薄壁斜箱梁桥的扭转与畸变效应研究综述
薄壁箱梁扭转理论讲解
基于扭转理论的优化设计目标是寻找 最优的梁截面尺寸、材料分布和结构 布局，以实现最小的重量、最大的承 载能力和最佳的稳定性。
03
优化设计的方法
常用的优化设计方法包括有限元法、 有限差分法和离散元素法等。这些方 法可以通过迭代计算，不断调整设计 方案，以实现最优的设计结果。
优化设计的目标与方法
优化设计的目标
转动惯量
薄壁箱梁的转动惯量决定 了其抵抗扭矩变化的稳定 性。
提高抗扭性能的措施
优化截面尺寸
通过调整薄壁箱梁的截面尺寸，提高其抗扭刚 度。
选择高强度材料
使用高强度材料可以降低扭矩作用下梁的变形。
加强连接构造
通过增加连接构造，提高薄壁箱梁的整体稳定性，从而提高其抗扭性能。
抗扭性能的实验研究
实验设备
需要使用专门的实验设备来模拟薄壁箱梁在扭矩作用 下的表现。
02 薄壁箱梁的扭转理论
扭转理论的定义与原理
定义
薄壁箱梁的扭转理论是指研究薄壁箱梁 在扭矩作用下的变形和应力分布的理论 。
VS
原理
薄壁箱梁的扭转理论基于弹性力学的基本 原理，考虑了剪切变形和剪切力的影响， 采用适当的简化假设和数学模型来描述扭 矩作用下薄壁箱梁的力学行为。
扭转理论的计算方法
解析法
优化设计的实践案例
案例一
某大型桥梁的薄壁箱梁设计。通过基于扭转理论的优化设计，成功地减小了梁 的重量，提高了承载能力和稳定性。同时，也降低了材料的消耗和成本。
案例二
某高速列车的车体结构设计。采用薄壁箱梁作为主要承重结构，通过优化设计， 实现了车体的轻量化和高强度。这提高了列车运行的安全性和稳定性。
实验过程
通过观察和记录薄壁箱梁在扭矩作用下的变形情况， 分析其抗扭性能。
11薄壁箱梁扭转理论讲解
在
i
室
qi
ds
2 A0i G
n n
或
2 0i
2 A0 i qi G ds
4A qi i G ds i 1 i 1
4A Id ds i 1 ds i 1
n 2 0i n 2 i
由于一个室的抗扭惯矩
I di 4 A /
B ( s )ds
B [ E ( z )] ( s )ds EI ( s ) ( z )
故而约束扭转翘曲应力 平面弯曲应力
My I
的表达式为
相似
B ( s ) I
箱 梁 承 受 外 扭 矩
Mk
（3）约束扭转剪应力
i,i 1
总扭矩与各室剪力流的关系为
箱室总数
n
q
i 1
i
n
i
i
Mk
n
或
q
i 1 i
GI d
整个截面的 I d qi i / G 总抗扭惯矩 i 1
(3) 分离式多室箱
分离式多室箱
若多室箱型梁的截面有连续上部翼板，但无公共肋板和公共下翼板， 则称为分离式的多室箱，如上图所示。现忽略上部联系板的扭转剪 应力，剪应力的分布同单箱多室截面，但没有共同肋板的剪力流：
如上图所示，取箱壁上 据力的平衡条件，则有
A 点的微分单元体进行分析（下图），根
N
z
0
τ . δ dz
dzds dsds 0 z s
0 z s
积分常数，它 表示截面上的 初始剪应力
e e
薄壁箱梁的扭转和畸变理论-文档资料
自由扭转 约束扭转增量
主广义扇性静矩
4、约束扭转扭角微分方程
根据截面上内外扭矩平衡
根据截面上纵向位移协调
翘曲系数 截面极惯矩
合并两微分方程后得到
约束扭转的弯 扭特性系数
常用边 界条件
箱梁的畸变应力
1、弹性地基梁比拟法基本原理
畸变角微分方程
弹性地基梁微分方程
弹性地基梁与受畸荷载箱梁各物理量 之间相似关系
的 主 弯扭刚度比
要 增大抗扭惯矩可以大大减小扭转变形
因
素 扇性惯矩
曲线桥
平 计算方法综述
