一种板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法技术

本发明专利技术公开了一种板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法。将板桁加劲梁分为主桁、弦杆、上下层桥面系三部分，计算板桁加劲梁中各杆件的抗弯惯性矩，根据剪切变形相等或剪切应变能相等的原则将主桁和桥面系分别等效为连续薄板，将薄板通过弦杆连接在一起，形成空间连续的等效薄壁箱梁作为研究对象，计算箱梁各薄壁的广义剪切刚度，据此计算薄壁箱梁的自由扭转刚度和弦杆约束扭转刚度，形成考虑弦杆约束的扭转平衡微分方程，根据板桁加劲梁的约束条件得到微分方程的边界条件，根据板桁加劲梁上的扭矩加载情况确定微分方程的常数项，求解扭转平衡微分方程得到板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形。本发明专利技术避免了复杂计算，可以较准确地评估变形。以较准确地评估变形。以较准确地评估变形。

【技术实现步骤摘要】
一种板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法


[0001]本专利技术涉及板桁加劲梁结构
，具体涉及一种板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法。

技术介绍

[0002]目前对板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形进行评估的方法主要为有限元法和解析法。其中，有限元法将板桁加劲梁作为复杂杆系与板的组合结构，利用大型有限元软件建立板桁加劲梁的精细化有限元模型，在施加扭矩荷载并设置边界条件后求解变形，该方法具有建模复杂、单元数目多、计算效率低的缺点，不仅对设计计算人员要求很高，且无法对板桁加劲梁的扭转变形产生机理上的认识，无法对板桁加劲梁扭转刚度进行优化设计。
[0003]目前对板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形进行评估的解析方法少，且忽略了上、下层框架的抗剪作用，忽略了上、下弦杆的约束作用，这会对板桁加劲梁扭转变形评估带来较大的误差。
[0004]同时，本专利技术针对的板桁加劲梁属于一种新型结构型式，相比于传统板桁加劲梁，取消了横联、平纵联，采用了多横梁式正交异性整体钢桥面，目前对板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形进行评估的解析方法未考虑新型板桁加劲梁的结构特点，不再适用。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种简单、准确、高效的板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1，以上弦杆或下弦杆为分界线，将板桁加劲梁分为上层桥面系、左侧主桁、右侧主桁、下层桥面系，进一步将上、下层桥面系又分为上、下层框架和钢桥面板，将弦杆按轴向刚度和面内、面外两个方向的抗弯刚度分为三部分；
[0008]步骤S2，根据板桁加劲梁中各杆件的截面参数计算其截面积和两个方向的抗弯惯性矩，提取钢桥面板的构造参数，包括母板厚度、U形加劲肋厚度、U形加劲肋宽度、U形加劲肋净距，输入板桁加劲梁的材料基本属性，包括弹性模量E、剪切模量G；
[0009]步骤S3，根据等效厚度计算公式，计算主桁框架、上层框架、下层框架、钢桥面板的等效厚度，将上、下层框架的等效厚度与钢桥面板的等效厚度相加得到上、下层桥面系的等效厚度；
[0010]步骤S4，根据等效厚度将主桁和桥面系等效为连续薄壁，由弦杆连接在一起，组成板桁加劲梁的闭口薄壁等效梁，以等效梁为研究对象，计算各薄壁的广义剪切刚度；
