连续箱梁剪跨区腹板主拉应力精细化分析

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连续箱梁桥由于其优异的性能得到了较为广泛的应用,但很多连续箱梁桥在服役一段时间后,箱梁剪跨区均出现了腹板开裂的问题。因此,对连续箱梁剪跨区腹板主拉应力进行精细化的分析是十分必要的。本文主要的研究工作包括:
  (1)基于薄壁箱梁的弯曲理论,结合应变与位移的几何方程,提出了考虑翼板和腹板面内剪切变形的薄壁箱梁应力分析方法,采用能量变分原理法求解得到箱梁挠曲位移函数,进而得到箱梁各位置应力计算公式,并以实体有限元计算结果验证了理论计算结果的正确性。
  (2)将基于三次挠曲位移函数和二次挠曲位移函数的箱梁应力变分解析解与ANSYS有限元计算结果进行对比,结果表明无论是二次抛物线翘曲位移函数还是三次抛物线翘曲位移函数的解析解都能与有限元结果吻合良好。计算正应力时,三次抛物线翘曲位移函数的计算结果与实体有限元结果吻合更好,但在计算剪应力时二次抛物线翘曲位移函数相对更优。
  (3)通过理论推导发现悬臂梁剪切位移一阶导数g’(z)的零点位置正好是其正负剪力滞效应转换位置,且g’(z)零点位置仅与剪切参数k和跨径l有关,正负剪力滞转化位置随着剪切参数k的增加逐渐向固定端移动,但随着跨径l的增加逐渐向自由端移动。通过数值拟合得方式给出了悬臂箱梁正负剪力滞转换位置与剪切参数k和跨径l之间的函数。
  (4)基于叠加法原理提出了考虑分阶段施工的变截面连续箱梁桥各种应力的计算方法,分析了采用平衡悬臂施工时连续箱梁桥控制截面应力在施工过程中的演化行为。研究发现:在合龙前,箱梁腹板主拉应力从上到下,从固定端到自由端逐渐减小;箱梁合龙后,箱梁腹板应力分布较为复杂,在1/4跨之前腹板上部受拉下部受压,拉应力从上到下逐渐减小;在1/4跨之后,腹板应力分布发生变化,上部受压下部受拉,拉应力从上到下逐渐增加。
  (5)以中卫市某大桥为背景,使用有限元分析软件MIDAS/FEA建立考虑施工过程的实体有限元模型,以实测应力数据为基础,在验证空间模型合理性的同时探究了悬臂薄壁宽箱梁各位置应力的分布及在施工过程中的变化趋势。分析结果表明,腹板与顶板、腹板与底板交接处的拉应力是箱梁截面内拉应力最大的位置,且腹板与底板交接位置拉应力在各截面都处于较高水平,对结构安全影响较大,而腹板与顶板交接位置拉应力仅在固定端截面较大,在其余各截面均处于较低水平。
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