薄壁箱形梁剪力滞效应分析及试验研究

发布时间：2020-03-21 11:12

【摘要】：薄壁箱形梁自身具有抗扭、抗弯刚度大等特点,越来越多的桥梁结构使用箱形梁这种截面形式。初等梁的弯曲理论基于平截面假定,未考虑梁横截面的剪切变形对箱形梁纵向位移的影响,并认为箱形梁在发生弯曲时,梁体横截面上的弯曲正应力沿横向是均匀分布的。然而,箱梁实际受弯时会产生剪力滞效应,顶底板与腹板相接处的正应力较远离腹板处的正应力大,使得原有的初等梁弯曲理论计算得出的正应力值与箱形梁实际所受的正应力值存在较大差距,若设计时不考虑剪力滞效应,将会给桥梁结构带来安全隐患。本文将变分法、有限单元法和模型试验法相结合,探究单箱单室、单箱双室箱梁剪力滞效应规律,主要完成了以下工作:首先,利用变分法的最小势能原理求解箱形梁受弯时弯曲正应力的表达式,进而得到试验梁考虑其剪力滞效应的顶底板弯曲正应力表达式。利用Midas Civil和ABAQUS建模计算,获得试验箱梁剪力滞系数的数值解。进行模型试验,实测箱梁应力。通过将变分解、数值解和实测值对比,完成对单箱单室箱梁剪力滞效应的探究。其次,介绍箱形梁剪力滞翘曲位移函数的形式,包括二次型、三次型、四次型及余弦函数型。结合剪力流计算和有限元计算,并拟合出更符合单箱双室箱梁剪力滞翘曲位移函数的表达式(二次型),利用变分法求出单箱双室箱梁弯曲正应力的表达式,进而得出单箱双室试验梁顶底板弯曲正应力的表达式。然后,基于有限单元法,利用ABAQUS建立试验梁的壳单元模型和实体单元模型。给出单箱双室箱形梁在跨中承受竖向对称荷载时,三种不同加载方式各自对应的剪力滞系数沿横向分布曲线,并提取单箱双室箱梁顶底板距离梁端60cm和50cm处截面的正应力和纵向位移。最后,实际制作一个长1.6m、顶板宽0.8m、底板宽0.6m、高0.2m、厚度为8mm的单箱双室试验钢梁,实测距离梁端60cm和50cm处顶底板的纵向应变和横向应变值,结合广义胡克定律获得梁体实际正应力值,并将单箱双室箱梁剪力滞的变分解、数值解和实测值进行对比,评估变分解的精度。
【图文】：

板单元模型,试验梁,加载工况

1.0m 3.29 4.26 3.67 0.899 1.1632.2 单箱单室箱梁仿真模拟在进行这部分研究时用到两个有限元软件 Midas Civil 和 ABAQUS，在Midas 中利用板单元建立模型，在 ABAQUS 中建立壳单元模型。2.2.1 Midas civil 建模分析利用板单元建立试验梁有限元模型，材料采用 Q235 钢材，模型中共用32046 个节点和 31800 个单元。分割单元时采用 5mm 一个单元，顶板共 16000个单元。该梁为一个简支梁。在跨中施加竖向对称荷载，分为五个加载工况，，加载力大小分别为 5.7kN、7.3kN、9.5kN、11.0kN、12.6kN。具体对应的加载工况见表 2-3 加载工况说明表。表 2-3 加载工况说明表工况工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5加载力/kN 5.7 7.3 9.5 11.0 12.6

示意图,单室箱梁,顶板,加载

-22.95 -22.89 -27.57 -27.45 -32.17 -31.93 -37.01表 2-5 Midas 求得的顶板几个截面腹板上方及顶板跨中剪力滞系距离梁 50cm 距离梁 60cm 距离梁 70cm 距离腹板上方顶板跨中腹板上方顶板跨中腹板上方顶板跨中腹板上方1.002 0.999 1.003 0.998 1.004 0.995 1.010 1.002 0.999 1.003 0.998 1.004 0.995 1.010 1.002 0.999 1.003 0.998 1.004 0.995 1.010 1.002 0.999 1.003 0.998 1.004 0.995 1.010 1.002 0.999 1.003 0.998 1.004 0.995 1.010 BAQUS 建模分析专业有限元分析软件 ABAQUS 建立试验梁壳单元模型。材，网格尺寸为 2mm，顶板共 100000 个单元。该梁为一加竖向对称荷载，加载力大小为 5.7kN、7.3kN、9.5kN、
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U441

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