薄壁钢箱梁结构受力实用精细化分析方法研究

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钢箱梁是典型的薄壁杆件,在偏载作用下会产生弯曲、扭转以及畸变变形,虽目前关于薄壁箱梁的研究已日渐成熟,但无论是解析法还是数值法均有其适用性和局限性,各种方法错综复杂,不利于工程技术人员的选用。因此本文总结了可直接用于薄壁钢箱梁应力计算的程序流程;分别建立了精细化有限元模型与实用简化分析模型,探究各种方法对薄壁钢箱梁弯曲、扭转以及畸变各部分应力的计算精度与适用范围。本文主要研究工作及成果如下:(1)建立精细化板壳有限元模型,通过分解偏心荷载,计算板壳模型中弯曲、扭转和畸变各部分组成应力,确定各部分应力的组成和分布规律。结果表明:利用荷载分解方法分离模型中各部分应力是可行的,且具有较高精度;当不考虑横隔板设置时,集中偏载下,单箱单室简支梁横截面正应力组成中,弯曲正应力占比最大,畸变正应力约为弯曲正应力的85%~95%,扭转正应力约为弯曲正应力的10%~15%。对于横截面剪应力组成,在加载截面无弯曲剪应力,扭转剪应力占比约45%~55%,畸变剪应力约55%~60%;在非加载截面,弯曲剪应力占比约60%~65%,扭转剪应力约20%~45%,畸变剪应力约15%~20%。(2)建立七自由度单梁模型,分析单梁模型在薄壁钢箱梁弯曲简化分析和扭转简化分析中的计算精度,研究横截面箱室数、荷载类型等不同参数变化对模型简化分析精度的影响。结果表明:考虑了有效宽度折减的单梁模型所计算的弯曲正应力值,在加载截面和支点截面附近小于板壳模型应力峰值,最大差率约6.1%,计算的挠度值精度较高,与板壳解差率在4%以内;七自由度单梁模型对于扭转应力计算具有较高精度,与板壳解差率在2.3%以内;随着高跨比增大或横截面箱室数增加,板壳模型扭转中伴随的畸变效应增大,与单梁模型位移差率增大。(3)建立梁格模型,重点研究梁格模型对于薄壁钢箱梁弯曲、扭转受力的简化分析方法以及计算精度,探讨纵梁划分方式不同对梁格模型弯曲简化分析精度的影响以及横截面箱室数不同对扭转简化分析的影响。结果表明:顶底板均分的梁格模型计算的弯曲正应力值,在加载截面和支点截面附近小于板壳模型应力峰值,最大差率约5.5%;弯曲剪应力与板壳模型各腹板最大剪应力较为吻合;集中荷载下弯曲挠度值偏小,与板壳解差率约8%左右;由梁格纵梁各板件剪力流均值计算而得的扭转剪应力与板壳解吻合良好,差率在2.3%以内;梁格模型计算的扭转竖向位移偏大,求解精度较差。
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