面
–杆系结构力学+横向分布
弯
–有限元法
桥
• 梁格法
的
• 板壳单元
设
计
计
算
线桥
平 面 曲 梁 的 变 形 微 分 方 程
混凝土徐变
定义 混凝土在不变荷载长期作用下，其应
变随时间而继续增长的现象称为混凝土的 徐变。 特点
T形梁翼板有效分布宽度
T 梁 有 效 分 布 宽 度
无承托：B=δ+2λ 有承托： B=δ+2λ+承托宽度
曲线桥
漳 龙 高 速 公 路
曲线桥
弯 拱 桥
曲线桥
弯 连 续 刚 构
曲线桥
弯 立 交 桥
曲线桥
弯 立 交 桥
曲线桥
由于曲率的影响，梁截面在发生竖向弯 受 曲时，必然产生扭转，而这种扭转作用又 力 将导致梁的挠曲变形，称之为“弯—扭” 特 耦合作用 点
徐变的发展规律是先快后慢，通常在 最初六个月内可完成最终徐变量的70-80%， 第一年内可完成90%左右，其余部分在以后 几年内逐步完成，经过2-5年徐变基本结束。
薄壁箱梁扭转理论
Mk GI d
曲率
１ M (形式类似弯曲： ＝ ) EI
Mｋ 代入 u ( z ) 表达式，则纵向位移： 将 t ， s ds s u( z) u0 ( z) ( z ) ( z ) ds
ds t
s 0
t
0
u 0 ( z ) ( z )[ ds
( s ) ds
0
s
s
ds
0
/
ds
薄壁箱梁的约束扭转
（1） 基本假定
众所周知，乌曼斯基闭口薄壁直杆约束扭转理论应用以下三个基 本假定： ①横截面的周边不变形； ②横截面上法向应力和剪应力沿壁厚是均匀分布的； ③横截面上纵向位移沿本截面的分布规律与自由扭转时是相同的
令纵向位移为 u ( z , s ) ， z 表示沿跨径， 当闭口截面只发生自由扭转时，有
E w ( Z S ) 2 1
Mk
E dz w E ( z) 2 1 ds u（z） M A u( z) vM u ( z ) ( z ) Z u0 y z s ( z ) ( z ) ] w E[u0 (3 24) ( z )是未定的，我们可以利用平衡条件来消去它，因为箱梁 上式中 u 0 截面上只有扭矩 M k ，其引起翘曲正应力 w 自相平衡，既正应力
s s
q
ds
（阴影部分 ，ds为三角形底边， 为高， 1 ds 为三角形面 2 积） Mk q （ 为周边所围面积的2倍）
qMk t
2. 扭矩M k 、扭率 和纵向位移 u 的关 Mk 系 我们假设 z 为梁 轴方向， u 为纵 向位移，v 为箱 dz 边 s 切线方向的 ds 位移：
12 薄壁箱梁畸变理论资料
在截面内自相平衡，故应满足以下条件
Dds 0 D xds
0
D yds 0
平面内平 衡条件式
各板元平面内力系
a)翘曲应力 D b)各板元平面内力系
因截面对称于 y轴，而应力反对称于 y轴，所以平衡条件式
令 q y q yA q yB 则得
dQ3 dz
Vd
qy
消去T1，T2有
d2M3 dz 2
h 2b
d2M dz 2
1
d2M2 dz 2
dQ3 dz
h dQ3 2b dz
dQ2 dz
0
而
dQ1 dz
dQ2 dz
2H d
2qx
DA
DB
BD ID
1
1 D
bh 4
BDw ID
框架抗弯刚度
EI R
24 I 3 E
h1
D
2 v b
2 h h
令
m
mBC m AD
得
2 b 3 I1 I2
1
1
I1
h I2
I3 6 I1I2h
I3
I 32b
3 b I3
m
h I1 3 bI3
hI 2
mBC
则
mmAD
m EI R D 2(1 m )
IIm32 BC
I1I2 h
