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原文传递基于力法原理的斜支承连续箱梁弯扭分析

论文题名：	基于力法原理的斜支承连续箱梁弯扭分析
关键词：	斜支承连续箱梁桥;剪力滞效应;弯扭分析;力法原理
摘要：	箱形截面因具有较高的抗弯扭性能，被广泛使用于各种类型的桥梁。在城市立交和高等级线路中，为保证行车安全和舒适性，避免桥梁对周围人文环境的影响，斜桥的比重日益增加。斜支承连续箱梁是常见的斜桥型式之一，与正交支承连续箱梁相比，其空间力学性能更加复杂。迄今，一些学者针对斜支承箱梁桥的结构分析理论作了研究，并取得了相应的成果，然而这些成果多数是建立在Euler-Bernoulli梁弯曲和Saint-Venant自由扭转理论之上，并未考虑薄壁箱梁本身的空间变形特征。因此，本文主要针对斜支承连续箱梁的空间力学性能开展进一步研究。　　首先，本文利用能量变分原理建立了分析正交支承箱梁剪力滞效应和约束扭转变形特性的基本公式。然后，考虑剪力滞效应和约束扭转变形的影响，基于力法原理详细分析了斜支承连续箱梁的弯扭耦合特性。在研究过程中，本文所作的主要工作及得出的结论如下：　　(1)考虑腹板剪切变形和翼缘板剪力滞效应对箱梁挠度的影响，选取Timoshenko梁弯曲变形的挠度和剪力滞效应引起的附加挠度为广义位移，用能量变分法建立了分析薄壁箱梁挠曲变形和剪力滞效应的控制微分方程。根据力法原理，以多余约束处的附加挠度为变形连续条件，提出了分析正交支承连续箱梁剪力滞效应的解析方法。用所推导的公式分别计算了集中力和均布荷载作用下简支和连续箱梁的内力和变形，与ANSYS数值解作对比，验证了所推公式的可靠性。分析结果表明：腹板剪切变形和翼板剪力滞效应对薄壁箱梁挠度的影响十分显著，腹板剪切变形引起的竖向挠度甚至大于剪力滞效应引起的附加挠度，忽略剪切变形的影响会严重低估箱梁的挠度；　　(2)考虑约束扭转变形对箱梁转角的影响，基于Umansky假定，用能量法建立了分析薄壁箱梁约束扭转变形的控制微分方程。通过初参数法分别给出了集中和均布扭矩荷载作用下简支梁的内力、变形解析解。　　(3)考虑了剪力滞效应和约束扭转变形的影响，选取正交支承简支箱梁为基本结构，根据斜支点位置与其横截面形心处竖向位移间的变换关系，建立了分析斜支承连续箱梁的力法方程，利用ANSYS有限元软件验证了所推理论的可靠性。利用本文方法详细分析了斜支承连续箱梁的内力分布特征及斜交角、荷载偏心距对各项内力的影响。研究结果表明：竖向对称均布荷载作用下，斜支承连续箱梁的弯矩、扭矩对称分布，双力矩反对称分布，而竖向均布偏载作用下，各项内力的分布曲线不再具有对称性；斜交角和荷载偏心距是影响斜支承连续箱梁各项内力（弯矩、剪力滞力矩、双力矩和扭矩）的重要参数。荷载偏心距对弯矩的影响不大，但对双力矩和扭矩的影响较大。斜交角对各项内力的影响均较大；双力矩分布曲线在集中力作用点和斜支点截面出现极值，并快速向两侧衰减，影响范围很小。　　(4)推导了简化计算斜支承连续箱梁内力和变形的方法，并对用简化方法计算的正应力的应力放大系数作了初步探讨。分析结果表明：按自由扭转和约束扭转理论计算的斜支承连续箱梁的内力（弯矩、扭矩）和变形（挠度、扭转角）吻合较好。因此，可以按自由扭转理论计算内力和变形，以简化计算过程。
作者：	魏彦红
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张元海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022