铁路箱梁空间力学特性分析

论文摘要

本文以高速双线铁路32m整孔预应力简支箱梁为研究对象，利用传统薄壁箱梁解析理论和空间有限元数值方法，对箱梁剪力滞效应、畸变扭转以及顶板受力等几个典型力学特性进行了研究，提出一些设计计算建议，主要工作和研究方法如下：(1)建立了简支箱梁的ANSYS的有限元模型，并采用等代荷载法实现了预应力的模拟：基于SB软件计算出预应力的等代荷载，编制接口程序，将等代荷载施加到ANSYS的块体单元节点上。并对比了SB空间梁单元和ANSYS块体单元的预应力效果。(2)针对具有横坡，变厚度梗肋和翼板的箱形截面，综合利用薄壁箱梁的弯曲和畸变扭转解析理论，通过简化截面模型和叠加各项应力建立了自重、偏心荷载作用下箱梁截面应力的解析计算模式，编制了解析法的通用计算程序；分析了横截面正应力和S向剪应力的分布规律，通过有限元数值法校核和误差分析，证明本文所建立的截面简化形式和解析计算模式是合理的，基本能够反映出荷载所产生的空间力学效应。(3)以解析法、空间有限元法为依据和手段，对铁路带横坡箱梁的剪力滞系数的确定方法提出建议；分析了偏心荷载作用下的剪力滞效应和畸变扭转翘曲效应的影响系数，提出了畸变扭转增大系数的概念，并为偏载系数的确定提出建议。(4)采用空间有限元法分析了不同荷载作用下的顶板顶，底的纵，横向应力分布，明确了顶板顶，底横向配筋的控制工况。(5)采用平面框架法计算了顶板不同位置的横向弯矩，与ANSYS有限块体单元积分的横向配筋弯矩作了比较，分析了框架法的误差；并取不同的纵向有效长度进行框架计算，提出了有效长度的合理取值。(6)采用空间有限元法和高等混凝土结构理论分析了箱梁顶板的双轴效应，考虑了项板横向抗拉强度的折减，建议在规范中关于桥面板普通钢筋配筋率上考虑双轴效应带来的强度折减。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究状态综述
• 1.3 国内外研究背景
• 1.4 本文研究内容和方法
• 第二章 箱梁空间有限元分析
• 2.1 研究对象与参数选取
• 2.1.1 研究对象
• 2.1.2 分析依据与参数
• 2.2 有限单元模型的建立
• 2.2.1 模型的建立
• 2.2.2 ANSYS软件的划分结果
• 2.3 预应力的模拟与分析步骤
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 力学模型与计算方法
• 2.4 预应力效果的分析
• 2.4.1 计算结果
• 2.4.2 ANSYS计算结果
• 2.5 ANSYS软件中二期恒载的实现
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 二期恒载的形式
• 2.5.3 APDL命令流总结
• 2.6 本章小结
• 第三章 箱梁弯曲分析
• 3.1 概述
• 3.2 弯曲正应力和剪应力计算理论
• 3.2.1 弯曲正应力的计算模式
• 3.2.2 弯曲剪应力的计算模式
• 3.3 截面简化与截面特性计算
• 3.3.1 简化模式
• 3.3.2 截面特性计算
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 自重作用下的分析结果
• 3.4.2 自重+预应力作用下的分析结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 箱梁扭转分析
• 4.1 概述
• 4.2 约束扭转、畸变的解析计算模式
• 4.2.1 约束扭转的应力计算模式
• 4.2.2 畸变的应力计算模式
• 4.2.3 应力符号问题
• 4.3 约束扭转的截面特性计算
• 4.3.1 扭转中心A位置计算
• A（S）的计算'>4.3.2 主扇性坐标（?）_A（S）的计算
• 4.3.3 广义主扇性静矩（?）的计算
• p及约束扭转惯矩J_d的计算'>4.3.4 极惯性矩J_p及约束扭转惯矩J_d的计算
• 4.4 畸变的截面特性计算
• 4.5 解析解求解步骤框图
• 4.6 计算结果分析
• 4.6.1 单个偏心荷载作用的分析结果
• 4.6.2 偏心荷载与对称荷载一起作用的分析结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 箱梁顶板横向受力分析与配筋理论初探
• 5.1 概述
• 5.2 顶板的有限元分析
• 5.2.1 荷载形式
• 5.2.2 自重+预应力+特种活载的分析结果
• 5.2.3 自重+预应力+二期恒载+特种活载的分析结果
• 5.3 顶板的框架分析法
• 5.3.1 箱梁的横向框架计算理论
• 5.3.2 计算过程与结果分析
• 5.4 顶板配筋理论初探
• 5.4.1 混凝土的双轴效应
• 5.4.2 箱梁顶板双轴效应分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结语
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 结语与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果