的表达式中有
2
2v b
考虑畸变时薄壁箱梁受扭分析的精细积分法
第３ ０卷
第 ３期
江
西
科
学
Ｖ０ ． ０ Ｎｏ ３ １３ ．
２１ ０ ２年 ６月 Fra bibliotekＪＡＮ Ｉ ＧＸＩ Ｓ ＥＮＣＥ ＣＩ
Ｊｎ ２ １ ｕ ．０ ２
文 章 编 号 ：０ １— ６ ９ ２ １ ）３—０３ ｏ １０ ３７ （ ０２ ０ ３ ５一 ３
考 虑 畸 变 时薄 壁箱 梁 受扭 分 析 的精 细积 分 法
土剪 力墙 ； 空工 业 中 的机翼 构 件 和 造船 工 业 中 航 的船 体构件 等 。
有重要价值。乌曼斯基理论的假定是在小变形条
件下 ， 杆件 截 面 外形 保 持 “ 刚周 边假 定 ” 即忽 略 ， 了外形 轮廓 线 的变形 。符拉索 夫提 出 了对于 闭 口 截 面杆 件 考 虑 截 面 外 形 轮 廓 线 变 形 的广 义 坐 标 法 ¨ 。研 究 结果表 明 ， 义 坐标 法 相对 于 乌 曼斯 广
ｔｎ ａ ａ ｙ ｔ ｍ ｏ ｏ ｓｏ ｎ ｌ ｓｓｏ ｈ ｎ・ ｌ ｄ ｂ ｘｂ ａ ａ ｅ ｄ ｄ ｃ ｄ ｂ ｏ ｓｄ ｒｎ ｉｔｒ ｏ ｉｎ ｄｕ ｌｓ ｓｅ ｆ ｒｔｒ ｉｎ ａ ａｙ ｉ ｆｔ ｔ ｉ － ｌ ｏ ｅ ｍ ｒ ｅ ｕ ｅ ｙｃ ｎ ｉ ｅ ｇｄ ｓｏ ・ ｈｅ ｗａ ｅ ｉ － ｔ ｎ． ｅ ｈ ｉｈ ａ ｃ ｒ ｃ ｍｅ ｃ ｌｓ ｌ ｔ ｎ ａ ｂａ ｎ ｄ ｂ ｓｎ ｒ ｃｓ ｎ ｅ ｒ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｉ Ｔｈ ｎ ｔ ｅ ｈ ｇ ｃ ｕ ａ ｙｎｕ ｒ ａ ｏｕ ｉ ｓｃ ｎ ｂｅｏ ｔｉ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ａ ｐ ｅ ｉｅｉ ｔ ｇａ ｉ ｔ — ｏ ｉ ｏ ｏ ｏ Ｔｈ ｏ ｇ ｈ ａｃ ｌ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌｓ， ｉ ｔ ｏ ａ ｉｈ ｒ ｐ ｅ ｉｉｎ ａ ｄ ｇ ｅ ｔｒ ａ ｐ ｉａ ｉｉ ．Ｔｈ ｄ． ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｅ ｕ ｔ ｔ ｓ ｍｅ ｈ ｄ ｈ ｓ ｈ ｇ ｅ ｒ ｃｓｏ ｎ ｒ ａ ｅ ｐ ｌ ｂ ｌｔ ｏ ｈ ｃ ｙ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉ ｇ ｐｒ ｃ ｓ ｓ ｓｍｐｌ Ｉ ａ ｏ ｖ ｎ ｅ ｄ ｓ ｄ ｆ ｒｔ ｅ ｃ ｌｕｌｔ ｎ ｏ ｉ — ｌｅ ａ ｔｕ — ａ ｃ ｌｔｎ ｏ ｅ ｓｉ ｉ ｅ． ｔｃ ｎ ｂｅ ｃ ｎ ｅ ｉｎ ｙ ｕ ｅ ｈ ａｃ ａｉ ｆｔ ｎ ｗａｌ ｄ ｂ ｒｓｒ ｃ ｏ ｏ ｈ
长安大学研究生课 薄壁箱梁畸变理论
2、板元平面外力系分析 （1）内力平衡
顶板力矩平衡:
q yA q yD
腹板力矩平衡:
q xA q xB
框架变形 平 面 外 力 系
m AD mDA mBC mCB q yA q yD q yB q yC q xA q xD q xB q xC
角点力矩平衡: m AD m AB 0 mBA mBC 0 底板力矩平衡:
k
c)
e
k
d)
m AD m AB 0
I1 h h I1 h v B A 3 I b 2 6 I b b 6 h 3 3
mBA mBC 0
