约束和曲率半径影响不大。模态分析中结构的前五阶自振频率随着跨径的增加逐渐较小，对于大跨径连续梁来说，模态阶数大于4以上的频率增幅有所降低。地震反应谱分析中，在施加横向地震力激励下，跨中顶板产生最大竖向位移，中支座截面的顶板和钢腹板Mises等效应力最大。纵向地震激励作用时，轴向位移最大，底板和横隔板的Mises等效应力较大。在竖向地震激励作用下，每一方向的位移最大值都出现在每一跨跨中，横向位移最大，中支座横隔板和钢腹板Mises应力较大。　　以上薄壁结构梁桥计算理论解析和算例研究，揭示了引入截面自平衡条件后薄壁结构梁桥力学响应机理和内在规律，提高了其力学特性计算精度和诠释了引入该条件的必要性。在桥梁工程建设中，小跨径、低高度和宽翼缘薄壁结构梁桥应用非常广泛，其结构受力后的力学特性异常复杂、多变。为了能够更好的掌握其受力特性和工作承载能力，考虑截面自平衡条件的薄壁结构梁桥基础理论研究和力学特性精细化分析，具有更加广泛的工程应用价值和现实意义。
作者：	石飞停
专业：	土木工程
导师：	周广春
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021