考虑索支撑作用的多室箱梁剪力滞效应研究

Single multicell box girders always used in cable-stayed bridges. Because of concentrated force effect of cables, uneven shear deformation presents on cross-section of box girders. In this project, analytic method using variational principle is constructed to calculate shear lag of multicell box girders supported by cables. Based on linear finite element method, general one dimensional finite element method for multicell box girders supported by cables is presented. Synthetizing theoretical analysis, model test and numerical finite element method, shear lag effect of multicell box girders supported by cables is systematically analyzed. Method to determine the effective flange width of multicell box girders is presented to convenient bending resistance design. Research results can provide theoretical reference for refinement analysis, structural design and related specification revision of box girders in cable-stayed bridges.

本课题以斜拉桥等结构中采用的单箱多室箱梁为对象，以拉索集中力效应引起的箱梁横截面非均衡剪切变形为切入点，基于能量变分解析法，建立索支撑箱梁剪力滞效应分析的理论方法。结合杆系有限元法，建立索支撑箱梁的通用一维有限元分析方法。综合理论分析、模型试验和有限元数值分析，系统研究索支撑下多室箱梁的剪力滞效应，并提出抗弯设计的有效翼缘分布宽度取值依据。研究成果可为斜拉桥等结构中箱梁的精细化分析、设计及相关规范制定提供理论借鉴。

本课题以斜拉桥等结构中采用的单箱多室箱梁为对象，以拉索集中力效应引起的单箱多室箱梁剪力滞效应为研究内容，通过理论分析、模型试验和数值仿真，系统研究了考虑索支撑的单箱多室箱梁剪力滞效应科学问题，主要结论包括：（1）针对单箱多室箱梁竖向对称弯曲受力的特点，提出了弯曲效应计算的梁条方法，建立了多室箱梁弯曲效应梁条建模方法。通过与有机玻璃模型试验解、基于板壳有限元的数值解对比分析表明，梁条法的纵向应力值以及挠度值与试验实值、板壳值吻合良好，表明梁条法的计算精度较高。（2）基于单箱三室箱梁在竖向索支撑作用下的多维模式，从变形模式分解的角度出发，推导得出正对称荷载作用下的单箱三室箱梁截面应力的计算方法。通过索支撑单箱三室箱梁的模型试验和基于ANSYS软件的板壳有限元数值仿真分析方法，对索支撑单箱三室箱梁截面应力计算方法进行验证，并且分析试验所得截面应力的分布规律。（3）针对某一具体的单箱三室斜拉桥，研究了索力作用下梁体的剪力滞效应，分析结果表明，由于多室箱梁局部扭转和畸变的影响，较大的索力会导致索力作用位置出现负剪力滞效应，更甚者，会使截面顶板出现局部拉应力，底板出现局部压应力。（4）在箱梁剪力滞分析的变分法原理基础上，构造了每结点包括两个剪力滞自由度的一维梁段有限元方法，推导出相应的梁段单元计算剪力滞效应的系数矩阵和广义荷载列阵计算公式，得到相应的有限元分析公式。通过自编程序，分析不同梁桥形式、不同荷载形式下的剪力滞效应，结果表明本研究提出的一维梁段有限元法具有分析精度高的优点。（5）针对单箱双室和三室箱梁，基于既有规范中尚没有单箱多室箱梁有效翼缘分布宽度取值依据的现状，参考现有单箱双室和三室箱梁的截面设计标准，基于随机方法，总结了单箱双室和三室箱梁的有效翼缘分布宽度，通过与现有规范中单箱单室箱梁有效翼缘分布宽度取值进行对比，提出了基于可靠度设计理论的具有95%保证率的单箱双室和三室有效翼缘分布宽度参数化取值曲线，以及修正曲线的公式，为规范修正提供了理论和方法支撑。