I2 h h I h v 3 6 2 A B 2 6 I3 b b h I3 b
再消去剪力Qi:
d2M 3 h d2M1 d2M 2 2 d z 2 dz 2 2b dz h h Vd H d q y q x 0 b b
（3）应力与板自身内弯矩的关系（梁理论） 2J1 D 2J 2 M2 DB M1 DB b b i bi3 板在其自身平 2 J 3 DA DB Ji M3 面内的惯性矩 12 h 2 DB DA / D
b 1 1 h 3
3 1
b 2 2 h 3
3 2
b1 1 b
b2 2 b
3 2 D 3
（2）内力平衡分析
M
0
0
X 0
1 dM 1 dQ1 T1 Q1 H d qxA qxD b dz dz dQ1 q x q xA q xD H d qx dz
薄壁箱梁的扭转和畸变理论
薄壁箱梁的设计原则和流程
总结词
薄壁箱梁的设计应遵循结构安全、经济合理、施工方 便等原则，设计流程包括初步设计、详细设计和施工 图设计等阶段。
详细描述
在薄壁箱梁的设计过程中，应充分考虑结构的安全性、 稳定性和耐久性，确保结构在承受各种载荷和气候条件 下的性能表现。同时，设计时应注重经济合理性，优化 材料用量和结构尺寸，降低制造成本。此外，设计时应 考虑施工的方便性，合理安排施工顺序和工艺方法，提 高施工效率。设计流程一般包括初步设计、详细设计和 施工图设计等阶段，每个阶段都有相应的设计内容和要 求。
通过建立有限元模型，模拟薄壁箱梁的畸 变行为，考虑了材料的弹塑性和几何非线 性等因素。
能量平衡法
几何非线性理论
基于能量守恒原理，通过分析薄壁箱梁在 不同外力作用下的能量变化，推导出畸变 的计算公式。
采用大变形理论，考虑了薄壁箱梁在受力 过程中的大位移和转动，适用于分析复杂 受力状态下的畸变问题。
05 薄壁箱梁的扭转和畸变控 制
计算结果分析
根据计算结果，可以对薄壁箱梁的扭转效应进行分析和评估。如果发现存在较大的扭转响 应，应采取相应的措施进行优化和加固，以提高桥梁的安全性和稳定性。
Hale Waihona Puke 04 薄壁箱梁的畸变理论畸变的定义和特性
畸变定义
畸变是指薄壁箱梁在受到外力作用后，其截 面形状和尺寸发生改变的现象。
畸变特性
畸变具有非线性、时变性和空间性等特点， 与箱梁的几何形状、材料属性、外力大小和 作用方式等因素密切相关。
薄壁箱梁的扭转计算方法
计算方法
薄壁箱梁的扭转计算方法主要包括有限元法和解析法。有限元法是通过将梁体离散化为有 限个单元，然后对每个单元进行受力分析，最后汇总得到整体的受力情况。解析法则是通 过数学公式推导，直接求解出梁体的扭转响应。
箱梁的畸变分析
高等桥梁结构理论
误差还是比较大。 畸变是在闭口薄壁杆件受到偏心荷载的时候产生的，薄壁杆件在偏心荷载作
用的时候，受力特性比较复杂，会产生纵向弯曲（图 1-a），扭转（图 1-b），畸 变（图 1-c）以及横向挠曲（图 1-d）四种基本变形。（如图 1 所示）
图1 另外能引起畸变的荷载主要有一下几种，竖直偏心荷载（图 2-a）、水平偏心 荷载（图 2-b）和在自重作用下由于支点倾侧（所谓三条腿）（图 2-c）产生的扭 矩等荷载。
的曲线，所以此处一阶导数为 0） Q = − （由于此处研究的是a1sinθP4 = 1的
8
高等桥梁结构理论
情况，所以跨中处的剪力为− ）,M =
。将初参数和 x=0 代入（3-11）和（3-12）
以及转角和剪力表达式，列出一个以 Bi 为未知数的方程组。 解得：源自1 =2 == 1
− 4 +
（3-13）
3.1 两种物理模型之间的比拟关系
