薄壁箱梁的剪力滞效应分析

吴磊

摘 要：薄壁箱梁的剪力滞效应是影响桥梁结构设计的一个重要因素，剪力滞效应的存在影响结构的应力状态，会给结构带来不利的影响。本文以一两跨等截面连续梁为研究对象，通过采用两种不同应力计算方法得出的应力进行对比，得出剪力滞效应对结构的影响。

关键词：薄壁箱梁；剪力滞

1 概述

初等梁理论中，我们假定离中性轴同一距离的截面，在弯矩作用下沿宽度方向截面的正应力是相等的。实际的带翼缘板的T梁和箱形截面梁，在对称垂直力作用下，翼缘板上的正应力沿宽度方向呈不均匀的分布状态。这种由于腹板处剪力流向翼缘板中传递的滞后而导致翼缘板正应力沿宽度方向呈不均匀分布的现象，称为“剪力滞效应”。如果靠近腹板处翼缘板中的正应力大于初等梁理论的正应力，称为“正剪力滞效应”，反之称为“负剪力滞效应”。

在宽翼缘梁的设计分析中，如果忽略剪力滞效应，将低估结构的实际应力大小，使其应力分布状态与实际不符，从而可能造成结构局部失稳或破坏。1969年11月至1971年11月，在奥地利、英国、澳大利亚和德国相继发生四起钢箱梁重大事故。事故发生后，通过桥梁专家的论证与分析，发现设计方法上存在严重缺陷，其重要问题就是在剪力滞问题上的考虑不周。国内的宁波招宝山斜拉桥在施工中发生严重事故，專家组研究的结论认为设计中没有考虑剪力滞的效应是主要因素。

2 结构简介

本文以跨度为 2*3.182m的两等跨连续直梁为研究对象，横截面如下图1所示，材料为玻璃钢。分析在一跨的跨中作用5kN的集中荷载时，箱梁截面的应力分布情况。得到结构中间支座截面和两跨跨中截面各点的剪力滞系数。

3 初等梁理论正应力计算

3.1 箱梁截面特性计算

箱梁跨中截面和支点截面的截面特性采用有限元软件进行计算。得到：

跨中截面抗弯惯性矩：

支点截面抗弯惯性矩：

3.1 初等梁理论正应力计算

按照初等梁理论，在两个竖向集中力作用下，第一跨和第二跨的跨中弯矩为：

跨中支座的弯矩为：

所以按照初等梁理论所得的应力分别为：

4 有限元法正应力计算

采用有限元软件建立了有限元模型，其中箱梁和支座处的横隔板都采用实体单元进行模拟。有限元模型如图3所示。

在竖向荷载作用下，结构在第一跨跨中、中间支座和第二跨跨中的纵向正应变和纵向正应力如表1所示：

剔除表1中集中荷载作用处因应力集中产生的畸变应力，从计算结果中可以看出：在第一跨和第二跨跨中顶板与腹板交接处，截面的正应力为1.9108Mpa（压应力），其数值小于按初等梁理论的计算结果2.051Mpa（压应力），可知在此处出现负剪力滞效应。在中间支座截面的顶板与腹板交接处，截面的正应力为3.253Mpa（拉应力），按照初等梁理论的计算结果为2.17Mpa（拉应力），计算此处的剪力滞系数为1.50。

5 结论

对薄壁箱梁剪力滞影响比较明显的因素主要有：作用的荷载类型、荷载作用位置和结构位置、结构的跨宽比、截面翼缘板提供的抗弯刚度与截面总体抗弯刚度的比值。

对于本次所计算的箱梁结构，l/2b=1.591/1.2=1.326，结构的跨宽比比较小，导致在两跨的跨中顶板与腹板相交的位置出现负剪力滞效应，在支座截面顶板与腹板相交的位置出现正剪力滞效应。

参考文献

[1] 雷娟娟，张元海.薄壁箱梁的剪力滞效应分析.兰州交通大学学报，2010年第4期.

（作者单位：广东省交通规划设计研究院股份有限公司）