钢筋混凝土箱梁非线性分析及剪滞、剪切效应的有限段法研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 21次 | 上传用户:liongliong597
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混凝土薄壁箱梁由于具有良好的空间整体受力性能而广泛用于现代铁路桥、公路桥和城市立交桥中。箱梁的分析计算与一般梁相比具有显著差别,其中剪滞及剪切变形效应不可忽略。带裂缝工作的钢筋混凝土箱梁已表现出明显的非线性力学性能,且与剪滞及剪切变形效应互相影响。本文针对影响钢筋混凝土箱梁力学性能和工作性能的主要因素,如剪滞、横向剪切变形、混凝土和钢筋的非线性本构关系、混凝土开裂导致的截面刚度变化等,围绕钢筋混凝土箱梁结构分析的非线性有限段法进行了研究。设计了钢筋混凝土箱梁剪滞效应的试验方案并完成试验,测得了钢筋混凝土箱梁的荷载-位移关系,获得了箱梁截面纵向应力分布情况,以及钢筋混凝土箱梁的裂缝分布及发展情况,证实了钢筋混凝土箱梁仍存在明显的剪滞效应,为钢筋混凝土箱梁的理论研究奠定了试验基础。在有限段单元中引入换算截面,建立了钢筋混凝土箱梁有限段单元刚度矩阵,使有限段法可方便地分析钢筋混凝土箱梁整截面工作阶段的剪滞、剪切变形双重效应,并编制了相应的FORTRAN语言程序EBOX。基于混凝土及钢筋非线性本构关系,建立了钢筋混凝土箱梁分层有限段模型,将应力不均匀系数引入该有限段模型以考虑单元内沿长度方向钢筋应力的不均匀分布及受拉刚化效应,编制了钢筋混凝土箱梁的材料非线性有限元程序RCBB,该程序可分析混凝土开裂前及开裂后的剪滞、剪切变形效应,且具有计算量小,精度较高的特点。程序RCBB计算结果与试验结果吻合较好,验证了程序的正确性,对钢筋混凝土箱梁而言,仅计算弯曲变形引起的挠度都是偏小的,故需要同时再考虑剪滞及剪切变形所引起的挠度,对于此类箱梁截面而言,在计算挠度时,横向剪切变形效应的影响大于剪滞效应的影响。利用所编有限段法计算程序,分析了荷载形式、结构体系、配筋量及材料非线性对剪滞、剪切效应的影响。首先计算了不同荷载形式及不同荷载等级作用下,在整截面工作阶段及带裂缝工作阶段,钢筋混凝土简支箱梁及连续箱梁的截面应力、剪力滞系数及荷载-挠度曲线;然后分析了顶板及底板配筋量变化时,对挠度及剪力滞系数的影响;最后对钢筋混凝土箱梁剪滞、剪切效应及材料非线性的相互影响进行了分析,得出了一些有助于工程应用的结论。对钢筋混凝土箱梁进行了剪滞、剪切及材料非线性的实用计算方法研究。提出了采用换算截面进行钢筋混凝土箱梁整截面工作阶段应力计算的方法,并基于能量原理分析了纵筋剪切应变能对截面纵向应力的影响;基于等效刚度原则,提出了钢筋混凝土变截面悬臂箱梁整截面工作阶段剪力滞系数及挠度近似计算方法,并采用该方法分析了一有机玻璃悬臂箱梁及一钢筋混凝土悬臂箱梁,计算结果与按有限段法及ANSYS板壳元法计算结果接近,说明了该方法的有效性;提出了采用分段换算截面进行钢筋混凝土箱梁带裂缝工作阶段挠度的近似计算方法,计算中可考虑剪滞、剪切变形效应,算例表明分段换算截面法能满足工程精度要求;最后基于莫氏假定,推导了钢筋混凝土箱梁纵向受拉钢筋最小配筋量计算公式,该公式可考虑箱形截面顶底板几何尺寸对开裂弯矩的影响,对工程设计有一定的参考价值。
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