弹性地基梁
常截面畸变
A．控制微分方程 EIby，，，，+Ky=q B．相似物理量
EJAγ2，，，，+ EJBγ2=a1sinθP4
Ib—弹性地基梁惯矩（m4）
JA—箱梁畸变翘曲惯矩（m6）
EIb—弹性地基梁抗弯刚度（kn·m2） EJA—箱梁畸变翘曲刚度（kn·m4）
53.72 × ( × 10 ) + 17.717 × 17.717 × ( × 10 ) − 3.605
解得：
+ 166.121 = 0 + 5.131 = 0
= 0.68 × 10
= 2.628 N ∙ m
代回式（3-14）和（3-15）
y( ) = 0.68 × 10 ∙ [
薄壁箱梁的约束扭转和畸变效应分析
薄壁箱梁的约束扭转和畸变效应分析薄壁箱梁的约束扭转和畸变效应分析摘要：薄壁箱梁是一种常见的结构元件，其具有优良的抗弯强度和刚度，在工程应用中得到了广泛的应用。
本文通过对薄壁箱梁的约束扭转和畸变效应进行分析，探讨了约束对薄壁箱梁扭转和畸变能力的影响，为工程设计提供了理论依据。
1. 引言薄壁箱梁是指高度相对于底板长度较小的箱形梁。
由于其结构特点和材料优势，薄壁箱梁在工程中广泛应用于各种载荷条件下的结构设计。
其中，薄壁箱梁具有较好的抗弯强度和刚度，在工程领域中扮演着重要的角色。
2. 约束扭转效应分析约束扭转是指薄壁箱梁在扭转载荷作用下，由于边缘的约束而产生的弯曲和畸变效应。
约束扭转效应是薄壁箱梁独特的特性之一，也是其承受扭转载荷时的关键性能指标。
约束扭转的主要原因是由于薄壁箱梁的边缘受到约束，无法自由地扭转。
在受到扭转力矩作用时，箱梁表面的长边会产生压缩应力，而短边则会产生拉伸应力。
这种应力分布会导致薄壁箱梁的畸变和弯曲现象。
面对这种约束扭转效应，工程设计中应充分考虑箱梁的约束条件。
通过对箱梁的加强措施，如在边缘设置增强剖面、加固刚度、改变截面形状等，可以提高薄壁箱梁的约束扭转能力。
3. 畸变效应分析畸变效应是指薄壁箱梁在受到加载时，由于材料内应力的分布不均匀而产生的形变现象。
畸变效应通常包括剪切变形、弯曲变形和扭转变形等。
薄壁箱梁的畸变效应主要受到截面形状、材料特性以及加载形式等因素的影响。
在加载时，薄壁箱梁的截面上不同点处的应力分布不同，会导致箱梁的不均匀畸变。
为了降低薄壁箱梁的畸变效应，可以采取一系列的设计措施。
如选择合适的截面形状、材料特性和加载方式等，以改善应力分布的均匀性。
此外，通过增加约束和提高刚度，也可以有效地减少薄壁箱梁的畸变形变。
4. 约束扭转和畸变效应的关系约束扭转和畸变效应是密切相关的。
在受到扭转载荷时，薄壁箱梁的约束条件会影响其承载能力和畸变形变。
首先，约束扭转会导致薄壁箱梁发生畸变现象。
薄壁箱梁畸变效应分析
薄壁箱梁畸变效应分析薄壁箱梁畸变效应分析1. 引言薄壁箱梁是一种常见的结构形式，在工程领域中应用广泛。
然而，由于其结构的特殊性，薄壁箱梁在受力过程中可能会出现畸变效应。
本文将探讨薄壁箱梁畸变效应的原因、特点以及对结构稳定性的影响，并分析畸变效应产生的机理。
2. 薄壁箱梁畸变效应的原因薄壁箱梁的畸变效应主要是由于其结构的刚度非均匀性和受力不平衡性所致。
在实际工程中，薄壁箱梁中的材料分布、截面形状的非均匀性以及外部载荷的不均匀施加等因素都会导致畸变效应的产生。
3. 薄壁箱梁畸变效应的特点薄壁箱梁畸变效应表现为结构截面的变形和应力分布的不均匀性。
具体来说，畸变效应会导致薄壁箱梁的截面形状发生变化，例如出现翘曲、扭转等现象。
另外，由于畸变效应造成的截面位移和应力不均匀，可能对结构的稳定性和强度产生重要影响。
