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原文传递偏心竖向荷载作用下薄壁箱梁的畸变效应解析理论研究

论文题名：	偏心竖向荷载作用下薄壁箱梁的畸变效应解析理论研究
关键词：	薄壁箱梁桥;偏心竖向荷载作用;畸变横向内力;框架分析法
摘要：	随着箱形梁向长悬臂板、大肋间距、高强轻质的薄壁单箱单室截面方向发展，其畸变效应受到了国内外学者的广泛关注。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)补充了针对混凝土箱梁桥的实用精细化分析要求，明确提出对曲线箱梁应采用考虑约束扭转影响的7自由度模型，并规定了应力放大系数定义式。然而，畸变翘曲应力往往比扭翘应力更大，计入畸变翘曲应力影响的应力放大系数对箱梁桥的科学设计尤为必要。本文结合国家自然科学基金资助项目“基于虚功原理的薄壁箱梁畸变效应解析理论及其应用研究（51968040）”，对薄壁箱形梁桥的畸变效应和横向弯曲效应开展研究，主要研究内容和取得的成果如下：　　研究了板元分析法、总势能变分法等两种不同畸变理论在建立斜腹板薄壁箱梁畸变控制微分方程时的联系和差异。采用初参数法推导得到了计算薄壁箱梁畸变效应的基本公式，并应用模型试验和有限元数值模拟对其进行了验证。理论分析证明，对于竖直腹板薄壁箱梁，两种不同畸变理论计算所得抗畸变衰减系数相等，采用板元分析法计算所得各畸变特性参数为采用总势能变分法计算所得值的两倍，两种理论计算所得畸变效应完全相同。对于斜腹板箱梁，采用板元分析法计算所得薄壁箱梁畸变效应较总势能变分法偏大。通过数值模拟进一步揭示了几何参数变化对薄壁箱梁畸变效应的影响规律。　　以广义坐标法的基本原理为基础，采用广义坐标和广义位移表达箱形梁横截面上的畸变翘曲剪力流，进而得到了畸变翘曲正应力、畸变翘曲剪力流以及外荷载畸变矩产生的畸变角。通过畸变角的变形协调条件建立了基于畸变翘曲剪力流的薄壁直线箱梁畸变分析理论。理论分析证明，对于竖直腹板箱梁，采用畸变翘曲剪力流法计算所得畸变控制微分方程与总势能变分法所得完全一致，验证了该理论的正确性。　　推导了考虑约束扭转和畸变影响的薄壁曲线箱梁内力与位移弹性关系式，用以分析曲率对畸变翘曲正应力的影响，同时，考虑曲梁弯曲与畸变耦合效应引起的畸变位移，基于畸变翘曲剪力流法建立了曲线箱梁畸变分析理论。在此基础上，采用影响线加载思路求解曲线箱梁的畸变效应。结果表明，不论对于大曲率还是小曲率箱梁，本文所建立的曲线箱梁畸变分析理论均能正确反映畸变翘曲正应力的变化规律。通过数值模拟进一步揭示了几何参数变化对薄壁曲线箱梁畸变效应的影响规律。　　箱形梁抗畸变衰减系数是反映箱形梁抵抗畸变变形能力的主要指标。以弹性支承梁理论为基础，将抗畸变衰减系数作为弹性支承梁的特征系数，令作用在平面框架或板元上的实际荷载等于该截面处弹性支承反力，建立了基于弹性支承梁理论的外荷载修正法。当弹性支承梁两端为自由边界条件时，修正外荷载可退化为原始荷载。有限元数值模拟计算结果表明，采用该修正法能够充分考虑偏心荷载作用下剪切变形对箱形梁畸变效应的影响。　　为了更准确计算考虑畸变影响的薄壁箱梁横向内力，应用基于弹性支承梁理论的外荷载修正法完善了已有的推广TYL框架分析法，应用物理概念明确、满足畸变中心始终位于对称轴上的改进框架模型，建立了分析箱形梁横向内力的基本理论。数值算例计算结果表明，采用本文改进的横向内力分析法能更好地反映箱形梁的横向内力分布规律，横向内力计算结果与ANSYS有限元法计算结果吻合良好，验证了所建立公式的正确性。
作者：	王晨光
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张元海
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022