[0011]步骤S5，计算薄壁等效梁的弦杆约束扭转刚度和自由扭转刚度，得到考虑弦杆约束的扭转平衡微分方程；
[0012]步骤S6，根据板桁加劲梁的约束条件，将其转换为扭转平衡微分方程的边界条件，
根据板桁加劲梁的扭矩加载大小，得到扭转平衡微分方程的常数项；
[0013]步骤S7，利用matlab或给出的通解公式求解扭转平衡微分方程，得到等效梁在扭矩荷载作用下的变形具体参数。
[0014]本专利技术的技术效果在于：
[0015]1、本专利技术施加给板桁加劲梁一个扭矩荷载，将由复杂杆系和桥面板组成的板桁加劲梁分为主桁、弦杆、上下层桥面系三部分，计算板桁加劲梁中各杆件的抗弯惯性矩，根据剪切变形相等或剪切应变能相等的原则将主桁和桥面系分别等效为连续薄板，将薄板通过弦杆连接在一起，形成空间连续的等效薄壁箱梁作为研究对象，计算箱梁各薄壁的广义剪切刚度，据此计算薄壁箱梁的自由扭转刚度和弦杆约束扭转刚度，形成考虑弦杆约束的扭转平衡微分方程，利用matlab或给出的通解公式求解扭转平衡微分方程得到板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形。
[0016]2、本专利技术可以较准确地评估板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形，充分考虑了新型板桁加劲梁的结构特点，计入了上、下层框架的抗剪作用以及上、下弦杆的约束作用。本专利技术避免了复杂的有限元建模、求解工作，可以清楚掌握板桁加劲梁在扭转荷载作用下的变形机理，并为板桁加劲梁的优化设计打下了基础。
附图说明
[0017]图1为本专利技术中板桁加劲梁的结构示意图。
[0018]图2为本专利技术中主桁框架构造的结构示意图。
[0019]图3为本专利技术中上层框架构造的结构示意图。
[0020]图4为本专利技术中下层框架构造的结构示意图。
[0021]图5为本专利技术中等效梁构造的结构示意图。
[0022]图6为本专利技术中上层框架中单框架变形计算示意图。
[0023]图7为本专利技术中下层框架中单框架变形计算示意图。
[0024]图8为本专利技术中算例模型示意图。
[0025]图中：1、上弦杆，2、斜杆，3、竖杆，4、下弦杆，5、内侧竖杆，6、节点横梁，7、节间横梁，8、小纵梁，9、钢桥面板。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。
[0027]如图1所示，图1为本专利技术板桁加劲梁的结构示意图。本专利技术的具体步骤如下：
[0028]步骤S1，以上弦杆或下弦杆为分界线，将板桁加劲梁分为上层桥面系、左侧主桁、右侧主桁、下层桥面系，进一步将上、下层桥面系又分为上、下层框架和钢桥面板，将弦杆按轴向刚度和面内、面外两个方向的抗弯刚度分为三部分；面内、面外两个方向的抗弯刚度分别为主桁平面内的抗弯刚度和桥面系平面内的抗弯刚度，这样弦杆相当于由仅考虑轴向刚度的弦杆、仅考虑主桁平面内弯曲刚度的弦杆、仅考虑桥面系平面内弯曲刚度的弦杆三部分叠加，将仅考虑主桁平面内抗弯刚度的弦杆与主桁杆件组合在一起，形成主桁框架；将仅考虑桥面系平面内抗弯刚度的弦杆与上、下层杆件组合在一起形成上、下层框架。
[0029]步骤S2，根据板桁加劲梁中各杆件的截面参数计算其截面积和两个方向的抗弯惯
性矩，提取钢桥面板的构造参数，包括母板厚度、U形加劲肋厚度、U形加劲肋宽度、U形加劲肋净距，列于表1中；输入板桁加劲梁的材料特性，包括弹性模量E和剪切模量G。上述的抗弯惯性矩为各杆件绕各自形心轴的惯性矩，板桁加劲梁中各杆件均为组合截面，需先求得组合截面的静矩，计算其形心坐标，然后计算组合截面对形心轴的惯性矩，或利用计算机辅助设计软件CAD进行各杆件抗弯惯性矩的计算。
[0030]表1板桁加劲梁构造参数表
[0031][0032]注：h、b为板桁加劲梁的高度和宽度，a为板桁加劲梁的节间长度；A
sx
、A
xx
分别为上、下弦杆面积；I
sx
、I
xx