4. 畸变效应对结构稳定性的影响薄壁箱梁的畸变效应可能会引起结构的不稳定性。
具体来说，当畸变效应导致结构的截面形状发生变化时，会使结构受到不同方向的施力，从而引起截面位移和扭转变形。
这会导致结构的刚度降低，从而可能引发结构的失稳问题。
此外，薄壁箱梁受到外部载荷作用时，由于载荷的不均匀分布，会导致结构受力状态不平衡。
这种受力不平衡可能会进一步加剧结构的畸变效应，从而影响结构的稳定性。
5. 畸变效应产生的机理薄壁箱梁的畸变效应产生是由于结构受力引起的应力和变形不均匀性。
当外部载荷作用在薄壁箱梁上时，结构内部会产生应力集中现象。
这种应力集中会引起结构截面上的塑性变形，从而导致结构的形状发生畸变。
此外，结构的刚度非均匀性也是导致畸变效应的重要原因。
由于薄壁箱梁的截面形状复杂，内部材料的分布不均匀性会导致结构在受力过程中产生畸变。
6. 结论薄壁箱梁的畸变效应是由于结构刚度的非均匀性和受力的不平衡性所致。
畸变效应会导致结构截面的形状变化和应力分布的不均匀性，进而可能影响结构的稳定性。
在设计薄壁箱梁时，应充分考虑畸变效应的影响，并采取相应的措施来提高结构的稳定性。
箱梁弯扭、翘曲、畸变、剪滞的综合分析
箱梁弯扭、翘曲、畸变、剪滞的综合分析
江晓俐;杨永谦
【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》
【年(卷),期】2000(024)002
【摘要】提供了一种可以全面分析箱梁弯曲、扭转、翘曲、畸变、剪力滞后的有限梁法,并从理论上分析了剪力滞后效应.通过考题可以验证本方法的正确性,而且其计算数据准备简单,计算量小.
【总页数】3页(P146-148)
【作者】江晓俐;杨永谦
【作者单位】武汉交通科技大学船舶与土木工程学院,武汉,430063;武汉交通科技大学船舶与土木工程学院,武汉,430063
【正文语种】中文
【中图分类】U448.21
【相关文献】
1.悬臂箱梁剪滞翘曲位移模式研究 [J], 卢重阳
2.薄壁简支箱梁剪滞翘曲位移模式研究 [J], 卢重阳
3.曲箱梁桥考虑翘曲和剪滞效应的弯扭耦合变形分析 [J], 韦成龙;刘小燕
4.箱梁剪滞翘曲位移函数的定义及其应用 [J], 蔺鹏臻;刘凤奎;杨军;冀伟;刘炎海
5.薄壁箱梁纵向剪滞翘曲函数精度选择的研究 [J], 甘亚南;周广春
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
薄壁箱梁扭转理论
05
结论与展望
研究结论
薄壁箱梁扭转理论在桥梁工程 中具有重要应用价值，能够为 桥梁设计和施工提供理论支持
。
通过研究和分析，薄壁箱梁的 扭转行为受到多种因素的影响 ，如截面尺寸、材料属性、支
撑条件等。
薄壁箱梁的扭转刚度与截面尺 寸、材料属性等因素密切相关 ，需要综合考虑这些因素以获 得准确的计算结果。
加强薄壁箱梁扭转理论的实验研究，通过实测数据验证 和完善相关理论模型和计算方法。
THANKS
感谢观看
薄壁箱梁的截面具有 较高的抗剪切能力， 能够承受较大的剪切 力和扭矩。
薄壁箱梁的截面尺寸 较小，有利于减轻结 构自重和降低工程成 本。
薄壁箱梁的截面形状 使得其具有较高的抗 弯刚度，能够承受较 大的弯矩。
03
薄壁箱梁的扭转理论
薄壁箱梁的扭转刚度
01
02
03
截面尺寸
截面尺寸越大，抗扭刚度 越强。
材料属性
通过对比理论计算和试验结果， 分析薄壁箱梁的扭转性能，找出 薄弱环节和优化方向。
薄壁箱梁的优化设计
设计目标
设计步骤
