薄壁箱梁的剪力滯效應分析

吳磊

摘 要：薄壁箱梁的剪力滯效應是影響橋梁結構設計的一個重要因素，剪力滯效應的存在影響結構的應力狀態，會給結構帶來不利的影響。本文以一兩跨等截面連續梁為研究對象，通過采用兩種不同應力計算方法得出的應力進行對比，得出剪力滯效應對結構的影響。

關鍵詞：薄壁箱梁；剪力滯

1 概述

初等梁理論中，我們假定離中性軸同一距離的截面，在彎矩作用下沿寬度方向截面的正應力是相等的。實際的帶翼緣板的T梁和箱形截面梁，在對稱垂直力作用下，翼緣板上的正應力沿寬度方向呈不均勻的分布狀態。這種由于腹板處剪力流向翼緣板中傳遞的滯后而導致翼緣板正應力沿寬度方向呈不均勻分布的現象，稱為“剪力滯效應”。如果靠近腹板處翼緣板中的正應力大于初等梁理論的正應力，稱為“正剪力滯效應”，反之稱為“負剪力滯效應”。

在寬翼緣梁的設計分析中，如果忽略剪力滯效應，將低估結構的實際應力大小，使其應力分布狀態與實際不符，從而可能造成結構局部失穩或破壞。1969年11月至1971年11月，在奧地利、英國、澳大利亞和德國相繼發生四起鋼箱梁重大事故。事故發生后，通過橋梁專家的論證與分析，發現設計方法上存在嚴重缺陷，其重要問題就是在剪力滯問題上的考慮不周。國內的寧波招寶山斜拉橋在施工中發生嚴重事故，專家組研究的結論認為設計中沒有考慮剪力滯的效應是主要因素。

2 結構簡介

本文以跨度為 2*3.182m的兩等跨連續直梁為研究對象，橫截面如下圖1所示，材料為玻璃鋼。分析在一跨的跨中作用5kN的集中荷載時，箱梁截面的應力分布情況。得到結構中間支座截面和兩跨跨中截面各點的剪力滯系數。

3 初等梁理論正應力計算

3.1 箱梁截面特性計算

箱梁跨中截面和支點截面的截面特性采用有限元軟件進行計算。得到：

跨中截面抗彎慣性矩：

支點截面抗彎慣性矩：

3.1 初等梁理論正應力計算

按照初等梁理論，在兩個豎向集中力作用下，第一跨和第二跨的跨中彎矩為：

跨中支座的彎矩為：

所以按照初等梁理論所得的應力分別為：

4 有限元法正應力計算

采用有限元軟件建立了有限元模型，其中箱梁和支座處的橫隔板都采用實體單元進行模擬。有限元模型如圖3所示。

在豎向荷載作用下，結構在第一跨跨中、中間支座和第二跨跨中的縱向正應變和縱向正應力如表1所示：

剔除表1中集中荷載作用處因應力集中產生的畸變應力，從計算結果中可以看出：在第一跨和第二跨跨中頂板與腹板交接處，截面的正應力為1.9108Mpa（壓應力），其數值小于按初等梁理論的計算結果2.051Mpa（壓應力），可知在此處出現負剪力滯效應。在中間支座截面的頂板與腹板交接處，截面的正應力為3.253Mpa（拉應力），按照初等梁理論的計算結果為2.17Mpa（拉應力），計算此處的剪力滯系數為1.50。

5 結論

對薄壁箱梁剪力滯影響比較明顯的因素主要有：作用的荷載類型、荷載作用位置和結構位置、結構的跨寬比、截面翼緣板提供的抗彎剛度與截面總體抗彎剛度的比值。

對于本次所計算的箱梁結構，l/2b=1.591/1.2=1.326，結構的跨寬比比較小，導致在兩跨的跨中頂板與腹板相交的位置出現負剪力滯效應，在支座截面頂板與腹板相交的位置出現正剪力滯效應。

參考文獻

[1] 雷娟娟，張元海.薄壁箱梁的剪力滯效應分析.蘭州交通大學學報，2010年第4期.

（作者單位：廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司）