基于有限元箱梁有效宽度研究

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1、基于有限元箱梁有效宽度研究　　摘要：箱型截面梁在桥梁工程中广泛应用，但箱梁在纵向弯曲中存在剪力滞效应，造成弯曲正应力在截面上分布不均匀，本文以有限元分析为基础，分析了等高薄壁箱梁正应力的分布规律，并在此基础上研究了箱梁均布荷载下的有效宽度，以供类似工程设计参考。关键词：箱梁；剪力滞；有限元；有效宽度中图分类号：U442.5文献标识码：A1引言箱梁有良好的结构性能，在桥梁工程中有广泛的应用，因此，箱梁结构的受力分析也受到了国内外学者的重视。近年来，由于社会经济的发展以及人们对桥梁美学要求的提高，预应力混凝土箱梁桥在我国得到迅速发展，主要表现在结构跨度的增大和横

2、截面构造的先进性，大量宽幅桥梁也采用了单箱单室的截面形式，结构为在横截面上带大悬臂的薄壁结构。2剪力滞效应及有效宽度理论4箱梁结构刚度大，抗弯能力强，但薄壁箱梁在纵向弯曲时，要发生剪力滞后现象，这种现象造成了箱梁纵向弯曲应力在截面上的分布不均匀，而呈现曲线分布状态，这种不均匀现象，会造成局部应力集中，可能导致局部的开裂。国外对薄壁箱梁剪力滞效应的研究较早，部分研究成果也被相应国家规范吸收。剪力滞引起的正应力分布不均匀，在工程实践中，可用翼缘宽度的折减来近似处理，这就是有效宽度的概念，有效宽度可简单定义为：按初等梁理论也能算得与真实应力峰值相等的那个折算宽度。

3、图1箱梁有效宽度图1中，Be为箱梁有效宽度，为峰值应力，从有效宽度的概念可知：（1）式中，Be为有效宽度，t为顶板厚度，应力峰值，为横截面上不均匀分布的正应力，x为纵向坐标，y为横向坐标。由（1）式可以看出，有效宽度实际是应力体积等效，即翼板内应力体积应等于有效宽度内的应力体积。为了应用的方便，现定义翼板的有效宽度系数为，近年来，该变量反映了翼板应力分布的不均匀程度，该变量在工程设计中有重要意义。要确定该变量，首先要准确确定应力函数。确定该函数有较多的方法，各有优缺点，国内也有相关研究，我国有学者提出了一种改进的优先段法4[1]，该法剪力滞微分方程的齐次解为

4、位移模式，将三维空间问题简化为一维空间问题，并获得了良好的结果。根据该方法，对（1）式采用等距节点求积公式进行计算，便可得有效宽度的表达式：（2）式中、、、为等距节点的应力值。3仿真计算3.1模型介绍分别用实体单元和梁单元模拟同一箱梁。用实体单元计算，则箱梁的剪力滞效应会自动体现，而初等梁单元只能计算出用均布应力。对于不同宽跨比的箱梁，实体单元模型用midasfea3.3.0版建立。本文仿真计算采用的箱梁截面形式如图3所示。图3箱梁横断面（单位：cm）本文箱梁跨度取40m，箱梁实体单元模型如下图所示。仿真计算结果计算了箱梁在均布荷载作用下，不同宽跨比的箱梁在

5、跨中截面处的宽度折减系数，见下表所示。表1箱梁跨中截面有效跨度比4从上表可以看出，箱梁在均布荷载和集中荷载作用下，同一宽跨比时，箱梁跨中截面的有效宽度系数有所差异，均布荷载作用下的有效宽度系数要小，这说明集中荷载作用下，箱梁弯曲正应力分布更不均匀，剪力滞效应更为明显。4结语（1）用有限元软件分析薄壁宽箱梁的剪力滞效应，方法简单，易于实现。（2）箱梁在集中荷载和均布荷载作用下，箱梁跨中截面的有效宽度系数差异明显，因此，在桥梁设计中要仔细考虑。（3）对于薄壁宽箱梁，设计中要考虑剪滞效应。对于桥面较宽的桥梁，宜修成双幅桥梁，减小宽跨比，以达到减小剪力滞效应的目的。

6、参考文献[1]罗旗帜.薄壁箱型梁剪力滞计算的梁段有限元法［J］.湖南大学学报，1991（2）.4