以提高薄壁箱梁的扭转性能为主要目 标，进行结构优化设计。
首先进行理论分析，建立数学模型； 然后进行有限元分析，找出最优设计 方案；最后进行试验验证，确保优化 效果。
设计方法
可以采用有限元分析、拓扑优化、形 状优化等方法，对薄壁箱梁的结构进 行优化设计，提高其抗扭刚度和承载 能力。
薄壁箱梁的剪切效应
01
剪切效应是指薄壁箱梁在受到扭矩作用时，其剪切 变形对整体结构的影响。
02
剪切效应的大小取决于薄壁箱梁的剪切模量和剪切 力的大小。
03
剪切效应对薄壁箱梁的承载能力和稳定性有一定影 响，需要考虑剪切效应对整体结构的影响。
薄壁箱梁扭转理论解析
四、偏心荷载作用下的截面应力
1.横向弯曲 箱形梁承受偏心荷载作用，除了按弯扭杆件进行整体分
析外，还应考虑局部荷载的影响。车辆荷载作用于顶板，除 直接受荷载部分产生横向弯曲外，由于整个截面形成超静定 结构，因而引起其它各部分产生横向弯曲，
3.箱形梁的扭转
自由扭转只产生自由扭转剪应力 k 约束扭转产生约束扭转剪应力 w 、约束扭转翘曲正应力 w
4.畸变 畸变（即受扭时截面周边变形）的主要变形特征是畸变角 。
薄壁宽箱的矩形截面受扭变形后，无法保持截面的投影仍为矩形。 畸变产生翘曲正应力和畸变剪应力，同时由于畸变而引起箱形截面 各板横向弯曲，在板内产生横向弯曲应力。
纵向弯曲产生纵向弯曲正应力 M 、弯曲剪应力 M
3.箱形梁的扭转
箱形梁的扭转（这里指刚性扭转，即受扭时箱形的周边不变形）
变
自由扭转，即箱形梁受扭时，截面各纤维的纵向变形是自由的， 杆件端面虽出现凹凸，但纵向纤维无伸长缩短，自由翘曲，因而不 产生纵向正应力，只产生自由扭转剪应力。
（二）箱形截面的配筋
箱形截面的预应力混凝土结构一般配有预应力钢筋和非预应力向
普通钢筋。
1、纵向预应力钢筋：
2、横向预应力钢筋：
3、竖向预应力钢筋： 4、普通钢筋：
两层钢筋网 横向预应力 筋
纵向预应力 筋
竖向预应力 筋
两层钢筋网
箱形截面配筋示意图
三、偏心荷载作用下的变形和位移
作用在箱形梁上的重要荷载是恒载与活载。恒载 通常是对称作用的，活载可以是对称作用，也可以是 非对称偏心作用，必须分别加以考虑。偏心荷载作用， 使箱形梁既产生对称弯曲又产生扭转，因此，作用于 箱形梁的外力可综合表达为偏心荷载来进行结构分析。 在偏心荷载作用下箱梁的四种基本状态：
《薄壁箱梁畸变理论》课件
引入计算机辅助设计
利用先进的计算机软件进行建模和 仿真，预测薄壁箱梁在各种工况下 的畸变情况，以便在设计阶段进行 调整。
考虑预应力技术
在适当的位置施加预应力，以 抵消部分由荷载引起的畸变。
施工阶段的控制方法
严格控制施工质量和材料性能
确保施工过程中的材料质量和施工工艺满足设计要求，避免因施工质 量问题引起的畸变。
01
薄壁箱梁畸变理论的数学建模
如何建立更加精确的数学模型，以描述薄壁箱梁在畸变状态下的行为和
特性。
02
考虑多种因素的耦合作用
如何将弯曲、剪切、轴向力和畸变等多种因素耦合在一起，以更真实地
模拟薄壁箱梁的实际工作状态。
03
非线性分析方法的发展
如何发展非线性有限元分析方法，以更准确地模拟薄壁箱梁的畸变行为
理的意识和能力。
05
薄壁箱梁畸变理论的工程应用
桥梁工程中的应用
薄壁箱梁畸变理论在桥梁工程中 广泛应用于拱桥、斜拉桥和悬索 桥等大型桥梁结构的设计与施工
。
通过该理论，可以更精确地分析 桥梁在自重、车辆载荷和风载等 作用下的应力分布和变形情况，
确保桥梁的安全性和稳定性。
薄壁箱梁畸变理论为桥梁的优化 设计和施工提供了重要的理论支 持，有助于降低工程成本和风险
