混凝土箱梁分析理论

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1、 第二章第二章 箱箱 梁梁 分分 析析 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 箱型截面的梁。其主要优点是： 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； 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型刚构等桥型； 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； 前前 言：言： 箱梁的主要优点箱梁的主要优点 承重结构与传力结构相结合，

2、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； 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； 适合于修建曲线桥，具有较大适应性； 能很好适应布置管线等公共设施。 第一节 箱梁截面受力特性 箱梁截面变形的分解： 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）； 因弯扭作用在横截面上将产生纵向正应力和剪应力，因 横向 弯曲和扭转变形将在箱梁各板中产生横向弯曲应力与剪应力。 箱梁应力汇总及分析： 纵向正应力，剪应力；横向正应力； 对于混凝土桥梁，恒载占大部分，

3、活载比例较小，因此 ，对 称荷载引起的应力是计算的重点。 1.1 箱梁截面变形的分解 纵向弯曲： 对称荷载作用；产生纵向弯曲正应力 ，弯曲剪应力 。 横向弯曲： 局部荷载作用；产生横向正应力 。 扭转： 反对称荷载的作用下的刚性转动，分为自由扭转与约束扭 转；产生自由扭转剪应力 ，翘曲正应力 ，约束扭转剪应力 。 扭转变形： 即畸变，反对称荷载的作用下的扭转变形；产生翘曲正应 力 ， 畸变剪应力 ，横向弯曲应力 。 1.1.1 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

4、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。 1.1.2 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，如下图。 箱梁的横向弯曲，可以按下图a）所示计算图式进行计算。图 示单箱梁可作为超静定框架解析各板内的横向弯曲应力 ，其 弯矩图如

5、下图b）所示。 1.1.3 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。所谓自由扭转，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 。 当箱梁端部有强大横隔板，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，则为约束扭转。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

6、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。 在箱壁较厚或横隔板较密时，可假定箱梁在扭转时截面周边 保 持不变形，在设计中就不必考虑扭转变形（即畸变）所引起 的 应力状态。但在箱壁较薄，横隔板较稀时，截面就不能满足 周 边不变形的假设，在反对称荷载作用下，截面不但扭转而且 要 发生畸变。 扭转变形，即畸变（即受扭时截面周边变形），其主要变形 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 （如图所示）。 1.1

7、.4 扭转变形 1.2 箱梁应力汇总及分析 一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)。他们引起的应力 状态为： 纵向弯曲-纵向弯曲正应力 ，弯曲剪应力 横向弯曲-横向正应力 扭转-自由扭转剪应力 ，翘曲正应力 ，约束扭转剪应力 扭转变形-翘曲正应力 ，畸变剪应力 ，横向弯曲应力 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 第二节 箱梁对称挠曲时的弯曲应力 弯曲正应力： 根据材料力学的一般梁理论可直接求解； 初等梁理论，顶底板应力均匀分布；

8、空间梁理论，顶底板应力不均匀，有剪力滞作用。 弯曲剪应力： 开口截面，由材料力学中一的般梁理论直接求解； 闭口截面，根据变形协调条件求解。 2.1 弯曲正应力 箱梁在对称挠曲时，仍认为服从平截面假定原则，梁截 面上某点的应力与距中性轴的距离成正比。因此，箱梁的弯曲 正应力为： 应指出，如同T梁或I梁一样，箱梁顶、底板中的弯曲正 应力，是通过顶、底板与腹板相接处的受剪面传递的，因而在 顶、底板上的应力分布也是不均匀的，这一不均匀分布现象由 剪力滞效应引起。 2.2 弯曲剪应力 开口截面： 由材料力学中的一般梁理论，可直接得出。 闭口单室截面： 问题-无法确定积分起点； 解决方法-在平面内为超静定

9、结构，必须通过变形协调 条件赘余力剪力流q方可求解。 闭口多室截面： 每一室设一个切口，每个切口列一个变形协调方程，联合求 解 可得各室剪力流； 2.2.1 开口截面 一般梁理论中，开口截面弯曲剪应力计算公式为： 式中：b计算剪应力处的梁宽； 是由截面的自由表面（剪应力等于零处）积分至所求 剪应力处的面积矩（或静矩）。 2.2.2 闭口单室截面 图a所示箱梁，在截面的任一点切开。假设一未知剪力流 ，对 已切开的截面可利用式 计算箱梁截面上各点的剪力流 。由剪力流 与 的作用，在截面 切 开处的相对剪切变形为零，即： (a) 此处 是沿截面周边量取的微分长度， 符号 表示沿周边积分一圈， 剪应变

10、为： (b) 而剪力流 (c) 将式（b）与式（c）代入式（a），则得： 而 代入上式得： 于是，箱梁的弯曲剪应力为： 式中 时的超静定剪力流。 可见，单箱梁的弯曲剪应力的计算公式在形式上与开口截面剪 应 力计算公式相似，唯静矩计算方法不同。实质上， 静矩计算式包含 着确定剪应力零点位置的计算，它的物理含义与 并没有什么区别。 2.2.3 闭口多室截面 如是单箱多室截面，则应将每个室都切开（如图所示），按每 个箱室分别建立变形协调方程，联立解出各室的超静定未知剪力流 ： 其一般式为： 图示的单箱三室截面，可写出如下方程： 从联立方程中解出超静定未知剪力 流 、 和 ，则最终剪力流为： 则：各箱

