结合梁斜拉桥中剪滞效应的数值解法

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钢-混凝土结合梁斜拉桥由于桥面宽、自重轻、抗震性能优异且便于施工,在实际工程中得到了越来越多的应用。但是由于其横向宽度较大,剪滞效应较为明显,尤其在斜拉桥中主梁承受显著的集中轴向压力,其剪滞效应更不能忽略,否则将危及施工过程中结构的安全。  在既往的研究中,有关压弯主梁剪滞效应的课题有很多学者进行过大量的理论分析、数值模拟和试验研究,取得了丰硕的研究成果,对Π形结合梁斜拉桥的发展起到了巨大的贡献。但这些针对薄壁压弯构件剪滞效应的研究常忽略轴向位移与剪滞效应间的相互影响,多简单计入梁柱效应的荷载势能在能量变分法中考虑轴力的影响,或对剪滞翘曲位移进行各种复杂的多参数修正,以考虑附加轴力的影响。然而,这些研究在分析剪滞效应的过程中,并未将轴向位移视为独立自由度进行考虑,在梁单元的刚度矩阵中忽略轴向位移而只考虑挠曲和剪滞效应的相互影响,未能形成薄壁压弯构件剪滞分析的统一方法,不能很好地适用于斜拉桥中压弯主梁的剪滞效应分析。  本文在既有研究理论的基础上,通过引入截面轴向位移导出了考虑轴、弯、剪滞相互耦合影响的控制微分方程及其相应的边界条件,对轴向位移与剪滞效应的相互影响进行了探讨。基于轴、弯、剪滞相互耦合的控制微分方程,建立了有限梁段法,并推导了考虑剪滞效应的梁段有限元单元刚度矩阵。结合位移插值技术,提出了双向插值梁单元,有效解决剪滞翘曲位移的人为假定问题。采用动态编程语言 Python,基于其丰富的包库,构建了应用于薄壁梁剪滞效应分析的杆系有限元程序,对所提出的单元刚度矩阵进行准确性验证。最后,基于CSB桥梁施工监控仿真模拟软件,针对河口Π形结合梁斜拉桥施工过程中的剪滞效应进行了分析。  经数值模拟与试验验证表明,本文方法具有较高的准确性与实用性,能广泛运用于具有各种截面形式的开口、闭口薄壁压弯构件,为实际工程项目中剪滞效应的分析计算提供了可靠的方法。
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