车道荷载作用下连续箱梁的扭转效应分析

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近年来,薄壁箱梁被广泛的应用,人们对箱梁扭转的理论研究也越来越多。三维有限元模型在其中得到了广泛的应用,然而其耗时耗力,分析时因受各种复杂因素的影响,结果也较为复杂。人们较难从其中分析出部分对结构的影响,在实际的工程的应用中仍有一定限制。本文研究的主要是,车道荷载作用下连续变截面箱梁的扭转效应分析。在薄壁杆件的基础上,通过理论推导得到扭转作用下各物理量的关系表达式。将箱梁总势能公式进行一阶变分,解得约束扭转的基本微分方程,对微分方程求解,明确边界条件。用有限元的思路来分析,得到约束扭转作用下箱梁单元的刚度矩阵和等效结点力。运用FORTRAN语言,在Frame2程序基础上,编制用于计算箱梁扭转效应的程序,通过对已有文献中算例的计算结果做对比,验证自编程序的可靠性。本文所选取的工程实例为京杭古运河大桥,结合实际情况选取三种荷载工况运用自编程序对扭转效应进行计算,应用平面杆系有限元程序对弯曲效应进行计算。定义应力放大系数,用于表征偏载引起的扭转对应力的影响情况。结合实际算例,本文共得到以下几点结论:(1)约束扭转效应作用下,翘曲双力矩的规律为:在集中扭矩的作用处和支撑断面处数值最大,从最大值处向两侧衰减;扭矩的分布规律为:在集中外荷载作用位置有突变。扭转角的分布规律为:在有集中外力作用处达到最大值,支撑点处为零。(2)同一种工况下,单车道荷载作用时,应力放大系数最大;四车道荷载作用下,应力放大系数最小。(3)工况一(中跨跨中弯矩最大),在中跨1/4和3/4处出现应力放大系数的最大值;工况二(边跨跨中正弯矩最大)时,应力放大系数的最大值出现在第一个支座处;工况三(支座负弯矩最大),应力放大系数的最大值出现在中跨3/4处。(4)同一横截面上,顶板与腹板相交处,偏载引起的扭转效应对应力的影响最大。(5)在所有荷载工况的不同车道荷载作用下,应力放大系数的最大值为:2.0787,出现在工况二(边跨中正弯矩最大)下单车道作用时。(6)与实际情况最为相符的四车道荷载作用下,应力放大系数在中跨跨中处的值在1.09左右,其最大值在1.2~1.3左右,其中:工况一为:1.2179,工况二为:1.3187,工况三为:1.2079。
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