箱梁的剪力滞效应研究方法与展望

摘要：本文介绍了国内外研究箱梁剪力滞效应的主要理论和研究成果，比较其适用性和优缺点，并对今后箱梁剪力滞的研究进行展望，为以后对箱梁剪力滞效应的研究提供了研究方向。

关键词：箱梁;剪力滞效应;方法;

一、引言

随着交通事业的发展以及城市化速度的加快,桥梁在日益繁忙的公路和城市交通中显得越来越重要。许多新的桥型、大跨宽桥以及特宽桥相继出现,各种桥梁截面形式纷纷被采用,其中箱形截面形式就是常被采用的形式之一。箱梁截面形式具有横向翼缘板宽、腹板间距大和箱壁薄等特点，在横力弯曲作用下会产生明显的剪力滞效应，造成翼板与腹板交界处产生应力集中，导致相应部位出现横向裂缝，严重时有可能威胁到桥梁结构的安全。因此，进行剪力滞效应分析对于明晰剪力滞效应现象和保证桥梁结构安全具有实际意义[1][2]。

\"剪力滞效应\"是开口的\"∏\"形梁、\"T\"形梁或闭口的箱形梁，在纵向对称荷载作用下，由于翼缘板中剪切变形的不均匀性，导致纵向正应力沿翼缘板宽度方向呈曲线分布，其间存在着剪力沿横截面分布不均匀现象，即剪力滞后现象[3]。

二、国内外对箱梁剪力滞效应的研究方法综述

国内外多位学者对剪力滞效应提出了许多分析方法、新设想和新理论。以用于解决工程中的实际问题.，综合起来有以下几种：弹性理论解法、比拟杆法、能量变分法、数值解法、模型试验等。

1、弹性理论解法

弹性理论解法有调谐函数法、正交异性板法和折板理论法。弹性理论解法是以经典的弹性理论为基础,其优点是能获得较精确的解答,能够很好的解决简单的力学模型,经常用于等截面简支梁的剪力滞问题求解。其中,弹性折板法运用谐波分析的方法,可以求解各种支承条件的梁。用该方法研究悬臂箱梁是一个由板件构成的实际的空间体系,分析时比应用有限元法能大大节约时间,况且它是一种精确解。但是,弹性理论解法由于分析和计算公式的繁琐,很难应用于实际的工程问题,无法用于复杂结构问题的分析[4] [5]

2、比拟杆法

比拟杆法比拟杆法是把处于受弯状态的箱梁结构比拟为只承受轴力的杆件与只承受剪力的系板的组合体,然后根据杆与板之间的平衡条件和变形协调条件建立一组微分方程。

比拟杆法只需求解一个微分方程,避免了求线性微分方程组，也能达到一定的精度,实用性很强。1990年同济大学张士铎[8]教授等人将三杆比拟法用到求解变截面连续梁中去。

3、能量变分法

能量变分法首先是由 ReiSSner在1946年提出的。其基本思想是:将梁的竖向位移和描述翼板剪力滞效应的纵向位移看成是未知数，然后应用最小势能原理，建立微分方程，从而得到应力和挠度的解[7]。能量变分法可以得到闭合解，不仅能求出板内任一点应力，而且也能求出任一点的挠度。但是由于涉及到求解微分方程，因此一般仅仅局限在科学研究，在工程实际中运用较复杂。1992年，张士铎[8]利用能量变分法探讨了横向荷载位置对箱梁剪力滞效应的影响。罗旗帜[4]对高度按二次抛物线变化的变截面简支箱梁和悬臂箱梁的负剪力滞进行了研究，获得了一些重要结论;还推导了箱梁薄膜力的剪力滞计算公式，探讨了剪力滞对剪应力的影响[9]。

4、数值解法

数值计算法：包括有限元法、有限条法和有限梁段法。

在数值解法中主要包括有限单元法、有限条法和有限段法[3]。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个而且按一定方式相互联结在一起的单元组合体，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题，只要求出各个单元结点的未知量，就可以通过插值函数计算出各单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。它是解决各种复杂工程问题的一种行之有效的计算方法[5]。

有限条法是一种半解析方法，它是从有限单元法发展出来的。与有限单元法相比,它具有简单、计算量小的优点。该方法在求解箱梁结构中有具有一定程度的通用性,但用于求解变截面箱梁仍然有一定困难。

有限段法也是从有限单元法发展出来的一种半解析法。它是将箱梁看作一段段的单元拼装起来的结构，从箱梁剪力滞的基本微分方程式入手，得到单元的刚度矩阵。 它不仅具有计算精度高、工作量小的优点，也适用对变截面梁桥梁进行剪力滞效应的分析，从而弥补了有限条法的不足[11]。

5、模型实验

模型实验是为重大工程顺利完成提供数据和结论的主要手段之一，是检验数值理论和解析理论正确性的主要依据。虽然由于计算机的发展以及桥梁分析软件的广泛应用，用计算机对结构进行数值建模分析与研究在耗费的人力和物力上比做结构模型实验更节省，但结构模型实验因没有简化假定，或者受简化假定的影响很小，更能实际地反映结构的各项性能。但桥梁模型试验要花费大量的人力和物力，诸多因素在实验中有不可模拟性和不可控制性，单纯依赖实验手段将不可避免地有很大的局限性。

三、展望

1、目前的分析方法从理论上可以对剪力滞效应进行分析与计算,但由于理论推导过于繁琐,特别是有的涉及到微分方程的求解，导致了计算过程复杂，并且由于在计算中引入假设,使得计算结果精度受到很大的影响,致使其在实际工程应用中受到限制。近几年,随着计算机技术和有限元理论的不断发展,使用有限元程序尝试计算箱形截面剪力滞问题,将为梁桥剪力滞效应的分析提供了一种实用方法。

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