箱型簡(jiǎn)支梁在荷載作用下剪力滯效應(yīng)研究

姚 博 李玉寧 黃 佩 王 彪 劉 剛

（西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730030）

0 引言

如今，箱型梁因?yàn)槠渥陨砭哂械目箯潯⒖古偠却螅Y(jié)構(gòu)輕盈，適應(yīng)于現(xiàn)代化施工等優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的橋梁設(shè)計(jì)中被應(yīng)用。但由于箱型梁受彎時(shí)橫截面上的剪切變形對(duì)梁縱向位移的影響，此時(shí)截面的正應(yīng)力已經(jīng)不再滿足初等梁理論的平截面假定，這使得靠近梁肋的翼緣參與承彎工作的程度比遠(yuǎn)離梁肋的翼緣大，即通常存在沿橫向翼緣方向應(yīng)力分布不均勻的剪力滯后現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致局部應(yīng)力較為集中。為了在工程實(shí)際中能夠繼續(xù)使用較為簡(jiǎn)單的初等梁理論公式進(jìn)行計(jì)算，又能得出翼緣板實(shí)際應(yīng)力的最大值，通常采用“翼緣有效分布寬度”的方法進(jìn)行處理，即認(rèn)為在翼緣有效分布寬度范圍內(nèi)均勻分布的應(yīng)力等效于梁整個(gè)翼緣上分布的實(shí)際應(yīng)力。

若剪力滯效應(yīng)過(guò)大，梁肋與翼緣交接處應(yīng)力設(shè)計(jì)值甚至?xí)浅醯攘豪碚搼?yīng)力計(jì)算值的1.3 倍[2]，這明顯超過(guò)了梁承載能力的安全范圍。若橋梁設(shè)計(jì)時(shí)不考慮剪力滯效應(yīng)對(duì)梁的影響，就容易導(dǎo)致梁局部的開(kāi)裂[3]，影響梁結(jié)構(gòu)的安全性。在19世紀(jì)70 年代前后，在歐洲等地發(fā)生了鋼箱梁橋的破損事故，其主要原因之一就是橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)忽略了箱型梁的剪力滯效應(yīng)引起的局部應(yīng)力集中問(wèn)題。因此只有對(duì)梁的剪力滯分布情況有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，才能在設(shè)計(jì)中做到更加合理，防止可能出現(xiàn)局部的開(kāi)裂。針對(duì)此問(wèn)題筆者對(duì)有機(jī)玻璃制作而成的簡(jiǎn)支箱梁模型[4]進(jìn)行了集中荷載與均布荷載的加載實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以得到箱型梁在不同荷載工況下的剪力滯分布情況，對(duì)實(shí)際工程具有顯著的參考作用。

1 模型準(zhǔn)備

該模型參照了橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范[5]，并結(jié)合工程實(shí)際，確定了箱型梁的截面尺寸與構(gòu)造，利用氯仿粘接有機(jī)玻璃板制得兩個(gè)箱型梁模型，實(shí)際跨徑為120cm，計(jì)算跨徑為110cm。分別在梁的跨中截面、1/4 截面、支座內(nèi)側(cè)截面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。模型截面尺寸與測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)于圖1。經(jīng)實(shí)測(cè)，得到有機(jī)玻璃泊松比μ=0.38，彈性模量E=2930MPa。

圖1 模型截面尺寸與測(cè)點(diǎn)布置圖

2 荷載實(shí)驗(yàn)

為得到在不同工況下箱型簡(jiǎn)支梁的剪力滯效應(yīng)分布情況，本實(shí)驗(yàn)確定加載方式為跨中施加集中荷載以及計(jì)算跨徑施加均布荷載。集中荷載分4 級(jí)進(jìn)行加載，安全起見(jiàn)，以該簡(jiǎn)支箱梁模型理論極限承載值的75%作為第4 級(jí)荷載，荷載分級(jí)為2KN，4KN，6KN，8KN；均布荷載分4 級(jí)進(jìn)行加載，同樣以該簡(jiǎn)支箱梁模型理論極限承載值的75%作為第4 級(jí)荷載，荷載分級(jí)為4KN，8KN，12KN，16KN。

