薄壁斜箱梁桥的扭转与畸变效应研究综述

薄壁斜箱梁桥的扭转与畸变效应研究综述

箱梁桥因为其良好的抗扭工作性能以及成熟的施工技术，目前在我国桥梁建设中得到了广泛的应用。箱梁桥在偏心荷载作用下产生的扭转与畸变效应对桥梁的影响这一问题目前也受到了工程人员的重视。文章在介绍现有的箱梁扭转与畸变的研究现状、研究方法的基础上，列举了对斜箱梁桥的扭转和畸变造成影响的因素，并提出了目前对于斜箱梁桥有关其扭转与畸变的研究所存在的一些问题。

标签：箱梁；扭转；畸变；斜度

引言

当前，在我国城市桥梁和公路桥梁建设不断发展的情况下，由于空间或地形等的影响，许多桥型不得不选择斜桥。尤其是在城市中，桥位要服从道路网规划设计，当受到空间的限制时，桥位难免要与规划路线成一定角度。在斜桥桥型普遍采用的背景下，因其本身有别于正桥的构造特点，尤其是对于斜箱梁桥来说，其受力复杂，无论是其理论解析还是数值解析，目前都处在研究阶段，特别是其产生的剪力滞效应，扭转和畸变效应等问题正越来越受到人们的重视。

箱梁在偏心荷载作用下可等效为局部荷载，对称荷载和反对称荷载的共同作用。扭转和畸变效应是在反对称荷载作用下产生的。扭转是反对称荷载作用下的刚性转动，分为自由扭转和约束扭转。其中自由扭转产生自由扭转剪应力？子K；约束扭转产生翘曲正应力？滓w和约束扭转剪应力？子w。畸变产生翘曲正应力？滓dw，畸变剪应力？子dw，横向弯曲应力？滓dt。其中扭转的变形特征为扭转角θ，畸变的变形特征为畸变角γ。

1 研究方法和现状

随着交通运输业的发展，桥梁建设已进入一个崭新的阶段。尽管现在有很多通用的结构分析软件，但是对于解决一些复杂的桥梁结构问题还不够，必须针对其特点和细部构造展开研究。与正交箱梁桥相比，斜箱梁桥的扭转与畸变效应较为明显。在箱梁分析时，把畸变和扭转放在一起时，计算困难，而且现有的一些方法如等薄壳理论等，都存在着一些局限性，因此在箱梁的计算分析中，应将扭转和畸变效应分别进行考慮，将影响箱形梁变形的各种因素的影响程度进行全面的分析归纳，这样有利于斜箱梁桥构造的设计和改进。目前国内外学者对箱梁的扭转和畸变问题做了大量研究，按照研究方法的不同基本上可以分成三类：解析法，数值法和模型试验研究。

1.1 解析法

箱梁的扭转分析始于圣维南的自由扭转理论，该理论解决了薄壁杆件自由扭转的截面翘曲问题。前苏联学者乌曼斯基在基于横截面周边不变形的前提下提出了闭口截面刚性扭转理论，即乌氏第一理论。但是该理论提出的β（z）函数与

扭转角θ相同的假定会对杆件分析计算产生误差，于是其放弃了这一假定，认为β（z）是一个待求函数，进而推导出了约束扭转微分方程，即乌氏第二理论，相对于第一理论明显提高了精度。关于扭转的第三种理论是詹涅里杰等人根据变分原理提出的，此种方法计算繁琐，实用性不强，所以应用较少。有关扭转的另一理论是符拉索夫的广义坐标法。他根据虚功原理导出了周边不变形闭口截面刚性扭转解析法，该种方法简洁明了，适用于任何支承形式的边界条件，也能适应于变截面箱梁的分析，因此得到了广泛的应用。

对于箱形梁的畸变分析，目前相对成熟的解析方法是弹性地基梁比拟法，但该种方法只适用于等截面箱形梁。由于变截面箱形梁结构的复杂性，所以有关其畸变应力的分析方法目前还不够完善。常用的方法是等代梁法，该方法从变截面箱形梁的实际结构特征出发，能很好地反映其受力特点和刚度沿纵向连续变化对内力的影响等问题。

之后很长一段期间，学者们对于箱梁的扭转和畸变效应理论研究都是对前面经典理论的运用和修正。如鲍永方和黄文彬[1]分析了几种约束扭转理论的关系和差别，提出了修正的乌曼斯基理论，使计算精度更高，速度更快；日本教授平岛政治[2]把由四块板构成的任意箱形截面的畸变微分方程中的畸变和约束扭转联系项用单元应力平衡条件中的剪力成分来变换，因此提出了一种能考虑剪切变形的箱梁畸变理论；徐勋[3]基于广义坐标法，考虑了次生剪切变形影响，建立了厚壁箱梁畸变分析理论和分层分析方法，有利于箱梁畸变分析理论的发展。

1.2 数值法

目前在分析斜箱梁桥时比较常用的数值方法有梁格法、有限条法和实体单元法。

梁格法是用等效的纵、横梁格来模拟斜箱梁桥的上部结构，将分散在主梁每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内，而横向刚度则集中于横向梁格构件内。牛小龙[4]、张帅锋[5]等人在分析斜箱梁桥的空间受力中采用了这种方法，取得了很好的效果。但是该方法不能考虑扭转与畸变效应产生的翘曲，前处理和后处理工作量特别大。

有限条法是根据折板理论，把箱形梁三维空间问题简化为二维空间问题，是分析多室箱梁有效方法之一，优点是能够分析多室箱梁的大部分变性特征（扭转、弯曲、畸变等），还能分析等截面箱形梁结构，但是不能分析变截面箱梁[6]。

对于研究斜箱梁桥的空间效应来说，实体单元法是更为精确的一种方法。当桥梁宽跨比较大、截面变形不可忽略时，简化为杆单元假定的适用条件将不再满足，这时采用实体单元，就可对箱梁进行弯曲，扭转、畸变等细部构造进行分析，而且计算精度较高。

1.3 模型试验

由于钢筋混凝土材料和箱梁结构受力的复杂性，其受力分析仍需借助于模型试验。

国内外进行模型试验时大多都采用有机玻璃作为制作材料。如李庆华[7]等人以简支的斜交薄壁单室箱梁为对象，作了有机玻璃模型在扭转荷载作用时的试验，提出了采用斜交箱梁的子结构法进行分析的建议；张文献[8]采用有机玻璃材料制成箱梁模型，对大翼缘箱梁的畸变效应进行了研究；Danesi[9]对三个大型的预应力混凝土箱梁进行了弯曲扭转试验，之后建立了有限元模型对试验结果进行了比较分析，并提出了建议。

2 斜箱梁桥产生扭转与畸变的影响因素分析