摘 要：箱梁橋因?yàn)槠淞己玫目古すぷ餍阅芤约俺墒斓氖┕ぜ夹g(shù)，目前在我國(guó)橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。箱梁橋在偏心荷載作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)對(duì)橋梁的影響這一問題目前也受到了工程人員的重視。文章在介紹現(xiàn)有的箱梁扭轉(zhuǎn)與畸變的研究現(xiàn)狀、研究方法的基礎(chǔ)上，列舉了對(duì)斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)和畸變?cè)斐捎绊懙囊蛩兀⑻岢隽四壳皩?duì)于斜箱梁橋有關(guān)其扭轉(zhuǎn)與畸變的研究所存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：箱梁；扭轉(zhuǎn)；畸變；斜度

引言

當(dāng)前，在我國(guó)城市橋梁和公路橋梁建設(shè)不斷發(fā)展的情況下，由于空間或地形等的影響，許多橋型不得不選擇斜橋。尤其是在城市中，橋位要服從道路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，當(dāng)受到空間的限制時(shí)，橋位難免要與規(guī)劃路線成一定角度。在斜橋橋型普遍采用的背景下，因其本身有別于正橋的構(gòu)造特點(diǎn)，尤其是對(duì)于斜箱梁橋來說，其受力復(fù)雜，無論是其理論解析還是數(shù)值解析，目前都處在研究階段，特別是其產(chǎn)生的剪力滯效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)等問題正越來越受到人們的重視。

箱梁在偏心荷載作用下可等效為局部荷載，對(duì)稱荷載和反對(duì)稱荷載的共同作用。扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)是在反對(duì)稱荷載作用下產(chǎn)生的。扭轉(zhuǎn)是反對(duì)稱荷載作用下的剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，分為自由扭轉(zhuǎn)和約束扭轉(zhuǎn)。其中自由扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力？子K；約束扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力？滓w和約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力？子w。畸變產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力？滓dw，畸變剪應(yīng)力？子dw，橫向彎曲應(yīng)力？滓dt。其中扭轉(zhuǎn)的變形特征為扭轉(zhuǎn)角θ，畸變的變形特征為畸變角γ。

1 研究方法和現(xiàn)狀

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，橋梁建設(shè)已進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。盡管現(xiàn)在有很多通用的結(jié)構(gòu)分析軟件，但是對(duì)于解決一些復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)問題還不夠，必須針對(duì)其特點(diǎn)和細(xì)部構(gòu)造展開研究。與正交箱梁橋相比，斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)較為明顯。在箱梁分析時(shí)，把畸變和扭轉(zhuǎn)放在一起時(shí)，計(jì)算困難，而且現(xiàn)有的一些方法如等薄殼理論等，都存在著一些局限性，因此在箱梁的計(jì)算分析中，應(yīng)將扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)分別進(jìn)行考慮，將影響箱形梁變形的各種因素的影響程度進(jìn)行全面的分析歸納，這樣有利于斜箱梁橋構(gòu)造的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變問題做了大量研究，按照研究方法的不同基本上可以分成三類：解析法，數(shù)值法和模型試驗(yàn)研究。

1.1 解析法

箱梁的扭轉(zhuǎn)分析始于圣維南的自由扭轉(zhuǎn)理論，該理論解決了薄壁桿件自由扭轉(zhuǎn)的截面翹曲問題。前蘇聯(lián)學(xué)者烏曼斯基在基于橫截面周邊不變形的前提下提出了閉口截面剛性扭轉(zhuǎn)理論，即烏氏第一理論。但是該理論提出的β（z）函數(shù)與扭轉(zhuǎn)角θ相同的假定會(huì)對(duì)桿件分析計(jì)算產(chǎn)生誤差，于是其放棄了這一假定，認(rèn)為β（z）是一個(gè)待求函數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出了約束扭轉(zhuǎn)微分方程，即烏氏第二理論，相對(duì)于第一理論明顯提高了精度。關(guān)于扭轉(zhuǎn)的第三種理論是詹涅里杰等人根據(jù)變分原理提出的，此種方法計(jì)算繁瑣，實(shí)用性不強(qiáng)，所以應(yīng)用較少。有關(guān)扭轉(zhuǎn)的另一理論是符拉索夫的廣義坐標(biāo)法。他根據(jù)虛功原理導(dǎo)出了周邊不變形閉口截面剛性扭轉(zhuǎn)解析法，該種方法簡(jiǎn)潔明了，適用于任何支承形式的邊界條件，也能適應(yīng)于變截面箱梁的分析，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于箱形梁的畸變分析，目前相對(duì)成熟的解析方法是彈性地基梁比擬法，但該種方法只適用于等截面箱形梁。由于變截面箱形梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以有關(guān)其畸變應(yīng)力的分析方法目前還不夠完善。常用的方法是等代梁法，該方法從變截面箱形梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，能很好地反映其受力特點(diǎn)和剛度沿縱向連續(xù)變化對(duì)內(nèi)力的影響等問題。

