薄壁箱梁扭转理论

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扭转变形(畸变)产生畸变剪应力 dw 、畸变翘曲正应力 dw 、横向弯曲应力
dt
箱梁应力汇总及分析
箱梁在偏心荷载作用下的变形与位移,可分成四种基本状态:纵向弯 曲、横向弯曲、扭转及扭转变形(即畸变)。它们引起的应力状态为:

纵向弯曲---纵向弯曲正应力 M,弯曲剪应力 M 横向弯曲---横向正应力 c 扭转---自由扭转剪应力 K ,翘曲正应力 W ,约束扭转剪应力 W 扭转变形---翘曲正应力 dW ,畸变剪应力 dW,横向弯曲应力 dt
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。
v
dv v dz z
ds

A
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按虎克定律 u G G[ ( z )] s u 经移项: ( z )
s G
u du ds s (周边切线方向)
s
u
Mk
Mk
z
dz
x
ds
A
M0
M1
( z) u0
u ( )
上式中任选的始点 M 0(其 s 0 ) 起沿周边积分到某点 M 1 得到纵 向位移:
( 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
u( z) u 0 ( z)
s


G
0
ds ( z ) ds
0
s
s
M0
上式中: s u 0 是 s 0 处的纵向位移,为积分常数,即初始位移值,而0 ds 是 s 扇形面积的两倍以 表示,则 0 ds ,如以此为坐标参数, 则为扇性坐标,如同以弧长表示的线坐标,及极坐标、球坐标等广 义坐标概念是一样的。
纵向弯曲产生纵向弯曲正应力 M
M 、弯曲剪应力
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) 变形主要特征是扭转角 。箱形梁受扭时分自由扭转与约束扭转。
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。
0

u 0 ( z ) ( z )
ds 0 t ] ds t
s
(3 18)
s
式中:
ds
0

ds 0 t (称为广义扇性坐标) ds Mk t
s
Mk
与开口扇性坐标相比多 了因为截面闭合产生的 第二项,广义扇性坐标 都是用于闭口截面。
z
dz
薄壁箱梁的自由扭转简介
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
Mk q
扭 率
Mk GI d
称为Bredt第一公式,即箱 梁薄壁中线所包围的面积
扭转刚度,称为Bredt第二 公式,自由扭转惯矩 I d 2 / ds
的两倍
ds

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
2.纵向弯曲 纵向弯曲产生竖向变位 ,因而在横截面上引起纵向 正应力及剪应力,见图。图中虚线所示应力分布乃按初 等梁理论计算所得,这对于肋距不大的箱梁无疑是正确 的;但对于肋距较大的箱形梁,由于翼板中剪力滞后的 影响,其应力分布将是不均匀的,即近肋处翼板中产生 应力高峰,而远肋板处则产生应力低谷,如图中实线所 示应力图。这种现象称为“剪力滞效应”。对于肋距较 大的宽箱梁,这种应力高峰可达到相当大比例,必须引 起重视。
还承受挂篮底模板的吊点反力。在T形刚构桥和连续梁桥中,底板厚度
随梁的负弯矩塔大而逐渐加厚。
3、腹板 承受截面剪应力及主位应力,并承受局部荷载产生的横向弯矩,
其厚度还须满足布置预应力筋及浇筑混凝土的要求,以及锚固锚头的
需要,一般厚度为30-50cm,大跨径桥梁可采用变厚度。 4、梗胁
顶板、底板与腹板交接处设使梗胁,其作用是:
M1
( z) u0
u ( )
为扭率,扭转角沿轴线(纵向)方向变化率,由 其中:
知 为常数,如为等直圆杆 u 0
z (纵向)
dz

Mk GI d
微单元 A 的剪切变形为
由于 v ( z ) 则: u ( z ) s
u v s z
薄壁箱梁的扭转理论



薄壁箱梁的自由扭转简介 薄壁箱梁的约束扭转 扭转中心位置 等截面连续梁扭转的三翘曲双力矩方程 有限差分方程建立及分析 小 结 本章参考文献
一、箱形截面的特点
箱形截面具有良好的结构性能,因而在现代各种桥梁中得到广泛应用。 在中等、大跨预应力混凝土桥梁中,采用的箱梁是指薄壁箱形截面的梁。其 主要优点是: (1)截面抗扭刚度大,结构在施工与使用过程中都具有良好的稳定性; (2)顶板和底板都具有较大的混凝土面积,能有效地抵抗正负弯矩,并 满足配筋的要求,适应具有正负弯矩的结构,如连续梁、拱桥、刚架桥、斜 拉桥等,也更适应于主要承受负弯矩的悬臂梁T形刚构等桥型; (3)适应现代化施工方法的要求,如悬臂施工法、顶推法等,这些施工 方法要求截面必须具备较厚的底板; (4)承重结构与传力结构相结合,使各部件共同受力,达到经济效果, 同时截面效率高,并适合预应力混凝土结构空间布束,更加收到经济效果 (5)对于宽桥,由于抗扭刚度大,跨中无需设置横隔板就能获得满意的 荷载横向分布; (6)适合于修建曲线桥,具有较大适应性; (7)能很好适应布置管线等公共设施。
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,
横向弯曲应力 c (按超静定框架计算求得)
四、偏心荷载作用下的截面应力
q Mk
Mk


