正交异性板钢箱梁剪力滞效应探析

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1、正交异性板钢箱梁剪力滞效应探析　　摘要：结合某正交异性板钢箱梁，建立了空间板壳元和梁单元模型，分析了边界条件、荷载大小及作用方式、跨宽比、顶板厚度等因素对剪力滞效应的影响。关键词：正交异性板钢箱梁剪力滞空间板壳单元中图分类号：U448.21文献标识码：AAbstract：Combinedwithanorthotropicsteelboxgirder,establishedthespatialshellelementandbeamelementmodel,analyzedtheinfluenceofboundarycon

2、ditions,loadsandmodeofaction,thespanwidthratio,thicknessofroofandotherfactorsontheshearlageffectcomeKeyWords:OrthotropicplateSteelboxgirderTheshearlagSpaceshellelementDiscussiononShearLagEffectofOrthotropicSteelBoxGirderGanLu,SUXiaobo10在现代桥梁结构中，正交异性板钢箱梁以其自重小、抗弯抗

3、扭刚度大、施工周期短、易于工厂化生产等优点，被广泛应用于各类型大跨度桥梁结构中[1]。在已建成的桥梁中，世界最大跨径的斜拉桥——苏通大桥、世界最长的跨海大桥——杭州湾跨海大桥南、北航道桥、世界第二跨径的悬索桥——storebelt桥(大贝尔特桥)主梁均采用了正交异性板钢箱梁。此外，由于施工对桥下净空干扰小等优点，正交异性板钢箱梁在城市桥梁中也有着广泛的应用。一般来说，正交异性板钢箱梁是由顶、底板、边纵腹板、中纵隔板、横隔板及加劲肋(常见有U肋、T肋、板肋三种形式)组成，由于纵、横肋的刚度差异，顶、底板与加劲肋组成了正交

4、异性桥面板结构。其显著特点之一是：正交异性板钢桥面既作为桥面系直接承受二恒及活载作用，又是主梁的上翼缘，参与结构整体受力，力学行为复杂。正交异性板钢箱梁经典的解析方法可采用乌曼斯基的闭口薄壁梁约束扭转理论和符拉索夫的广义坐标法[2]。乌式理论精度较好，但求解微分方程过程繁琐，且常难以得到解析解；广义坐标法将有限个纵向广义位移假定为线性，无法反应箱梁在对称弯曲下的剪力滞效应，且此法要求截面双轴对称，也不能考虑翼缘作用，因而可操作性不强。10随着计算机技术和有限元理论的发展，空间板-梁法、板壳单元法可以较真实的反映出正交异

5、性板钢箱梁的实际应力状态，但就目前而言，上述方法计算花费较高，仅适用于施工图设计阶段深度计算。在初步设计阶段，传统的三体系应力叠加法[3]以其力学概念明确、计算方法简单、结果相对可靠而得到广泛应用。其中，第三体系(顶板体系)应力通常较小，且常为横向分布，一般不考虑叠加(实际上，研究逐渐表明，第三体系应力正是引起钢桥面板疲劳破坏的主要原因[4][5])；第二体系(桥面体系)应力目前国内外常采用P-E法、等代梁格法、有限元法等方法计算[6]；第一体系(主梁体系)将正交异性板钢桥面作为主梁上翼缘参与结构受力，在考虑其剪力滞效

6、应(常以有效分布宽度表示)后，即可按初等梁理论进行计算。目前，国内规范尚无正交异性板钢箱梁考虑剪力滞效应的有关规定，本文旨在对这一问题做初步探讨。1工程背景某简支钢箱梁，跨度65m，单箱双室结构。梁高3m，宽14m，两侧各悬臂2.5m，底板宽7m，顶板和腹板厚16mm，底板厚20mm。顶板加劲肋采用U肋和板肋两种，其中U肋板厚8mm，高为30mm，板肋厚16mm、高20mm；底、腹板加劲肋均采用板肋，构造同顶板肋。主梁一般构造见图1。图1主梁标准段一般构造(单位：mm)采用剪力滞系数表示剪力滞效应的大小，按下式计算：式

7、中：—截面的实际分布应力；—按初等梁理论计算的截面平均应力10建立空间板壳元模型计算、建立梁单元模型计算。模型主要参数见表1。表1模型基本参数一览材料弹模(MPa)泊松比容重(kN/m3)净跨径(m)Q345c2.06E+050.378.563.6事实上，空间板壳元模型的计算结果已经包含了三体系应力的叠加。根据本文研究重点，为了有效规避第二、第三体系应力对第一体系应力的影响，对板壳元模型做如下简化：(1)认为横隔板对主梁整体刚度的影响很小，模型中不考虑中横隔板。仅在支座位置建立端横隔板，防止底板局部屈曲。(2)集中荷载

8、和均布荷载均施加于腹板、纵隔板与顶板交接处，防止桥面板在直接荷载作用下局部应力对结果的影响。模型边界条件模拟为理想简支，板壳单元计算模型见图2。图2板壳单元计算模型2剪力滞效应分析计算了跨中集中荷载、满跨均布荷载(加载示意见图3)两工况下，主梁桥面板的剪力滞效应。以x轴(见图1)为横坐标，剪力滞系数为纵坐标，绘制不同截面的横向分布