单箱多室箱梁的空间力学行为及一维梁段分析方法研究

本课题针对单箱多室箱梁在竖向弯曲时产生的翼板剪力滞差异问题、对称荷载不同时作用于全部腹板时产生的弯曲和畸变耦合效应、偏心荷载下截面存在多个畸变位移模态等空间力学问题，通过空间力学行为解析，建立单箱多室箱梁考虑剪力滞后、扭转和畸变效应的理论解析解。通过设定合理的位移模式和位移自由度，建立单箱多室箱梁综合考虑剪力滞、扭转和畸变效应的一维梁段有限元分析方法。通过大比例单箱多室钢模型试验，验证并完善理论解析方法和一维梁段分析方法。结合理论解析方法、一维梁段有限元法、模型试验和板壳数值方法，系统研究单箱多室箱梁的剪力滞、扭转和畸变特性，提出对设计和规范制定具有指导意义的参数取值和分析计算的实用方法。

本项目以目前桥梁工程中常见的单箱多室箱梁为对象，以理论分析、数值仿真和模型试验相结合的方法，系统解决了多室箱梁剪力滞效应、畸变效应等空间力学行为分析中的关键科学问题。（1）从箱梁剪力滞效应的力学概念出发，以箱梁竖向弯曲时翼板的剪切变形差异是引起剪力滞效应的力学本质入手，提出了基于翼板剪切变形规律定义箱梁剪力滞翘曲位移函数的新方法，为各类薄壁箱梁的剪力滞翘曲位移函数的定义提出了新思路。（2）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，在引入广义截面特性参数的基础上，建立了可以考虑翼板厚度变化的混凝土箱梁的剪力滞效应分析通用分析方法。通过改变翼板厚度，系统研究了翼板厚度变化对混凝土箱梁正、负剪力滞和剪力滞附加挠度的影响规律。（3）针对单箱三室箱梁，考虑在竖向弯曲时各翼板剪力流分布的差异，基于翼板剪切变形规律来定义出截面仅有一个剪力滞未知量的翘曲位移函数。利用最小势能原理，建立了三室箱梁考虑剪力滞效应的控制微分方程。对一典型的单箱三室简支箱梁，利用基于翘曲位移函数的解析解研究了箱梁考虑剪力滞效应的截面应力和挠度分布规律，并采用有机玻璃模型试验和空间板壳数值方法进行了对比验证。（4）针对多单箱双室和单箱三室箱梁，构建了基于比拟杆法的比拟杆面积计算公式和剪力滞效应控制微分方程。以单箱双室和三室薄壁简支箱梁为算例，采用理论计算、有机玻璃模型试验研究、承受跨中集中力(满跨均布荷载)板壳数值模拟，分析了其剪力滞效应，并着重探讨了多室箱梁比拟杆数量对计算精度的影响。（5）基于截面荷载等效原理，通过荷载分解获得了单箱双室箱梁在对称竖向荷载下出现的局部扭转效应。利用基于截面剪力流平衡的箱室受力解算，获得了局部扭转效应的等效荷载及其应力计算公式。通过有机玻璃模型试验与有限元结果对比，验证了课题提出的局部扭转效应计算公式的正确性，并分析了单箱双室简支箱梁的局部扭转规律。（6）本课题以精确加载精确测试作为多室箱梁模型试验研究的基本要求和出发点，为了准确获取、验证多室箱梁的受力特性，特别针对多室箱梁开发了“多点同步加载和控制系统”，开展了多室箱梁剪力滞、扭转和畸变等效应的试验研究，验证了课题理论研究的可靠性，并揭示了多室箱梁的空间力学行为。