雒敏，蔺鹏臻，孙理想

(兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070)

双室箱梁剪力滞效应的试验研究

雒敏，蔺鹏臻，孙理想

(兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070)

为开展单箱双室箱梁剪力滞效应的试验研究，制作了有机玻璃简支箱梁模型。在容许开裂范围内，对该试验箱梁进行集中力作用于跨中截面三腹板上方、两对称边腹板上方和中腹板上方的加载。采用DH3816应变采集仪测得跨中及1/4跨截面各关键点应变值，并用百分表测得箱梁各关键截面挠度值。测量得到的截面应力分布规律验证了箱梁截面剪力滞效应的存在。同时对该有机玻璃简支箱梁，采用空间板壳数值方法计算了3种集中力工况下截面的剪力滞分布规律。结果表明，集中力作用下双室箱梁各翼板间存在明显的剪力滞效应，且荷载的横向作用位置对箱梁截面剪力滞效应影响较大。

双室箱梁 剪力滞 模型试验 有限元

箱梁由于抗弯和抗扭刚度大、截面整体性好和施工适应性强等优点被广泛应用于工程实际中［1］。当荷载作用于箱梁时，箱梁产生竖向弯曲，且其上、下翼板由于其剪切变形的影响，使得翼板的弯曲正应力沿横向不均匀分布，这种现象称为剪力滞效应［2］。对剪力滞效应的研究，通常有理论分析方法、数值模拟方法和试验研究方法。其中试验研究方法可以直观地验证理论和数值模拟方法的正确性，从而得到广泛的应用。文献［3］以福建闽江三桥北引桥为例，制作有机玻璃模型，进行了1∶25的有机玻璃模型结构试验，探讨了对称弯曲时变截面箱梁的剪力滞后效应，以及偏心荷载作用下变载面箱梁的内力分布特性。文献［4］通过有机玻璃箱梁模型试验分析了变截面箱梁及特殊支承连续箱梁等复杂结构的剪力滞效应，验证所提出的梁段单元用于分析复杂箱梁的剪力滞效应是可靠的。文献［5］进行了正截面工作阶段及带裂缝工作阶段的试验，验证了考虑混凝土材料非线性、剪力滞及腹板剪切变形的有限梁段法在混凝土箱梁中的适用性。文献［6］采用有机玻璃箱梁模型对变高度连续箱梁及曲线连续箱梁剪力滞效应进行研究，验证了有限梁段法在变高度连续箱梁及曲线连续箱梁中的适用性。文献［7］用复合材料构成的两跨连续箱梁，通过对比试验数据和理论数据，分析了影响箱梁剪力滞效应的原因。由于不同加载方式下双室箱梁各腹板间剪力流分布的差异，翼板的剪力滞效应分布规律必然不同。故考虑加载方式对双室箱梁剪力滞效应的影响研究是非常必要的。但已有研究中，对不同加载方式下箱梁剪力滞效应的模型试验研究还较少。

近年来，伴随着对箱梁剪力滞效应理论研究［8－12］的进一步深入，模型试验研究也发挥着越来越重要的作用。结构模型试验因不受简化假定的影响，能更实际地反映结构的行为，可清晰且直观地展示整个结构从受载到破坏的全过程，故本文以典型的单箱双室简支箱梁为研究对象，利用试验方法，研究集中力不同作用方式下箱梁截面的剪力滞分布规律。

1 模型及试验

1.1 试验目的

通过有机玻璃简支箱梁模型试验，主要测试箱梁截面纵向应力分布情况以及各截面挠度情况。对试验梁沿横向不同位置加载集中力，获得各荷载工况下截面的剪力滞分布规律，为进一步的理论分析和工程实践提供依据，对有限元数值模拟进行验证。

1.2 试验内容

试验中进行了3种集中力工况的加载，如图1所示。具体如下:①集中力作用于跨中截面三腹板上方时，测试控制截面的应力与挠度。②集中力作用于跨中截面两对称边腹板上方时，测试控制截面的应力与挠度。③集中力作用于跨中截面中腹板上方时，测试控制截面的应力与挠度。