。
实验研究的挑战与机遇
实验设备的改进
如何设计和制造更先进的实验设备，以模拟更真实的工作环境和条 件，从而获得更准确的实验数据。
实验方法的创新
如何创新实验方法，以更有效地测量和评估薄壁箱梁的畸变行为。
实验结果与理论的对比
如何将实验结果与理论预测进行对比，以验证理论的正确性和可靠 性。
工程实践中的发展方向
感谢各位观看
《薄壁箱梁扭转理论》课件
扭转理论主要研究梁在受到扭矩作用时的弯曲、剪切和扭转行为。
该理论通过数学模型和解析方法，描述了薄壁箱梁在扭矩作用下的应力分布、变形和稳定性等问题。
02
CHAPTER
薄壁箱梁的结构特性
薄壁箱梁的截面形状为封闭的矩形、梯形等，侧壁薄、跨度大，具有较大的抗扭刚度。
虽然本研究取得了一定的成果，但在某些方面仍存在不足之处，如未能考虑温度、湿度等环境因素对薄壁箱梁扭转行为的影响。
同时，可以结合实际工程案例，对薄壁箱梁的扭转行为进行更为深入的实测和分析，以验证和改进理论研究的结果。
在未来的研究中，可以进一步拓展薄壁箱梁扭转理论的研究范围，考虑更多的影响因素和边界条件，提高理论模型的准确性和适用性。
最后，综合分析结1
02
03
04
04
CHAPTER
薄壁箱梁的扭转行为分析
通过实验研究薄壁箱梁在扭矩作用下的行为表现，验证理论预测的准确性。
实验目的
实验设备
实验步骤
实验结果
包括扭矩加载装置、应变测量仪器、位移传感器等。
对薄壁箱梁施加扭矩，记录其应变和位移变化，分析其扭转行为特征。
薄壁箱梁的扭转理论在工程实践中具有重要意义，通过对薄壁箱梁的扭转行为进行深入研究，可以更好地指导工程设计和施工。
本研究通过理论分析和数值模拟相结合的方法，对薄壁箱梁的扭转行为进行了系统的研究，得到了较为准确的理论解和数值模拟结果。
研究结果表明，薄壁箱梁的扭转行为受到多种因素的影响，如截面尺寸、材料属性、边界条件等，这些因素对扭转行为的规律和特点产生了显著的影响。
薄壁箱梁的扭转公式通常以简洁的形式表达，方便工程应用。
薄壁箱梁扭转理论
总扭矩与各室剪力流的关系为
n
qii M k
箱室总数
n
i 1
qii GI d
或
i 1
整 个 截 面 的
总抗扭惯矩
Id
n
qii / G
i 1
(3) 分离式多室箱
分离式多室箱
若多室箱型梁的截面有连续上部翼板，但无公共肋板和公共下翼板， 则称为分离式的多室箱，如上图所示。现忽略上部联系板的扭转剪 应力，剪应力的分布同单箱多室截面，但没有共同肋板的剪力流：
在i 室
qi
ds
2A0iG
或
qi
2 A0i ds
G
n
qii
i 1
n i 1
4 A02i ds
G
Id
n 4 A02i i1 ds
n
i 1
2 i
ds
由于一个室的抗扭惯矩
I di 4 A02i /
ds
n
从上式可知截面总抗扭惯矩等于 各个分离室的抗扭惯矩之和，即
I d I di i 1
承受偏心荷载的薄壁箱梁，将产生扭矩，此扭矩可分解为刚性扭 转和畸变力
薄壁箱梁的自由扭转简介
(1)单箱单室箱梁
众所周知，在剪应力沿箱壁均匀分布的假定下，单室箱梁自由扭
转时下列两式成立
q Mk
扭 Mk
率
GI d
称为Bredt第一公式，即箱 梁薄壁中线所包围的面积
的两倍 ds
扭率与剪切变形的关系为
B [E (z)](s)ds EI(s) (z)
故而约束扭转翘曲应力 的表达式为
平面弯曲应力
My 相似
I
B (s)
I
箱 梁 承 受 外 扭 矩
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。