对箱梁受力的理解
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【内容摘要】：在预应力砼桥梁中，一般说在箱梁内对称挠曲的纵向弯曲应力是主要的，而偏心荷载引起的扭转应力是次要的。在预应力混凝土桥梁中的对称箱型截面中，由偏载引起的约束扭转正应力占活载弯曲正应力的15%左右。在一般设计中可不予考虑。
【关键词】：刚性扭转、约束扭转、畸变、横向弯曲、翘曲正应力
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
箱梁截面受力特性
作用在箱形梁上的重要荷载是恒载与活载。恒载通常是对称作用的，活载可以是对称作用，也可以是非对称作用，必须加以分别考虑。偏心荷载作用，使箱形梁既产生对称弯曲又产生扭转，因此，作用于箱形梁的外力可以综合表达为偏心荷载来进行结构分析。
箱梁在偏心荷载作用下的变形与位移，可分成4种基本状态：纵向弯曲、横向弯曲、扭转、扭转变形（即畸变）
纵向弯曲：纵向弯曲产生竖向变位，因而在横截面上引起纵向正应力及剪应力。
扭转：箱形梁的扭转在这里是指刚性扭转，即受扭时箱形的周边不变形，变形的主要特征是出现扭转角。类型分为自由扭转和约束扭转，所谓自由扭转，即箱形梁受扭时，截面各纤维的纵向变形是自由的，杆件端面虽出现凹凸，但纵向纤维无伸长缩短，自由翘曲，因而不产生纵向正应力，只产生自由扭转剪应力。而受扭时纵向纤维变形不自由，受到拉伸或压缩，截面不能自由翘曲，则为约束扭转。约束扭转在截面上产生翘曲正应力和约束扭转剪应力。产生约束扭转的原因：支承条件的约束，如固端支承约束纵向纤维变形；受扭时截面形状及其沿梁纵向的变化， 束扭转，如等壁厚的矩形箱梁、变截面梁等，即使不受支承约束，也将产生约束扭转。在D62规范的5.5.1条的条文说明（第176页第五段）：“在扭矩作用下的钢筋砼结构或构件，若扭矩系由荷载直接引起的，并可由静力平衡条件求得，一般称为平衡扭转；若扭转系由结构或相邻构件间的转动受到约束所引起，并由转动变形的连续条件所决定，一般称为协调扭转或是附加扭转。（其实就是上文中的自由扭转和约束扭转）由于后者的连续变形可引起内力重分布，对设计的扭矩起到折减的作用。本节规定的抗扭计算公式均未考虑协调扭矩或附加扭矩，也即本规范有关受扭构件的计算仅适用于平衡扭转。
畸变：畸变的主要特征是畸变角。薄壁宽箱的矩形截面受扭变形后，无法保持截面的投影仍为矩形。畸变产生翘曲正应力和畸变剪应力，同时由于畸变而引起箱形截面各板横向弯曲，在板内产生横向弯曲应力。值得注意的是：翘曲和畸变是2种不同的变形，翘曲是截面端面出现凹凸，箱形的周边不变形，变形是纵桥向的；畸变是受扭时截面周边变形。
横向弯曲：箱形梁承受偏心荷载作用，除了按弯扭杆件进行整体分析外，还需要考虑局部荷载的影响。车辆荷载作用于顶板，除直接受荷载部分产生横向弯曲外，由于整个截面形成超静定结构，因而引起其他各部分产生横向弯曲应力。
总结：在预应力砼桥梁中，跨度越大，恒载占总荷载的比值越大。有资料表明：20米跨径的桥的活载Mq占总弯矩M为35%，200米大跨径的桥的活载Mq占总弯矩M仅为9%，统计公式：Mq/(Mq+Mg)=0.725-0.29ln(L),当结构恒载引起的弯矩超过总荷载弯矩的85%-90%以上时，跨径的发展将受到经济效益的制约。因而，一般说在箱梁内对称挠曲的纵向弯曲应力是主要的，而偏心荷载引起的扭转应力是次要的。在预应力混凝土桥梁中的对称箱型截面中，由偏载引起的约束扭转正应力占活载弯曲正应力的15%左右。在一般设计中可不予考虑。所以迈达斯里面单梁偏载的系数应该填1.15。如果箱梁壁较厚并沿梁的纵向布置一定数量而限制箱梁的扭转变形，则畸变应力也不大。但是当箱梁壁厚度与梁高之比小于0.1，则为薄壁箱梁，这时需要考虑截面畸变，截面畸变是产生翘曲正应力的主要原因。横向弯曲应力状态下，特别对箱梁壁厚度较薄的情况，验算桥面板（箱梁顶板）与腹板、底板的构造配筋是需要注意的。在短与宽的箱梁桥中，对剪力滞效应要加以注意。箱梁跨宽比越小或Is/I（箱翼板总惯矩与梁总惯矩的比值）越大，剪力滞影响越严重。范立础《桥梁工程》P310.
在邵旭东编著《桥梁设计与计算》中提到：荷载增大系数法只解决了汽车荷载对结构截面的正应力影响，但未能解决箱梁各壁板的横向内力分析问题。他强调：刚性扭转和畸变产生的翘曲正应力可以通过荷载增大系数法近似的考虑。通过荷载增大系数法算得的荷载增大系数ζ与1.15*车道数相比，在桥面不宽，车道不多的情况下是比较吻合的，当然这个系数与跨径也有关系。例如：(1).在《连续梁桥》示例二：双幅跨径45+80+45m，单箱双室箱梁，桥面组成：单幅2.25m(人行道)+15.75m(机动车道)+0.5m(防撞护栏)+2.0m(中央分隔带)。最大增大系数ζ(2、3、4车道)：4.42
参考文献：
【1】、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 62-2004D
【2】、《桥梁工程》，范立础编
【3】、《桥梁设计与计算》邵旭东编著
【4】、《桥梁工程软件midas Civil常见问题解答》邱顺冬编著