箱型簡支梁在荷載作用下剪力滯效應研究

姚 博 李玉寧 黃 佩 王 彪 劉 剛

（西北民族大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730030）

0 引言

如今，箱型梁因為其自身具有的抗彎、抗扭剛度大，結構輕盈，適應于現代化施工等優點，在越來越多的橋梁設計中被應用。但由于箱型梁受彎時橫截面上的剪切變形對梁縱向位移的影響，此時截面的正應力已經不再滿足初等梁理論的平截面假定，這使得靠近梁肋的翼緣參與承彎工作的程度比遠離梁肋的翼緣大，即通常存在沿橫向翼緣方向應力分布不均勻的剪力滯后現象[1]，導致局部應力較為集中。為了在工程實際中能夠繼續使用較為簡單的初等梁理論公式進行計算，又能得出翼緣板實際應力的最大值，通常采用“翼緣有效分布寬度”的方法進行處理，即認為在翼緣有效分布寬度范圍內均勻分布的應力等效于梁整個翼緣上分布的實際應力。

若剪力滯效應過大，梁肋與翼緣交接處應力設計值甚至會是初等梁理論應力計算值的1.3 倍[2]，這明顯超過了梁承載能力的安全范圍。若橋梁設計時不考慮剪力滯效應對梁的影響，就容易導致梁局部的開裂[3]，影響梁結構的安全性。在19世紀70 年代前后，在歐洲等地發生了鋼箱梁橋的破損事故，其主要原因之一就是橋梁在設計時忽略了箱型梁的剪力滯效應引起的局部應力集中問題。因此只有對梁的剪力滯分布情況有一個清楚的認識，才能在設計中做到更加合理，防止可能出現局部的開裂。針對此問題筆者對有機玻璃制作而成的簡支箱梁模型[4]進行了集中荷載與均布荷載的加載實驗，并對結果進行分析，以得到箱型梁在不同荷載工況下的剪力滯分布情況，對實際工程具有顯著的參考作用。

1 模型準備

該模型參照了橋梁設計相關規范[5]，并結合工程實際，確定了箱型梁的截面尺寸與構造，利用氯仿粘接有機玻璃板制得兩個箱型梁模型，實際跨徑為120cm，計算跨徑為110cm。分別在梁的跨中截面、1/4 截面、支座內側截面布置應變測點。模型截面尺寸與測點布置詳見于圖1。經實測，得到有機玻璃泊松比μ=0.38，彈性模量E=2930MPa。

圖1 模型截面尺寸與測點布置圖

2 荷載實驗

為得到在不同工況下箱型簡支梁的剪力滯效應分布情況，本實驗確定加載方式為跨中施加集中荷載以及計算跨徑施加均布荷載。集中荷載分4 級進行加載，安全起見，以該簡支箱梁模型理論極限承載值的75%作為第4 級荷載，荷載分級為2KN，4KN，6KN，8KN；均布荷載分4 級進行加載，同樣以該簡支箱梁模型理論極限承載值的75%作為第4 級荷載，荷載分級為4KN，8KN，12KN，16KN。

為了更準確的模擬在簡支箱梁模型上施加集中荷載與均布荷載，該實驗通過在加載截面頂板處設置分配梁，在分配梁上對稱放置兩個液壓千斤頂，在分配梁與模型頂板之間設置單個受力桿或一層薄沙，以此分別模擬豎向集中荷載和均布荷載工況[6]。各個測點的應變值均采用DH3816 靜態應變測量系統測得。

3 實驗結果與分析

為更簡便的描述剪力滯效應對梁彎曲正應力的影響，衡量剪力滯效應的大小，通常引入剪力滯系數λ，即考慮剪力滯效應后的正應力σ 與按初等梁理論計算得到的正應力 'σ 的比值。梁截面某一部位的剪力滯系數越大，則說明在該部位剪力滯效應的影響就越大，在梁的實際設計中就有必要考慮剪力滯效應。圖2、圖3分別是簡支箱梁模型在集中荷載與均布荷載作用下跨中截面、1/4 截面、支座內側截面頂板的剪力滯系數分布情況。

圖2 集中荷載工況頂板各截面剪力滯系數變化曲線

圖3 均布荷載工況頂板各截面剪力滯系數變化曲線

3.1 沿梁的縱向分析：

集中荷載工況下，梁的跨中截面剪力滯效應最大，而在均布荷載工況下，梁的支座內側截面剪力滯效應最大，由此可推斷，在跨中施加集中荷載時，支座截面到跨中截面的剪力滯影響越來越嚴重，在計算跨徑施加均布荷載時，跨中截面到支座截面的剪力滯影響越來越嚴重。

在集中荷載與均布荷載工況下各自的剪力滯影響最大截面上，僅第三級荷載作用下的最大剪力滯系數均已超過1.2，甚至接近1.3。這表明，局部應力已經達到了初等梁理論應力計算值的1.2 倍以上，因此在簡支箱梁設計中有必要考慮剪力滯效應。

3.2 沿梁的橫向分析：

箱型梁模型在集中荷載與均布荷載工況下，頂板在各個截面處均出現明顯的剪力滯效應。

在集中荷載工況下，跨中截面的剪力滯效應要比在均布荷載工況下各個截面的剪力滯效應明顯，剪力滯系數曲線變化幅度也相對較大。這可能是由于在集中荷載作用的附近，梁截面各個部分的變形量相對較大，導致其剪力滯效應比均布荷載作用時更為明顯。

4 結論

本文通過對有機玻璃制作而成的箱型簡支梁模型進行荷載實驗，對簡支箱梁的剪力滯效應進行了研究，得出以下主要結論：

（1）箱型簡支梁在跨中集中荷載作用下的剪力滯影響最不利截面在跨中，而在均布荷載作用下的剪力滯影響最不利截面在支座，因此在簡支箱梁設計時，應充分考慮梁在上述截面的剪力滯效應，以避免局部開裂，進而保證橋梁結構的安全性。

（2）集中荷載工況下的剪力滯效應對梁的影響尤為不利，可以考慮通過合理的設計使集中荷載盡量分散開，以達到減小剪力滯效應的效果。