Mk 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:
x
Mk
z

M0 M1
( z)
u0 u ( )
Mk
Mk
z
dz
x
ds
A
M0
二、箱形截面的构造要点
(一)外形:由顶板、底板、腹板及梗胁组成
1、顶板:
除承受结构正负弯矩外,还承受车辆荷载的直接作用。在以负弯矩
为主的悬壁梁及T形刚构桥中,顶板中布置了数量众多的预应力钢束, 要求顶板面积心须满足布置钢束的需要,厚度一般取24—28cm。 2、底板 主要承受正负弯矩。当采用悬臂施工法时,梁下缘承受很大的压应 力,特别是靠近桥墩的截面,要求提供的承压面积更大;同时在施工时
扭率与剪切变形的关系为
( s ) d s
1. 剪力流和扭矩的关系剪力流在整个断面上的合力形成扭矩,即内 外扭矩平衡方程,得:
M k q ds q ds
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)
约束扭转,当箱梁受扭时纵向纤维变形不自由,受到拉伸或压 缩,截面不能自由翘曲。约束扭转在截面上产生翘曲正应力和约束 扭转剪应力。 产生约束扭转的原因有:支承条件的约束,如固端支承约束纵 向纤维变形;受扭时截面形状及其沿梁纵向的变化,使截面各点纤 维变形不协调也将产生约束扭转,如等厚壁的矩形箱梁、变截面梁 等,即使不受支承约束,也将产生约束扭转。
因而,综合箱梁在偏心荷载作用下,四种基本变形与位移状态引起的 应力状态为:
在横截面上: 纵向正应力 剪应力 在纵截面上: 横向弯曲应力
( Z ) M w dw
M k w dw
( S ) c dt
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
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: 1. 纵向弯曲 2. 横向弯曲 3. 扭转(自由扭转和约束扭转) 4. 扭转变形(畸变)
( z )
Mk GI d
x
ds
A
M0
M1
( z) u0
u ( )
纵向位移
箱梁自由扭转的纵向位移为
u( z, s) u0 ( z, s) u0 ( z,0) (s) ( z)
s 0 处的纵向位移
称广义扇性坐 标,其意义见 后
且 u0 ( z,0), ( z ) u ( z , s ) 均沿梁纵向是常数,梁纵向纤维无伸缩应变,不产生正应力
M1
( z) u0
u ( )
M k ds u 0 ( z) u 0 ( z) ( z ) G s t
ds ( z ) s G t 2 如令 I (称为抗扭惯性矩) (3 5) d ds s t (同《桥工》计算截面抗扭惯性矩)
上式可写成:
x
ds
A
M0
M1
( z) u0
u ( )
Mk 剪应力 t
Mk 扭率 GI d
Mk
Mk
周边切线方向位移 v ( z ) z
z
dz
纵向位移 u( z) u 0 ( z) ( z) , v 可确定,其空 在任何截面 z ,截面上的某一点的 u( 的函数) 间位置也就确定了。根据箱梁自由扭转的定义,截面沿梁纵向可自 由凹凸,不发生应变 u u 0 ( z ) ( z ) 0 既: z z z u 0 ( z ) 因 u 0 是常数 z 0 ,则 ( z ) 0 ( z ) 不随 z 而变化, 这说明 ( z ) 为常数,在自由扭转情况下, 从另一方面 既 是常数,分析 u( z) u 0 ( z) ( z) 截面 上某一点位置以表示 ,也就是说截面上任意一点的纵向位移只是 广义扇性坐标的函数,与z无关,是截面参数,截面上某一点的位 置定了不管在哪个截面纵向位移也就定了;这也说明,任何两相邻 截面的翘曲程度是一样的,否则由约束扭转引起附加正应力,
M1
M 另外将 k 代入则 t M k s ds u( z) u 0 ( z) ( z ) G 0 t
Mk
Mk
z
dz
因为箱梁为闭口截面,引 入封闭条件,对上式积分 一周,如果积分的始点和 终点为同一点 u 0 ,得 所以: M k
x
ds
A
M0
(1)提高截面抗扭刚度,减少畸变应力; (2)使桥面板支点加厚,减少桥面板跨中弯矩; (3)使力线过渡平缓,避免应力集中; (4)提供布置纵向预应力钢束的面积。
(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:
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