為了更準(zhǔn)確的模擬在簡(jiǎn)支箱梁模型上施加集中荷載與均布荷載，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)在加載截面頂板處設(shè)置分配梁，在分配梁上對(duì)稱放置兩個(gè)液壓千斤頂，在分配梁與模型頂板之間設(shè)置單個(gè)受力桿或一層薄沙，以此分別模擬豎向集中荷載和均布荷載工況[6]。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均采用DH3816 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為更簡(jiǎn)便的描述剪力滯效應(yīng)對(duì)梁彎曲正應(yīng)力的影響，衡量剪力滯效應(yīng)的大小，通常引入剪力滯系數(shù)λ，即考慮剪力滯效應(yīng)后的正應(yīng)力σ 與按初等梁理論計(jì)算得到的正應(yīng)力 'σ 的比值。梁截面某一部位的剪力滯系數(shù)越大，則說(shuō)明在該部位剪力滯效應(yīng)的影響就越大，在梁的實(shí)際設(shè)計(jì)中就有必要考慮剪力滯效應(yīng)。圖2、圖3分別是簡(jiǎn)支箱梁模型在集中荷載與均布荷載作用下跨中截面、1/4 截面、支座內(nèi)側(cè)截面頂板的剪力滯系數(shù)分布情況。

圖2 集中荷載工況頂板各截面剪力滯系數(shù)變化曲線

圖3 均布荷載工況頂板各截面剪力滯系數(shù)變化曲線

3.1 沿梁的縱向分析：

集中荷載工況下，梁的跨中截面剪力滯效應(yīng)最大，而在均布荷載工況下，梁的支座內(nèi)側(cè)截面剪力滯效應(yīng)最大，由此可推斷，在跨中施加集中荷載時(shí)，支座截面到跨中截面的剪力滯影響越來(lái)越嚴(yán)重，在計(jì)算跨徑施加均布荷載時(shí)，跨中截面到支座截面的剪力滯影響越來(lái)越嚴(yán)重。

在集中荷載與均布荷載工況下各自的剪力滯影響最大截面上，僅第三級(jí)荷載作用下的最大剪力滯系數(shù)均已超過(guò)1.2，甚至接近1.3。這表明，局部應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了初等梁理論應(yīng)力計(jì)算值的1.2 倍以上，因此在簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)中有必要考慮剪力滯效應(yīng)。

3.2 沿梁的橫向分析：

箱型梁模型在集中荷載與均布荷載工況下，頂板在各個(gè)截面處均出現(xiàn)明顯的剪力滯效應(yīng)。

在集中荷載工況下，跨中截面的剪力滯效應(yīng)要比在均布荷載工況下各個(gè)截面的剪力滯效應(yīng)明顯，剪力滯系數(shù)曲線變化幅度也相對(duì)較大。這可能是由于在集中荷載作用的附近，梁截面各個(gè)部分的變形量相對(duì)較大，導(dǎo)致其剪力滯效應(yīng)比均布荷載作用時(shí)更為明顯。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)有機(jī)玻璃制作而成的箱型簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn)，對(duì)簡(jiǎn)支箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）箱型簡(jiǎn)支梁在跨中集中荷載作用下的剪力滯影響最不利截面在跨中，而在均布荷載作用下的剪力滯影響最不利截面在支座，因此在簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮梁在上述截面的剪力滯效應(yīng)，以避免局部開(kāi)裂，進(jìn)而保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）集中荷載工況下的剪力滯效應(yīng)對(duì)梁的影響尤為不利，可以考慮通過(guò)合理的設(shè)計(jì)使集中荷載盡量分散開(kāi)，以達(dá)到減小剪力滯效應(yīng)的效果。