之后很長(zhǎng)一段期間，學(xué)者們對(duì)于箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)理論研究都是對(duì)前面經(jīng)典理論的運(yùn)用和修正。如鮑永方和黃文彬[1]分析了幾種約束扭轉(zhuǎn)理論的關(guān)系和差別，提出了修正的烏曼斯基理論，使計(jì)算精度更高，速度更快；日本教授平島政治[2]把由四塊板構(gòu)成的任意箱形截面的畸變微分方程中的畸變和約束扭轉(zhuǎn)聯(lián)系項(xiàng)用單元應(yīng)力平衡條件中的剪力成分來變換，因此提出了一種能考慮剪切變形的箱梁畸變理論；徐勛[3]基于廣義坐標(biāo)法，考慮了次生剪切變形影響，建立了厚壁箱梁畸變分析理論和分層分析方法，有利于箱梁畸變分析理論的發(fā)展。

1.2 數(shù)值法

目前在分析斜箱梁橋時(shí)比較常用的數(shù)值方法有梁格法、有限條法和實(shí)體單元法。

梁格法是用等效的縱、橫梁格來模擬斜箱梁橋的上部結(jié)構(gòu)，將分散在主梁每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，而橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。牛小龍[4]、張帥鋒[5]等人在分析斜箱梁橋的空間受力中采用了這種方法，取得了很好的效果。但是該方法不能考慮扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)產(chǎn)生的翹曲，前處理和后處理工作量特別大。

有限條法是根據(jù)折板理論，把箱形梁三維空間問題簡(jiǎn)化為二維空間問題，是分析多室箱梁有效方法之一，優(yōu)點(diǎn)是能夠分析多室箱梁的大部分變性特征（扭轉(zhuǎn)、彎曲、畸變等），還能分析等截面箱形梁結(jié)構(gòu)，但是不能分析變截面箱梁[6]。

對(duì)于研究斜箱梁橋的空間效應(yīng)來說，實(shí)體單元法是更為精確的一種方法。當(dāng)橋梁寬跨比較大、截面變形不可忽略時(shí)，簡(jiǎn)化為桿單元假定的適用條件將不再滿足，這時(shí)采用實(shí)體單元，就可對(duì)箱梁進(jìn)行彎曲，扭轉(zhuǎn)、畸變等細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行分析，而且計(jì)算精度較高。

1.3 模型試驗(yàn)

由于鋼筋混凝土材料和箱梁結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，其受力分析仍需借助于模型試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)大多都采用有機(jī)玻璃作為制作材料。如李慶華[7]等人以簡(jiǎn)支的斜交薄壁單室箱梁為對(duì)象，作了有機(jī)玻璃模型在扭轉(zhuǎn)荷載作用時(shí)的試驗(yàn)，提出了采用斜交箱梁的子結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析的建議；張文獻(xiàn)[8]采用有機(jī)玻璃材料制成箱梁模型，對(duì)大翼緣箱梁的畸變效應(yīng)進(jìn)行了研究；Danesi[9]對(duì)三個(gè)大型的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進(jìn)行了彎曲扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，之后建立了有限元模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，并提出了建議。

2 斜箱梁橋產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)與畸變的影響因素分析

2.1 斜度的變化

斜度的變化使得箱梁橋的彎扭耦合效應(yīng)更明顯，其跨中彎矩相對(duì)于正橋來說要小，隨著斜度的增大，跨中彎矩折減增大，其扭矩也會(huì)增大。文獻(xiàn)[6]對(duì)單室箱梁的彎曲-扭轉(zhuǎn)受力問題進(jìn)行了有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示當(dāng)斜度大于20°時(shí)，梁的端部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力理論值與其實(shí)際受力狀態(tài)已經(jīng)有很大差距。斜度的變化對(duì)箱梁的畸變角也有很大影響，一般斜箱梁橋的畸變角最大值會(huì)出現(xiàn)在橋梁的1/4和3/4跨位置，其最大值會(huì)隨著斜度的增大而增大。

