【博士】大跨度混凝土箱梁結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)研究【2009】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)以其諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用。箱梁結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)效應(yīng)一直以來(lái)是各國(guó)學(xué)術(shù)界和工程界廣泛關(guān)注的問(wèn)題。本文在總結(jié)和完善經(jīng)典薄壁桿件理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的約束扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)研究中所存在的主要問(wèn)題，以國(guó)內(nèi)典型的混凝土箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)以下幾方面進(jìn)行了深入研究?！　?．箱梁約束扭轉(zhuǎn)理論的對(duì)比分析和完善：在對(duì)已有的箱梁約束扭轉(zhuǎn)理論進(jìn)行對(duì)比分析和完善的基礎(chǔ)上，基于混合變分原理，建立了一種新的約束扭轉(zhuǎn)理論，該理論充分考慮了全部次生剪切變形的影響?；谛吕碚摚谘芯考s束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力成分對(duì)剪切變形的影響及其影響程度的基礎(chǔ)上，分析了該理論與已有開(kāi)口、閉口約束扭轉(zhuǎn)理論的統(tǒng)一。研究表明，各種理論差異的根源在于對(duì)次生剪切變形考慮的不同：烏曼斯基閉口理論和符拉索夫開(kāi)口理論所得結(jié)果偏于保守。　　2．箱梁畸變理論的對(duì)比分析和完善：在對(duì)已有的箱梁畸變理論進(jìn)行對(duì)比分析和完善的基礎(chǔ)上，首次證明了以畸變角為位移參數(shù)和以畸變撓度為位移參數(shù)所建立的兩類(lèi)理論是一致的，并建立了兩者的互換方程。對(duì)畸變廣義坐標(biāo)的確定提出了改進(jìn)方法，同時(shí)基于混合變分原理，建立了一種新的畸變理論，該理論充分考慮了全部次生剪切變形的影響?；谛吕碚?，在研究畸變剪應(yīng)力成分對(duì)剪切變形的影響及其影響程度的基礎(chǔ)上，分析了該理論與已有理論的統(tǒng)一。明確解釋了為什么在閉口薄壁桿畸變分析中可以采用畸變角的一階導(dǎo)數(shù)作為翹曲函數(shù)、而在閉口薄壁桿約束扭轉(zhuǎn)分析中不能采用扭轉(zhuǎn)角的一階導(dǎo)數(shù)作為翹曲函數(shù)這一長(zhǎng)期未能辨清的問(wèn)題。　　3．帶懸臂翼緣板箱梁的約束扭轉(zhuǎn)和畸變：在經(jīng)典薄壁箱梁理論的基礎(chǔ)上，分析了帶懸臂翼緣板的薄壁箱梁在約束扭轉(zhuǎn)和畸變時(shí)的內(nèi)力狀態(tài)，基于混和變分原理，建立了開(kāi)、閉口混合截面桿件的約束扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)分析的實(shí)用理論。研究指出懸臂翼緣板對(duì)整個(gè)截面約束扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在懸臂翼緣板的扇形慣矩所占整個(gè)截面的扇形慣矩的比例，懸臂翼緣板使得閉口箱的約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力和畸變正應(yīng)力發(fā)生了明顯的重分布，對(duì)于常規(guī)的鐵路和公路箱梁，懸臂板的貢獻(xiàn)不可忽略?！　?．厚壁箱梁的約束扭轉(zhuǎn)和畸變：采用廣義坐標(biāo)法，基于混合變分原理，建立了考慮壁厚效應(yīng)的厚壁箱梁約束扭轉(zhuǎn)和畸變解析理論；同時(shí)建立了考慮壁厚效應(yīng)的厚壁箱梁約束扭轉(zhuǎn)和畸變分析的分層方法。其中，指出了已有研究中考慮壁厚效應(yīng)方法所存在的問(wèn)題：首次提出了新力素-圣維南約束扭轉(zhuǎn)力矩，該力素與圣維南自由扭轉(zhuǎn)力矩的區(qū)別主要在于參與了扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力的平衡，同時(shí)提出了新力素-圣維南純畸變力矩和圣維南約束畸變力矩，該力素在傳統(tǒng)畸變理論中均被忽略了，并指出了在單箱室箱梁畸變中不存在布萊特純畸變?！　?．變截面箱梁空間分析的有限梁段模型：基于本文所建立的理論基礎(chǔ)，取直線(xiàn)箱梁控制微分方程的齊次解作為位移模式，利用二次形函數(shù)對(duì)變截面梁段的截面特性參數(shù)進(jìn)行插值，根據(jù)變分原理導(dǎo)出了變截面箱梁的單元?jiǎng)偠染仃嚭秃奢d列陣，從而建立了一種考慮約束扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)的半解析有限段模型。該有限梁段模型能以極少的離散自由度得到較高的計(jì)算精度，也能方便地納入普通梁桿單元程序系統(tǒng)，提高了求解效率，為箱梁空間效應(yīng)研究提供了一條有效的途徑。　　6．箱梁的空間力學(xué)效應(yīng)及其對(duì)橋梁行為影響的研究：對(duì)公路典型的扁平箱梁、鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)箱梁、公路整體式箱梁及數(shù)座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的約束扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出其空間應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力放大系數(shù)，獲得了一些有益結(jié)論。結(jié)合箱梁結(jié)構(gòu)形式和尺寸，研究了箱梁橋的跨度、截面寬高比、梯形箱梁腹板斜度和橫隔板的設(shè)置等因素對(duì)約束扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)的影響，揭示了一些基本規(guī)律?！　?

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