PC箱梁考虑预应力作用效应的剪力滞行为研究

In this study, shear lag effect which has more influence on strength and rigidity of prestressed concrete (PC) box girders is set as the key problem, and prestressing effect which has more and complex influence on shear lag is set as the main research emphases. Based on the basic theory of thin-wall structures, shear lag analysis methods of analytic solution and finite segment element are established which takes into account geometrical conformation and prestressing tendons arrange of concrete box girders. Combined results of theoretical analysis, model test and numerical finite－element method, shear lag behavior of PC box girders which influence under prestressing effect will be studied systemically. Determination criterion of effective width of flange and flexural rigidity which considered shear lag effect of PC box girders will be put forward.

本课题以对预应力混凝土（PC）箱梁强度和刚度影响较为突出的剪力滞效应为核心，以引起剪力滞效应较为突出和复杂的预应力为研究重点，基于薄壁结构基本理论，建立考虑PC箱梁截面构造和预应力配束特征的剪力滞效应理论解析和梁段有限元分析方法。综合理论分析、模型试验和有限元数值仿真，系统研究和揭示PC箱梁在预应力作用下的剪力滞行为，提出PC箱梁考虑剪力滞效应的翼缘有效分布宽度和抗弯刚度取值的合理建议。

本项目以预应力混凝土箱梁为对象，通过理论分析、数值仿真和模型试验，系统解决了预应力混凝土箱梁考虑截面构造、预应力配束、混凝土徐变对剪力滞的影响、考虑剪力滞效应的混凝土箱梁刚度取值等关键科学问题。主要研究要点包括：（1）针对翼板沿截面宽度方向变厚度的混凝土箱梁，利用势能变分原理，建立了单室混凝土箱梁的剪滞效应分析方法。通过对算例混凝土简支箱梁的剪力滞效应采用板壳数值解和课题理论解的对比分析，验证了课题分析方法的精度。通过改变翼板厚度，研究了混凝土箱梁翼板厚度变化对剪力滞效应的影响规律。（2）基于经典的等效荷载思想，并结合剪力滞效应分析的变分法原理，建立了预应力作用的剪力滞效应解析分析方法。通过对锚固荷载中的轴向力，引入轴力剪力滞系数的指标，证明了箱梁轴向力不产生剪力滞效应、而仅在集中力作用部位产生局部应力集中分布的现象。建立了预应力等效集中弯矩荷载作用下的剪力滞效应通用解。（3）利用自主开发的预应力箱梁实验系统，研究了单箱单室和单箱双室箱梁在预应力作用下的剪力滞效应，验证了箱梁预应力效应计算的理论。重点研究了预应力沿截面横向不同位置布置对剪力滞效应的影响规律。（4）为了计算箱梁在预应力作用下的剪力滞效应，基于能量变原理，结合预应力等效荷载法，建立了箱梁在直线、折线和曲线预应力布束方式下的剪力滞效应解析解。针对算例简支箱梁，研究了3种布束方式综合作用下箱梁的剪力滞效应，并和有限元板壳数值解进行对比分析。以连续箱梁为例，研究了任意布束下梁体剪力滞效应分布规律。（5）基于混凝土徐变理论及剪力滞效应的变分原理，建立了徐变次内力下考虑混凝土的不同加载龄期逐跨施工连续箱梁的剪力滞效应的分析方法，研究了徐变效应对箱梁剪力滞效应的影响规律。（6）为了研究考虑剪力滞效应后的箱梁弯曲变形计算问题，由箱梁弯曲的曲率方程探讨了剪力滞效应对箱梁挠曲变形的影响机理。结合设计规范，提出了箱梁弯曲变形计算的剪力滞系数和有效翼缘分布宽度两种修正方法。利用提出的两种修正方法，研究了算例简支梁和连续梁在集中了和均布荷载下的挠度。结果表明：剪力滞系数的修正方法精度较高，但考虑到设计的方便性，建议在剪力滞系数未知的情况下可采用有效翼缘分布宽度修正方法考虑剪力滞效应对刚度的影响。