寬翼緣箱形截面梁在彎矩作用下,其上下翼緣的正應(yīng)力沿寬度方向呈不均勻分布的現(xiàn)象稱為剪力滯( shear lag)或剪滯效應(yīng)。為分析產(chǎn)生這種應(yīng)力不均勻現(xiàn)象的原因,以簡支T形梁橋為例進行剖析。
作用的矩形簡支梁,跨中截面上緣產(chǎn)生均勻壓應(yīng)力;如在加載前,在它的頂部兩側(cè)各擴寬一個矩形1號條帶,構(gòu)成T形截面,則加載后,兩側(cè)條帶與原矩形梁間的接觸面上便產(chǎn)生一對大小相等方向相反的剪切力,這些剪切力對于腹板而言,減少了上緣壓縮量,從而減少了梁跨中的撓度,但對1號條帶而言,相當(dāng)于受到一個偏心壓力,使其內(nèi)側(cè)壓力大于其外側(cè)壓力;同理,在1號條帶的外側(cè)增加2號條帶,由于同樣的剪力傳遞原因,使2號條帶內(nèi)側(cè)壓力大于其外側(cè)壓力;依此類推,便得到T形翼緣沿寬度方向正應(yīng)力不均勻分布的圖形。據(jù)此,可以理解箱形截面梁的剪滯效應(yīng)產(chǎn)生原理。
剪滯效應(yīng)的實用計算剪滯效應(yīng)的計算方法有三種。一是解析法,薄壁箱梁理論可以給出某些荷載條件以及不同邊界條件下的剪滯計算解析公式,這些公式理論意義較大,但對于實際工程中一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)狀況與加載條件常常不能適用。二是有限元法,隨著計算機功能的日益強大,雖然可以對實體結(jié)構(gòu)進行三維有限元劃分并求出數(shù)值解,但在許多情況下其復(fù)雜程度和計算精度還是值得商榷的。三是基于折算等效寬度的實用算法,這種算法不能給出剪滯系數(shù),而是將箱梁翼板的寬度折減,此后按平面梁理論進行偏于安全的結(jié)構(gòu)計算。
翼緣有效寬度法確定的基本步驟為:①先按平面桿系結(jié)構(gòu)理論計算箱梁各截面的彎矩;②對不同位置的箱形截面,用不同的有效寬度折減系數(shù)進行折減;③按照折減后的截面尺寸進行截面應(yīng)力驗算與配筋設(shè)計。有效分布寬度的確定原則是:使折減后的截面按照初等梁理論計算的應(yīng)力,與考慮剪滯效應(yīng)的實際截面應(yīng)力峰值相等。
所謂負(fù)剪力滯現(xiàn)象,是指翼板在腹板位置處的正應(yīng)力反而小于翼板懸臂或箱梁中線位置處的正應(yīng)力,故其剪滯系數(shù)λ<1。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在懸臂箱梁的以下三種情況:集中荷載作用于懸臂梁上中間位置;集中彎矩作用于懸臂梁上中間位置;均布荷載滿布于懸臂梁上。
為了對負(fù)剪滯現(xiàn)象有一個直觀的認(rèn)識,拿T形懸臂梁中間某點C承受集中力情況來分析,首先設(shè)想此梁從C截面切開,此時的AC段處于無應(yīng)力狀態(tài),CB段由于豎向集中力的作用,將使上翼緣產(chǎn)生非均勻變形,由于實際結(jié)構(gòu)的AC、CB兩段在c截面是一個整體,故截面變形應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)條件,從而使C截面在梁肋處產(chǎn)生壓應(yīng)力,在兩側(cè)翼板的大部分范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于翼板外邊緣與梁肋處的位移差最大,故它的拉應(yīng)力最大,這樣,就在梁的翼緣處出現(xiàn)拉應(yīng)力超過梁肋處拉應(yīng)力的負(fù)剪力滯現(xiàn)象,梁在全長范圍內(nèi)會出現(xiàn)正剪力滯和負(fù)剪力滯兩個區(qū)段。
根據(jù)上述分析,不難理解,當(dāng)集中彎矩作用于梁內(nèi)某處時,也會產(chǎn)生負(fù)剪力滯現(xiàn)象。對某長懸臂箱形截面梁,在等截面和直線變截面情況下,在端部分別作用集中力和均布荷載時,剪滯系數(shù)沿梁長的變化情況,在均布荷載下,懸臂箱梁的大部分區(qū)段均有負(fù)剪力滯出現(xiàn)。
剪滯效應(yīng)的精確計算是一個非常復(fù)雜的問題,它與結(jié)構(gòu)形式、截面尺寸變化情況以及荷載形式及作用位置(包括在箱梁上的橫向位置)都有關(guān)系。不少大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋均采用了單箱單室截面,在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力布置等方面,要充分考慮剪滯效應(yīng)的影響,適當(dāng)增加截面壓應(yīng)力儲備。箱形截面縱向布置的預(yù)應(yīng)力鋼束對于平抑應(yīng)力不均、減小剪滯效應(yīng)有好處,但目前對此還缺乏深入研究;如果要考慮徐變對剪滯效應(yīng)的影響,則更是難上加難。
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