懸臂箱梁剪力滯效應參數研究

盧重陽

(蘭州工業學院建筑工程系，甘肅蘭州 730050)

0 引言

箱梁在縱向彎曲時產生豎向變位V，橫截面上引起縱向正應力σ和切應力τ。圖1中虛線表示按初等梁理論計算所得的應力分布，頂板上彎曲拉應力為均勻分布，這對肋距不大的箱梁是正確的;但對懸臂翼緣板較長和腹板間距較大的箱形薄壁梁其應力分布是不均勻的，即遠離肋板的縱向位移滯后于靠近肋板的縱向位移，導致翼緣板的彎曲正應力沿橫向呈不均勻分布，通常在與肋板交接處正應力最大，遠離肋板交接處逐漸減小。

圖1 彎曲正應力的橫向分布

剪力流在橫向傳遞過程有滯后現象，稱“剪力滯效應”。

影響箱形梁截面剪力滯效應的主要因素有截面幾何形狀、寬跨比、寬高比、上翼緣懸臂長度、荷載形式等等因素。對于懸臂箱梁橋，混凝土的收縮徐變作用、溫度作用以及豎向預應力荷載作用對剪力滯效應的影響比較小，也限于篇幅原因，本文不再進行分析。

1 懸臂梁剪力滯效應的主要因素

取圖2對等截面懸臂梁、變截面懸臂梁截面形式和幾何尺寸進行分析，變截面沿跨度按圓曲線變化。

1)寬跨比b/L。

寬跨比b/L是指上翼緣板半寬b與跨度L的比值。上翼緣板半寬b=2．9 m，等截面和變截面分別取跨度為10m，20 m和50m進行分析，梁均承受均布荷載作用。在固定端上翼緣與腹板相交處的剪力滯效應系數來表示，不同寬跨比 b/L=0．290，0．145，0．058時固定端橫截面的上翼板剪力滯系數的分布見圖3，圖4。

圖2 懸臂箱梁結構圖（t1=t2=t3=0.50m）

圖3 等截面梁剪力滯系數橫向分布（一）

圖4 變截面梁剪力滯系數橫向分布（一）

由圖3，圖4看出當等截面b/L從0．058增加到0．290時，頂板的剪力滯系數峰值1．106增加到1．221;變截面b/L從0．058增加到0．290時，頂板的剪力滯系數峰值1．076增加到1．196。

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2)寬高比b/h。

取圖2所示的箱梁結構形式進行計算，箱梁的上翼緣板半寬b分別取 1．45 m，2．90 m，4．35 m。得到不同的寬高比 0．165，0．330，0．494，固定端橫截面的上翼板剪力滯系數的分布如圖5，圖6所示。

3)箱梁腹板的斜度θ。

取圖2 所示箱梁，取底板半寬 s=2．9 m，2．4 m，1．9 m 三種不同截面形式(a)，(b)，(c)分別對等截面和變截面箱梁來分析腹板斜度對剪力滯系數的影響，跨度為50 m，在自由端作用有集中力。得到不同腹板斜度(0°，2．6°，6．5°)對變化曲線如圖 7，圖 8所示。

圖5 等截面梁剪力滯系數橫向分布（二）

圖6 變截面梁剪力滯系數橫向分布（二）

圖7 等截面梁剪力滯系數橫向分布（三）

圖8 變載面梁剪力滯系數橫向分布（三）

箱梁腹板斜度越大，下翼板寬度越窄，剪力滯系數λe也相應地減小。半寬s=2．9 m，2．4 m，1．9 m 對應等截面剪力滯系數1．102，1．076，1．069，變截面剪力滯系數 1．106，1．092，1．079，總的可以認為懸臂箱梁的剪力滯系數對箱梁腹板的斜度不敏感。

4)上翼板懸臂長度。

取圖2橫截面進行等截面和變截面箱梁進行懸臂長度分析。除翼板懸臂長度外，其他尺寸不變，取翼板懸臂長度分別為3．90 m，2．60 m 和1．30 m 進行分析，梁自由端承受集中荷載作用。在不同翼板懸臂長度下，固端橫截面的上翼板剪力滯系數如圖9，圖10所示。

圖9 等截面梁剪力滯系數橫向分布（四）

圖10 變截面梁剪力滯系數橫向分布（四）

5)荷載形式。

對于荷載形式的影響，分別按均布荷載和集中荷載進行分析。集中荷載作用于自由端，均布荷載滿跨布置，圖11，圖12為固端橫截面的上翼板剪力滯系數分布情況。圖13，圖14為剪力滯系數沿梁長的變化圖。

圖11 等截面梁剪力滯系數橫向分布（五）

圖12 變截面梁剪力滯系數橫向分布（五）

由圖13，圖14可以看出，集中荷載作用在自由端時，不引起負剪力滯效應，均布荷載作用在懸臂梁上產生負剪力滯效應，和等截面懸臂梁的剪力滯系數相差無幾。

圖13 等截面梁剪力滯系數沿梁長的變化

圖14 變截面梁剪力滯系數沿梁長的變化

2 結語

1)在影響箱梁結構剪力滯系數的若干個幾何參數中，結構的寬跨比b/L的影響最為顯著［2］，因此在對箱梁橋進行設計和結構分析時應予以充分的重視。寬跨比對箱梁剪力滯效應的影響很大，隨著寬跨比的增大而增大，兩者接近線性變化。

2)寬高比對剪力滯效應的影響比較顯著，隨著寬高比b/h的增大，剪力滯系數相應地增大，變化幅度比較顯著。由此說明:寬箱梁的剪力滯效應要比窄箱梁嚴重［3］。

3)梁橫截面腹板傾斜度對箱梁剪力滯效應的影響不大，因此在進行剪力滯效應分析時可近似用矩形截面來代替梯形截面。相比腹板傾斜度對變截面梁和等截面梁，剪滯效應的影響程度變截面梁大于對等截面梁的影響［4］。

4)翼緣懸臂長度對剪力滯系數的影響是隨著翼緣懸臂長度增大，剪力滯系數也相應地增大，主要原因是廣義翼板剛度與截面剛度比值增加。

5)集中荷載作用下箱梁剪力滯系數要大于均布荷載作用下的值。變截面梁在移動的集中荷載作用下，作用點處的剪力滯系數變化較小。而等截面梁在移動的集中荷載作用下，作用點處的剪力滯系數會出現與均布荷載作用下相近似的分布規律，即離支座越近或者反彎點值越大［3］。

剪力滯效應是箱形梁研究中的一個經典課題，對此問題的理論分析方法很多。本文詳述了薄壁箱形梁剪力滯效應的主要影響因素，但沒有把各因素結合到一起進行分析，如何把各種因素結合到一起進行分析，建立一套既簡單而又精確實用的計算方法，同時適合于各種橋梁結構的剪力滯實用計算方法值得以后加強研究。

［1］羅旗幟，吳幼明．薄壁箱梁剪力滯理論的評述和展望［J］．佛山科學技術學院學報，2001(3):29-33．

［2］程海根．薄壁箱梁剪力滯效應理論分析與實驗研究［D］．重慶:西南交通大學學位論文，2003．

［3］陳玉驥，羅旗幟，劉小潔．變截面薄壁箱形連續梁考慮大撓度和剪力滯影響的力學分析［J］．中南大學學報，2008(4):45-49．

［4］羅金山．懸臂箱梁橋剪力滯效應影響因素研究［D］．西安:長安大學學位論文，2009．