变截面波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应研究

波形钢腹板组合箱梁是一种力学性能优越、节能低碳、可持续性好的新型组合桥梁结构。剪力滞效应是制约该类结构更大跨度和宽度发展的重要力学问题之一。本项目有机结合理论分析、数值模拟和试验研究，对波形钢腹板组合箱梁和双管弦杆波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应进行了深入研究。研究对象主要为纵向变截面结构，兼顾纵向等截面结构。所进行的主要研究工作和所得的主要结论如下。（1）针对传统翼缘有效宽度不适用于横向变厚度翼缘板、未考虑截面应力不均匀分布的缺点，提出了翼缘有效宽度的新定义和计算方法，并得到了可作为剪力滞效应有效指标的翼缘有效宽度系数。对比研究表明，在设计计算中应用新定义的翼缘有效宽度能够更准确地估计截面最大应力，可以同时保证结构安全性和经济性。（2）基于能量变分法推导了变截面波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的控制方程，提出了方程的有限差分求解方法，并开发了相关计算程序，建立了基于能量变分法理论分析和有限差分求解的半解析分析方法。根据试验和有限元分析结果对该半解析分析方法进行了验证，证明基于该半解析分析方法可以准确地得到波形钢腹板组合箱梁翼缘有效宽度系数和剪力滞系数。（3）对波形钢腹板组合箱梁和双管弦杆波形钢腹板组合箱梁两类结构开展荷载试验，通过实测截面应力和应变分布，对剪力滞效应进行试验研究，验证了本项目半解析方法和有限元建模分析方法的准确性。（4）基于半解析方法、有限元数值模拟和试验研究，分析了简支和连续波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的特征。简支波形钢腹板组合箱梁跨中呈现正剪力滞效应，沿纵向剪力滞效应强度变化不大。连续波形钢腹板组合箱梁在各跨正弯矩区呈现正剪力滞效应，而在反弯点附近可能出现负剪力滞。（5）基于半解析方法和有限元模拟法，研究了结构体系、宽跨比、宽高比、截面顶板厚度等、腹板剪切变形、横隔板设置、汽车荷载作用等因素对波形钢腹板组合箱梁和双管弦杆波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的影响，并总结了相关规律。（6）研究了国内外技术规范中有效翼缘宽度规定对变截面波形钢腹板组合箱梁桥的适用性，然后基于参数分析的结果，初步提出实际工程设计中波形钢腹板组合箱梁翼缘有效宽度取值建议，作为在实际工程设计中考虑剪力滞效应的方法。

波形钢腹板组合箱梁桥是一种节能、低碳、可持续性良好的新型组合结构桥梁，兼顾纵桥向截面变化和横桥向翼缘板厚度变化的剪力滞效应研究的缺乏是制约其向更大跨度和宽度发展的重要问题之一。为解决此问题本项目：1）针对用一个纵向位移差函数表征不精确的问题，提出采用三个不同的位移差函数分别表征悬臂板、箱内顶板、底板翘曲位移幅值沿组合箱梁的纵向分布，基于最小势能原理和变分法分析变截面波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应；2）针对现有有效翼缘宽度计算方法不适用于变厚度翼缘板的问题，提出以矩形为应力积分面域的有效翼缘宽度计算方法；3）针对现有国内外主流规范在变截面波形钢腹板组合箱梁桥有效翼缘宽度计算方面的适用性问题，提出该类桥梁的有效翼缘宽度实用计算方法。通过理论分析、数值模拟和试验验证系统研究变截面波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应，由参数分析掌握关键因素影响规律，为该类桥梁的设计提供有益参考，促进其推广和应用。

忽略剪力滞效应造成的事故

忽略剪力滞效应的影响，就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致不安全：如1969－1971年在欧洲不同地方相继发生了四起箱梁失稳或破坏事故。事故发生后，许多桥梁专家对桥梁的设计和计算方法进行了研究和分析，提出这四座桥的计算方法存在严重缺陷，其中一项就是设计中没有认真对待“剪力滞效应”，因此导致应力过分集中造成桥梁的失稳和局部破坏。又如广东省的佛陈大桥、乐从立交桥、江湾立交桥、顺德立交桥、文沙大桥等出现桥梁翼板横向裂缝，据资料显示其主要原因是未考虑剪力滞，致使实际应力大于设计应力，不能满足翼板承载力的要求而出现裂缝

大跨度薄壁箱梁剪力滞效应

混凝土薄壁箱形截面具有结构自重较轻、抗弯抗扭刚度大等较好的空间整体受力性能，故在现代桥梁结构中得到广泛应用。宽箱形截面梁在自重和对称荷载的作用下挠曲时，由于腹板传递的剪力流在边缘上受拉要大一些，而向板内传递过程中，由于上下板均会发生剪切变形，拉应力会逐渐减小，故实际上上板的拉应力在截面分布是不均匀的，呈现板的中间小而两边大的应力状态。剪力流在横向传递过程有滞后现象，故称之为“剪力滞后现象”或称“剪力滞效应”。2100433B

《波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用》结合工程应用，对波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计进行了系统总结。《波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用》共分6章。第1章为引言，第2章和第3章讨论了波形钢腹板PC组合箱梁的力学特性，第4章总结了一些抗剪连接件的计算方法，第5章分析了波形钢板的剪切屈曲特性，给出了它的剪切屈曲界限图，第6章总结了泼河大桥的设计与施工。

剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。剪力滞后，有时也叫剪切滞后，从力学本质上说，是圣维南原理，它严格地符合弹性力学的三大方程，即几何方程、物理方程、平衡方程。具体表现是，在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。

剪力滞后效应通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构中如筒结构和箱梁，在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。在结构水平力作用下，主要反应是一种应力不均匀现象，柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形，从而引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移，从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等：远离腹板框架的柱轴力越来越小，翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形，同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。这就是一种剪力滞后效应。当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。