分别为上、下弦杆绕x轴惯性矩；I
sy
、I
xy
分别为上、下弦杆绕y轴惯性矩；A
v
、I
v
分别为竖杆的面积和绕x轴惯性积；A
f
、I
fx
、I
fy
分别为斜腹杆的面积和绕x、y两轴的惯性矩，d为斜腹杆长度；钢桥面板母板厚度为t
m
，U型加劲肋厚度为t
u
，宽度为L
u<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，以上弦杆或下弦杆为分界线，将板桁加劲梁分为上层桥面系、左侧主桁、右侧主桁、下层桥面系，进一步将上、下层桥面系又分为上、下层框架和钢桥面板，将弦杆按轴向刚度和面内、面外两个方向的抗弯刚度分为三部分；步骤S2，根据板桁加劲梁中各杆件的截面参数计算其截面积和两个方向的抗弯惯性矩，提取钢桥面板的构造参数，包括母板厚度、U形加劲肋厚度、U形加劲肋宽度、U形加劲肋净距，输入板桁加劲梁的材料基本属性，包括弹性模量E、剪切模量G；步骤S3，根据等效厚度计算公式，计算主桁框架、上层框架、下层框架、钢桥面板的等效厚度，将上、下层框架的等效厚度与钢桥面板的等效厚度相加得到上、下层桥面系的等效厚度；步骤S4，根据等效厚度将主桁和桥面系等效为连续薄壁，由弦杆连接在一起，组成板桁加劲梁的闭口薄壁等效梁，以等效梁为研究对象，计算各薄壁的广义剪切刚度；步骤S5，计算薄壁等效梁的弦杆约束扭转刚度和自由扭转刚度，得到考虑弦杆约束的扭转平衡微分方程；步骤S6，根据板桁加劲梁的约束条件，将其转换为扭转平衡微分方程的边界条件，根据板桁加劲梁的扭矩加载大小，得到扭转平衡微分方程的常数项；步骤S7，利用matlab或给出的通解公式求解扭转平衡微分方程，得到等效梁在扭矩荷载作用下的变形具体参数。2.根据权利要求1所述的板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法，其特征在于，所述步骤S1中面内、面外两个方向的抗弯刚度分别为主桁平面内的抗弯刚度和桥面系平面内的抗弯刚度，这样弦杆相当于由仅考虑轴向刚度的弦杆、仅考虑主桁平面内弯曲刚度的弦杆、仅考虑桥面系平面内弯曲刚度的弦杆三部分叠加；将仅考虑主桁平面内抗弯刚度的弦杆与主桁杆件组合在一起，形成主桁框架；将仅考虑桥面系平面内抗弯刚度的弦杆与上、下层杆件组合在一起形成上、下层框架。3.根据权利要求1所述的板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法，其特征在于，步骤S2中所述的抗弯惯性矩为各杆件绕各自形心轴的惯性矩，板桁加劲梁中各杆件均为组合截面，需先求得组合截面的静矩，计算其形心坐标，然后计算组合截面对形心轴的惯性矩，或利用计算机辅助设计软件CAD进行各杆件抗弯惯性矩的计算。4.根据权利要求1所述的板桁加劲梁在扭矩荷载作用下的变形评估方法，其特征在于，步骤S3中所述的主桁框架的等效厚度按下式计算：式中k为：e
x
、e
y
为斜腹杆与弦杆连接节点在x、y两个方向上的偏心，a为板桁加劲梁的节间长度，h板桁加劲梁的高度，d为斜腹杆长度；A
sx
、A
xx
分别为上、下弦杆面积；A
f
为斜腹杆的面积，I
fx
、I
fy
分别为斜腹杆绕x、y两轴的惯性矩；E为弹性模量，G为剪切模量；钢桥面板的等效厚度按下式计算：
式中β为U肋侧板与桥面板母板的夹角，钢桥面板母板厚度为t
m
，U型加劲肋厚度为t
u
，宽度为L
u
；将单个节间内的上、下层框架沿板桁加劲梁纵向分解为i个小框架，这里i＝6；依次在每个小框架对角两点上施加一对集中力F＝1或H＝1，计算每个小框架的竖向变位；上层框架中第i个小框架的竖向变位按下式计算：式中a
...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯文崎，王路，张晓勇，舒思利，
申请(专利权)人：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：