图1 集中力作用点

1.3 有机玻璃箱梁模型

依据本文所要研究的问题以及借鉴以往有机玻璃箱梁模型，制作了双室有机玻璃简支箱梁模型。模型的横截面尺寸如图2所示。

1.4 测点布置

应变片用结构胶粘贴在箱梁表面，并和导线焊接后引出，用万用表对应变片逐一检查，以保证应变片正常工作。在单箱双室箱梁模型跨中和1/4跨截面处贴有纵向应变片，跨中和1/4跨截面处应变片各布置20片且布置位置相同，如图3所示。

图2 箱梁1/2横截面(单位:mm)

图3 跨中及1/4跨截面应变片布置

1.5 加载方法

将DH3816应变采集仪与电脑连接，采用温度自补偿方法测定应变值，用百分表测取箱梁挠度。加载前对传感器进行标定，标定功能反映系统工作的可信程度，本试验中使用的多点同步加载装置通过面板(人机对话界面)上的标定开关，可以方便地在工作现场对各监测通道的信号做出比较和更新，并且当前标定值一旦确认，无须专门存盘操作，下次开机即为最新标定结果。在跨中截面腹板上方同时施加集中荷载P，施加跨中集中力过程中，采用电脑控制3个电压千斤顶及荷载传感器，配合橡胶垫块分级加载来实现。每一级荷载以0.4 kN的数量递增，加载至跨中集中力P=1.2 kN后(此时梁体未开裂)，停止加载，整个加载过程共分3级。然后以同样的荷载级数完成卸载。每级加载后，等待读数稳定5 min再进行读数。

2 试验结果与分析

基于有机玻璃试验模型尺寸建立Ansys有限元数值模型，分别计算出3种集中力工况下的截面应力及挠度。试验模型为跨度1 000 mm的简支箱梁，截面尺寸见图2，由拉伸试验测得有机玻璃的弹性模量E= 2 600 MPa，泊松比μ=0.385，跨中集中力P=1.2 kN，取6个同规格钢圆柱支承于两梁端截面三腹板对应底板下方。

2.1 跨中集中力分析

跨中是其应力和变形较大的部位。本文试验测试值和由Ansys板壳数值解获得的单箱双室简支梁跨中截面翼板的纵向应力如图4所示。

从图4可知:①本试验测试值与Ansys板壳数值分析结果的分布规律和数值大小均非常接近，两者具有基本相同的截面应力分布趋势，试验结果验证了有限元数值模拟在箱梁中运用的可行性。②由于实测数据受到很多因素的影响，且诸多因素在试验中具有不可模拟性和不可控制性，所以测试所得的数据与理论计算数据存在差异。在该试验中，外界温度应力、加载速度、测试器材精度等的影响使得应变传感器实际测得的应变是考虑各种因素之后应变的总和。因温度较低、应变传感器精度不够、加载不稳定等因素导致实测数据存在一定的误差。故剪力滞效应试验研究时需要采用更稳定的测试器材和较稳定的环境。

图43 种集中力工况下1/2跨截面应力分布

试验结果表明，集中力作用下的剪力滞效应在靠近腹板一定范围内较大。虽然梁体承受对称竖向弯曲荷载，但边腹板和中腹板处顶、底板的应力存在较大差异。集中力作用于跨中截面三腹板上方时边腹板位置处顶板应力与中腹板位置处顶板应力最大相差1% ;集中力作用于跨中截面两对称边腹板上方时边腹板位置处顶板应力与中腹板位置处顶板应力最大相差可达12% ;集中力作用于跨中截面中腹板上方时边腹板位置处顶板应力与中腹板位置处顶板应力最大相差可达116.5% 。这说明，荷载横向作用位置对剪力滞效应的影响非常显著，尤其是只有一个集中力作用于跨中截面中腹板上方时边腹板和中腹板部位顶、底板的应力差异最大。本试验可以为工程实践提供一定的参考，在进行强度设计时应考虑荷载的横向作用位置引起的剪力滞变化。

