【博士】大跨度混凝土箱梁结构空间效应研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：西南交通大学　　学位年度： 2009年　　钢筋混凝土和预应力混凝土箱梁结构以其诸多优点，在国内外桥梁建设中获得广泛应用。箱梁结构的空间力学效应一直以来是各国学术界和工程界广泛关注的问题。本文在总结和完善经典薄壁杆件理论的基础上，针对目前混凝土箱梁结构的约束扭转和畸变效应研究中所存在的主要问题，以国内典型的混凝土箱梁桥为工程背景，对以下几方面进行了深入研究。　　1．箱梁约束扭转理论的对比分析和完善：在对已有的箱梁约束扭转理论进行对比分析和完善的基础上，基于混合变分原理，建立了一种新的约束扭转理论，该理论充分考虑了全部次生剪切变形的影响。基于新理论，在研究约束扭转剪应力成分对剪切变形的影响及其影响程度的基础上，分析了该理论与已有开口、闭口约束扭转理论的统一。研究表明，各种理论差异的根源在于对次生剪切变形考虑的不同：乌曼斯基闭口理论和符拉索夫开口理论所得结果偏于保守。　　2．箱梁畸变理论的对比分析和完善：在对已有的箱梁畸变理论进行对比分析和完善的基础上，首次证明了以畸变角为位移参数和以畸变挠度为位移参数所建立的两类理论是一致的，并建立了两者的互换方程。对畸变广义坐标的确定提出了改进方法，同时基于混合变分原理，建立了一种新的畸变理论，该理论充分考虑了全部次生剪切变形的影响。基于新理论，在研究畸变剪应力成分对剪切变形的影响及其影响程度的基础上，分析了该理论与已有理论的统一。明确解释了为什么在闭口薄壁杆畸变分析中可以采用畸变角的一阶导数作为翘曲函数、而在闭口薄壁杆约束扭转分析中不能采用扭转角的一阶导数作为翘曲函数这一长期未能辨清的问题。　　3．带悬臂翼缘板箱梁的约束扭转和畸变：在经典薄壁箱梁理论的基础上，分析了带悬臂翼缘板的薄壁箱梁在约束扭转和畸变时的内力状态，基于混和变分原理，建立了开、闭口混合截面杆件的约束扭转和畸变效应分析的实用理论。研究指出悬臂翼缘板对整个截面约束扭转和畸变效应的贡献主要体现在悬臂翼缘板的扇形惯矩所占整个截面的扇形惯矩的比例，悬臂翼缘板使得闭口箱的约束扭转正应力和畸变正应力发生了明显的重分布，对于常规的铁路和公路箱梁，悬臂板的贡献不可忽略。　　4．厚壁箱梁的约束扭转和畸变：采用广义坐标法，基于混合变分原理，建立了考虑壁厚效应的厚壁箱梁约束扭转和畸变解析理论；同时建立了考虑壁厚效应的厚壁箱梁约束扭转和畸变分析的分层方法。其中，指出了已有研究中考虑壁厚效应方法所存在的问题：首次提出了新力素-圣维南约束扭转力矩，该力素与圣维南自由扭转力矩的区别主要在于参与了扭转翘曲正应力的平衡，同时提出了新力素-圣维南纯畸变力矩和圣维南约束畸变力矩，该力素在传统畸变理论中均被忽略了，并指出了在单箱室箱梁畸变中不存在布莱特纯畸变。　　5．变截面箱梁空间分析的有限梁段模型：基于本文所建立的理论基础，取直线箱梁控制微分方程的齐次解作为位移模式，利用二次形函数对变截面梁段的截面特性参数进行插值，根据变分原理导出了变截面箱梁的单元刚度矩阵和荷载列阵，从而建立了一种考虑约束扭转和畸变效应的半解析有限段模型。该有限梁段模型能以极少的离散自由度得到较高的计算精度，也能方便地纳入普通梁杆单元程序系统，提高了求解效率，为箱梁空间效应研究提供了一条有效的途径。　　6．箱梁的空间力学效应及其对桥梁行为影响的研究：对公路典型的扁平箱梁、铁路客运专线箱梁、公路整体式箱梁及数座大跨度连续刚构桥的约束扭转和畸变效应进行了研究，得出其空间应力状态及应力放大系数，获得了一些有益结论。结合箱梁结构形式和尺寸，研究了箱梁桥的跨度、截面宽高比、梯形箱梁腹板斜度和横隔板的设置等因素对约束扭转和畸变效应的影响，揭示了一些基本规律。　　

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