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原文传递基于有限梁段法的变截面连续箱梁桥约束扭转效应分析

论文题名：	基于有限梁段法的变截面连续箱梁桥约束扭转效应分析
关键词：	变截面连续箱梁桥;约束扭转;有限梁段法;约束扭转剪应力;应力放大系数
摘要：	箱形梁因具有良好的抗弯、抗扭性能而广泛应用于桥梁工程。随着桥梁跨径的增大和桥面的变宽，偏载所引起的约束扭转效应对箱梁截面应力的影响愈发显著，充分考虑约束扭转效应的影响是保证桥梁安全性的重要前提。在桥梁设计中常以1.15的经验系数来考虑空间效应的影响，而大量文献表明，对正应力和剪应力均采用同一个系数并不合理，应采用两个不同的系数，但对系数的具体取值目前尚未达成一致，因此对于具体的变截面连续箱梁桥的约束扭转效应仍需进一步研究。本文以变截面连续箱梁桥为研究对象，利用有限梁段法分析了其在偏心车道荷载作用下的约束扭转效应，所做的工作及结论主要有：　　（1）引入以总扭矩和双力矩为节点力、以扭转角和广义翘曲位移为节点位移的4自由度箱梁单元。在箱梁单元和约束扭转微分方程初参数解的基础上，根据单元刚度矩阵中元素的物理意义推导了单元刚度矩阵，结合边界条件推导了等效节点荷载。利用自由扭矩、二次扭矩的定义和微分方程初参数解推导了自由扭矩和二次扭矩的初参数表达式，并在箱梁单元和初参数表达式的基础上推导了自由扭矩、二次扭矩的有限元计算列式和等效节点力列阵。　　（2）使用Fortran语言编写了分析箱梁约束扭转效应的程序RT和ZE，其中RT程序用于计算扭转角、广义翘曲位移、总扭矩和双力矩，ZE程序用于计算自由扭矩和二次扭矩。利用RT和ZE程序对已有文献中的算例进行了分析，通过程序计算值与文献理论值的对比发现，程序计算值与文献理论值完全一致，说明本文方法与所编程序是准确可靠的。　　（3）以某跨径布置为（75+120+75）m的变截面三跨连续箱梁桥为例，利用程序求出了该桥在中支点、边跨跨中、中跨1/4和中跨跨中位置的双力矩影响线，根据双力矩影响线确定了分析正应力的3种工况和分析剪应力的3种工况，并利用程序分析了该箱梁桥在不同工况下的约束扭转效应。通过分析发现，双力矩、二次扭矩和翘曲正应力的峰值均出现在支点和集中荷载作用截面，均有从峰值点向两侧快速衰减的特征。自由扭矩和总扭矩仅在支点截面和集中荷载作用截面相差较大，在其余截面较为接近。　　（4）扭转剪应力由自由扭转剪应力和二次剪应力构成，在支点和集中荷载作用截面，二次剪应力对扭转剪应力的贡献较大，二次剪应力在扭转剪应力中所占的比例在支点截面可达到35.66%，在集中荷载作用截面可达到68.23%；在其余截面，扭转剪应力主要由自由扭转剪应力提供，二次剪应力在扭转剪应力中所占的比例不超过2.23%。　　（5）引入正应力放大系数和剪应力放大系数来表征约束扭转效应对箱梁截面应力的影响。正应力放大系数和剪应力放大系数均在支点截面上较大。对于本文中的变截面三跨连续箱梁桥，经验系数1.15对正应力和剪应力均偏小；正应力放大系数按双车道布载时可达到1.304，按三车道布载时可达到1.161；剪应力放大系数在按双车道布载时可达到2.667，按三车道布载时可达到1.884。
作者：	尉浩浩
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