动荷载作用下曲线箱梁剪力滞效应研究

Curved box girder bridge is a common type of bridge structure. For the box girder, shear lag effect caused by the non-uniform distribution of shear deformation along the width of box girder flange plate is the main reason for the accident of some major projects. Currently, the extensive research on the shear lag effect of simple box section under the static load has undertaken, and some research achievements have been completed. However, due to the complexity of curved box girder cross-section form and force status, shear lag effect under dynamic load has some universal behavior, but more particularly, the work is urgent to carry out. Shear lag effect of curved box girder under dynamic load will be carried out the concrete curve in the present work. In order to establish a complete set of analytical methods and test technology for the curved box girder under dynamic load, the multi-faceted, multi-means and multi-condition research will be carried out by theoretical analysis, numerical solution, experimental verification, parametric analysis and field measurement research work. The project belongs to the basic research on shear lag effect of concrete curved box girder under dynamic load, its work will enrich the content of the shear lag effect, and provide a new research idea.

曲线箱梁桥是一种常见的桥梁结构型式。在箱型梁中，由于剪切变形沿箱梁翼缘板宽度非均匀分布而引起的剪力滞效应是造成一些重大工程事故的主要原因。目前，静荷载作用下截面形式简单的曲线箱梁剪力滞效应已进行了大量研究，取得了很多研究成果；但由于曲线箱梁截面形式及受力状况的复杂性，使得动荷载作用下的曲线箱梁剪力滞效应除具有一般直线箱梁剪力滞效应的普遍规律外，更具其特殊性，对此方面的研究工作亟待开展。本项目将开展动荷载作用下混凝土曲线箱梁剪力滞效应研究，通过理论推导、数值求解、试验验证、参数化分析和现场实测，进行多方面、多手段、多工况的研究工作，从而建立一套完整的动荷载作用下曲线箱梁剪力滞效应的分析方法和试验技术，旨在更有效评估剪力滞效应对曲线箱梁结构承载能力和安全稳定性的影响。本项目属于动荷载作用下混凝土曲线箱梁剪力滞效应的基础研究，其工作将丰富剪力滞效应研究的内容，并提供一种新的研究思路。

薄壁箱梁广泛地应用于现代城市立交桥、高架桥和大跨度桥梁结构中，剪力滞效应是薄壁箱梁典型的受力特征，若忽略剪力滞效应，将会引起肋板与顶板交界处应力集中，造成梁体开裂和变形增大，严重影响桥梁结构的安全性和耐久性。本项目对动荷载（包括行车荷载和地震作用）作用下曲线箱梁剪力滞效应进行了研究，主要研究内容和成果有：1、基于理论分析，推导了曲线箱梁考虑剪力滞效应的振动控制微分方程，推导了薄壁曲线箱梁空间单元刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵和地震质量矩阵，分别采用伽辽金法和Newmark-β法进行求解，结果表明：剪力滞效应削弱了曲线箱梁的刚度，降低了结构的自振频率；二次抛物线和悬链线是翼板剪力滞效应合理的翘曲位移模式；静荷载和均布简谐动荷载作用下曲线箱梁剪力滞效应差别不大；所推导的刚度矩阵和质量矩阵不仅可以计算曲线箱梁桥的地震响应，还可以为桥梁结构的抗风、车致振动和动力计算软件的二次开发提供重要理论支持。2、基于试验研究，进行了移动荷载作用下、地震作用下悬臂曲线箱梁和三跨连续曲线箱梁剪力滞效应试验研究，结果表明：悬臂曲线箱梁在固定端截面的剪力滞效应较L/2截面处的明显；地震动类型对剪力滞系数的变化影响不大；三跨连续曲线箱梁在地震激励下内支座截面剪力滞效应最为显著，中跨跨中截面次之，边支座截面剪力滞效应最小。3、基于数值计算理论和方法，对曲线箱梁剪力滞效应进行了有限元参数化分析，结果表明：腹板间距和曲率半径对剪力滞效应影响最为显著；在对混凝土曲线箱梁剪力滞效应进行非线性分析时，混凝土本构关系应优先选用Hognestad 模型；非径向支撑方向对剪力滞效应影响较大，连续曲线箱梁剪力滞效应对支撑角等外部几何参数变化比较敏感。