11、室壁上的弯曲剪应力： 第三节 箱梁的剪力滞效应 基本概念： 宽翼缘剪切扭转变形的存在，而使远离梁肋的翼缘不参 予承弯工作，也即受压翼缘上的压应力随着离梁肋的距离增加而 减小，这个现象就称为“剪力滞后”，简称剪力滞效应； 剪力滞效应与截面纵桥向位置、荷载形式、支承条件、 横桥向宽度、截面形状都有关系。 矩形箱梁剪力滞解析： 引入梁的竖向挠度与纵向位移两个广义位移，应用最小 势能原理分析箱梁的挠曲，得到剪力效应的基本微分方程，可求 得结构的剪力滞效应； 引入剪力滞效应系数来描述箱梁剪力滞效应。 剪力滞的分析与讨论： 有横向效应、纵向效应； 当结构约束条件与荷载形式确定以后，剪力滞效应随箱 梁的跨宽

12、比和惯矩比变化 3.1 基本概念 如下页图所示，T梁受弯曲时，在翼缘的纵向边缘上（在梁肋切开处 ） 存在着板平面内的横向力和剪力流；翼缘在横向力与偏心的边缘剪力 流作用下，将产生剪切扭转变形，再也不可能与梁肋一样服从平面理 论的假定。剪切扭转变形随翼缘在平面内的形状与沿纵向边缘剪力流 的分布有关。一般已知，狭窄翼缘的剪切扭转变形不大，其受力性能 接近于简单梁理论的假定，而宽翼缘因这部分变形的存在，而使远离 梁肋的翼缘不参予承弯工作，也即受压翼缘上的压应力随着离梁肋的 距离增加而减小，这个现象就称为“剪力滞后”，简称剪力滞效应。 为了使简单梁理论（即平面假定）能用于T梁的分析（包括I梁），一 般

13、采取“翼缘有效分布宽度”的方法处理。我国公路桥梁规范中规定 为 或 或 ，取最小值，式中L为简支梁计算跨径， 为肋宽 ， 为加腋长度， 为主梁间距， 为翼板厚度（不计承托）。 箱梁在对称荷载作用下的弯曲也同样存在这种剪力滞现 象。特别是大跨度预应力混凝土桥梁中所采用的宽箱梁 （腹板间距较大的单箱单室的箱梁）。剪力滞效应较为明 显。这种现象也是由于箱梁上下翼板的剪切扭转变形使翼 板远离箱肋板处的纵向位移滞后于肋板边缘处，因此，在 翼板内的弯曲应力呈曲线分布。梁的简单弯曲理论固已不 适用于宽箱梁的翼板受力分析，而T梁翼缘有效分布宽度的 计算方法也不能直接应用。因此，必须研究宽箱梁的剪力 滞效应，寻

14、求符合实际情况的计算方法。 3.2 矩形箱梁剪力滞解析 假定广义位移： 由于宽箱梁在对称挠曲时，翼板不能符合简单梁平面假定，故 引入 两个广义位移，即梁的竖向挠度w(x)与纵向位移u(x,y)； 假定翼板内的纵向位移沿横向按二次抛物线分布。 最小势能原理： 梁腹板应变能扔按简单梁理论计算； 梁上、下翼板按板的受力状态计算应变能，并认为板的竖向纤 维无 挤压。 剪力滞效应基本微分方程： 用变分法可得剪力滞效应求解的基本微分方程（包括边界条件 ）。 根据求解剪力滞效应的基本方程和箱梁结构体系的不同边界条 件， 可求得结构的剪力滞效应。 考虑剪力滞效应后的翼板应力： 求得考虑剪力滞效应后的挠曲微分方

15、程和翼板纵向正应力。 剪力滞系数： （考虑剪力滞效应所求得的翼板正应力）（按简单梁理论所 求得 的翼板正应力） 3.2.1 假定广义位移 宽箱梁在对称挠曲时，因翼板不能符合简单梁平面假 定，应用一个广义位移 ，即梁的挠度来描述箱梁的挠曲变形 已经不够。在应用最小势能原理分析箱梁的挠曲时，引入两个 广义位移，即梁的竖向挠度 与纵向位移 ，且假定翼板内的 纵向位移沿横向按二次抛物线分布，国内有关文献46中，对此 假定以三次抛物线作修正，得： 式中: 翼板紧大纵向位移差函数； 1/2翼板净跨； 竖向 座标（板厚，或梁高）。 3.2.2 最小势能原理 根据最小势能原理，在外力作用下结构处于平衡状态时，

16、当 有任何虚位移时，体系的总势能的变分为零。即有： 式中： 体系的应变能； 外力势能。 梁受弯曲时的外力势能： 梁的应变能为梁腹板部分与上、下翼板部分的应变能之和。 梁腹板部分仍采用简单梁理论计算其弯曲应变能，对上、下翼板按板的 受力状态计算应变能，并认为板的竖向纤维无挤压， ，板平面外剪切 变形 与 及横向应变 均可略去不计。 即： 梁腹板部分应变能为： 梁上、下翼板应变能为： 3.2.3 剪力滞效应基本微分方程 由变分法可得剪力滞效应求解的基本微分方程（包括变分 所要求的边界条件），即： 式中： 箱梁惯矩： ,翼板惯矩： ； 为由于剪力滞效 应 产生的附加弯矩，它是纵向最大位移差值 的一阶导数的函 数，且与翼板的弯曲刚度成正比关系。 3.2.4 考虑剪力滞效应后