集中力作用在跨中截面时，3种不同作用点对1/4跨截面处剪力滞作用的影响均不大，边腹板和中腹板处的顶板应力相差很小。

2.2 双室箱梁挠度分析

简支箱梁在集中荷载作用下，初等梁理论、Ansys板壳数值解和试验求得的梁体中腹板、边腹板部位挠度沿跨度变化曲线如图5所示。由图5可知，在集中荷载作用下，由于剪力滞效应的存在使得整个梁体挠度均增大。

图5 双室箱梁中腹板与边腹板处挠度对比

由图5可知:利用有限元方法考虑剪力滞对挠度影响的计算结果与实测结果的规律一致，两者的计算结果得到了相互验证。但中腹板和边腹板处沿纵向挠度的Ansys板壳解在数值上均小于实测结果。这主要是由于两方面的原因造成:实际模型梁支座的约束条件不是理想铰支;试验手段和仪器测试存在一定的误差，加载的部分偏移会引起梁底两侧挠度的较大差异。但计算与实测结果的差别总体较小，满足工程精度要求，且实测结果的变化规律与有限元模拟结果一致性较好，试验结果验证了有限元数值方法在箱梁剪力滞效应分析中运用的可行性。集中荷载作用下无论中腹板处还是边腹板处剪力滞效应均增加了其挠度。相对于经典初等梁理论值，考虑剪力滞后跨中截面的挠度增加幅度最大，达到25% 。同一截面不同位置处挠度亦存在较小差异，如跨中截面边腹板处挠度与中腹板处挠度相差为6% 。故在工程设计时应充分考虑剪力滞效应对梁体挠度的影响，避免梁体挠度过大而破坏。

3 结论

1)单箱双室简支箱梁在集中荷载下试验值与Ansys板壳数值解的数值大小和变化规律均基本接近，本试验能很好地反应单箱双室箱梁的剪力滞效应。

2)集中力作用下的剪力滞效应在靠近腹板处明显，虽然梁体承受对称竖向弯曲荷载，但边腹板和中腹板处顶、底板的应力存在较大差异，剪力滞效应亦存在明显的局部差异。

3)剪力滞效应的存在使得整个梁体挠度均增大。跨中截面挠度增幅达25% 。故在工程设计施工时应充分考虑剪力滞效应对梁体挠度的影响，避免梁体挠度过大而破坏。

［1］郭金琼，房贞政，郑振.箱型梁设计理论［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］REISSNER E.Analysis of Shear Lag in Box Beams by the Principle of Minimum Potential Energy［J］.Quarterly of Applied Mathematics，1946，5(3):268－278.

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［4］张元海，王来林，李乔.箱型梁剪滞效应分析的一维有限元法及其应用［J］.土木工程学报，2010，43(8):44－49.

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Experimental study on shear lag effect of twin-cell box girder

LUO Min，LIN Pengzhen，SUN Lixiang
(Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

A simply supported plexiglass box girder model was manufactured to study shear lag effect in twin－cell box girder.There are three loading cases:concentrate loads at all three webs，at two side webs，or at middle web.Strain at 1/4 span and mid－span was measured with DH3816 strain measurement device.Deflection was also measured with dial gauge.The effect of shear lag was observed.Also，shear lag effect of this plexiglass box girder was calculated through numerical analysis of spatial plate and shell.Results showthat shear lab effect is distinct under the concentrated loads.The transverse location of loads significantly affects shear lag effect in box girder.

T win－cell box girder;Shear lag;M odel test;Finite element

U448.21+3;TU317+.1

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.11

(责任审编 赵其文)

1003－1995(2015)10－0056－04

2015－03－02;

2015－06－29

国家自然科学基金项目(51168030，51208242，51368031);甘肃省杰出青年基金项目(1210RJDA009);中国博士后科学基金项目(2012M521815);教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目(IRT1139)

雒敏(1991—)，男，助教，博士研究生。