2.2 橫隔板的設(shè)置

設(shè)置橫隔板能有效阻止橫截面形狀的變形，限制橫截面形狀變形和扭轉(zhuǎn)共同引起的橫向彎曲畸變應(yīng)力和縱向正應(yīng)力，對(duì)畸變變形和畸變應(yīng)力有很強(qiáng)的約束作用。

橫隔板的設(shè)置還與很多因素有關(guān)，比如橫隔板的數(shù)量，間距以及厚度等都會(huì)對(duì)斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)造成影響。在斜箱梁橋結(jié)構(gòu)中，使橫隔板與主梁軸線配置成直角，或與支承線配置成平行，在結(jié)構(gòu)上或經(jīng)濟(jì)上究竟采取哪種方法更合理仍是個(gè)問題，還需進(jìn)一步研究。

2.3 荷載形式

當(dāng)斜箱梁橋作用均布荷載且不設(shè)橫隔板時(shí)，斜箱梁橋跨中截面的畸變正應(yīng)力值達(dá)到峰值，當(dāng)跨中設(shè)置橫隔板時(shí)，該位置處的畸變應(yīng)力會(huì)急劇減小。而在集中荷載作用下，作用位置以外設(shè)置的橫隔板對(duì)限制箱形梁的畸變效應(yīng)影響不是很大，只是在作用位置處效果明顯。另外在橋梁設(shè)置橫隔板的前提下，集中偏心荷載和均布偏心荷載的作用下對(duì)于斜箱形梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)也有影響。

2.4 箱梁板厚

通過改變箱梁翼緣板厚度或腹板厚度來對(duì)箱梁的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明腹板的厚度對(duì)箱梁的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)影響較大，翼緣板的厚度對(duì)其影響很小，所以，在進(jìn)行斜箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)可以通過增加腹板的厚度來提高箱梁的抗扭性能與抗畸變性能。

事實(shí)上影響薄壁斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)的因素還有很多，比如彎扭剛度比、約束條件、不同的支承剛度等都會(huì)對(duì)其造成影響，有待進(jìn)一步研究。

3 存在的問題

雖然在斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)分析方面已有不少理論成果，但是仍舊存在一些問題需要進(jìn)一步研究。

（1）目前有關(guān)箱梁的扭轉(zhuǎn)與畸變的理論方法很多，但是計(jì)算結(jié)果不一，有的甚至差距很大，比如文獻(xiàn)[10]中對(duì)約束扭轉(zhuǎn)理論進(jìn)行了分析，結(jié)果表明烏曼斯基理論精度最差，廣義坐標(biāo)法精度最高。所以箱梁的分析理論仍需逐步完善。

（2）斜箱梁橋中除了簡(jiǎn)單的彎扭耦合效應(yīng)外，還有更復(fù)雜的多重耦合效應(yīng)，比如彎曲-扭轉(zhuǎn)-剪力滯-剪切變形等，但在這方面研究也較少。

（3）對(duì)于斜箱梁橋的畸變效應(yīng)研究，還存在著考慮剪切變形的影響等問題，這有利于箱梁理論的完善和發(fā)展。

（4）動(dòng)力分析是橋梁結(jié)構(gòu)分析中不可缺少的內(nèi)容，有關(guān)斜箱梁橋的振動(dòng)分析不少，在此基礎(chǔ)上能否建立斜箱梁橋畸變振動(dòng)模型，振動(dòng)時(shí)橋梁的橫向撓曲和縱向撓曲會(huì)不會(huì)導(dǎo)致橋梁的“蠕爬”現(xiàn)象，這些問題還有待進(jìn)一步研究。

（5）斜箱梁橋的振動(dòng)分析研究方法目前多采用數(shù)值模擬或者試驗(yàn)研究，理論內(nèi)容少之又少，有待進(jìn)一步完善。

4 結(jié)束語

斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)是橋梁工程中的一個(gè)重要課題。文章對(duì)箱形梁扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，列舉了影響斜箱梁橋扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)的一些因素，并提出了斜箱梁橋發(fā)展中存在的一些問題，旨在使工程人員對(duì)斜箱梁橋的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)能夠有一些了解，認(rèn)識(shí)到箱形梁的扭轉(zhuǎn)與畸變效應(yīng)在橋梁工程研究中的重要性和必要性。

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