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大跨径波形钢腹板箱梁桥剪力滞效应：机理、影响与控制策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代交通事业的飞速发展，对桥梁结构的性能要求日益提高。大跨径桥梁作为跨越江河、山谷等复杂地形的关键基础设施，在交通网络中扮演着举足轻重的角色。波形钢腹板箱梁桥作为一种新型的组合结构桥梁，凭借其独特的结构优势，在大跨径桥梁建设中得到了越来越广泛的应用。

波形钢腹板箱梁桥的主要结构特点是采用波形钢板代替传统的混凝土腹板，这种结构形式具有诸多显著优点。由于钢材的强度高，波形钢腹板能够有效地承担梁体的剪力，减少了混凝土腹板的厚度和自重，从而降低了整个桥梁结构的重量。相关研究表明，与传统混凝土箱梁桥相比，波形钢腹板箱梁桥的自重可减轻20%-30%，这对于大跨径桥梁来说，能够大大减小下部结构的规模和造价。波形钢腹板的波形形状使其具有良好的抗剪屈曲性能，提高了梁体的抗剪能力。而且波形钢腹板可以在工厂预制，现场拼装，减少了现场湿作业量，加快了施工进度，缩短了工期，同时也提高了施工质量的可控性。

在实际工程中，大跨径波形钢腹板箱梁桥的应用越来越多。例如，湖南省平益高速南阳湘江特大桥，其主桥长511.88米，主跨120米，为目前国内最大跨径波形钢腹板悬拼梁桥。主桥上部结构采用装配式波形钢腹板变截面PC组合梁，相比常规箱梁结构，自重减轻25%-30%，且完全避免了混凝土腹板开裂现象。通过运用装配式悬拼施工工艺，该桥创造了最快2.5天/片的悬拼施工新纪录，为新型波形钢腹板组合箱梁在连续体系桥梁中的应用打下了技术基础，也拓展了波形钢腹板在大跨径桥梁中的应用。

然而，当波形钢腹板箱梁桥应用于大跨径时，剪力滞效应成为影响其结构性能的一个关键因素。剪力滞效应是指在箱梁受弯时，由于翼缘板的剪切变形，使得远离腹板的翼缘板纵向正应力滞后于靠近腹板的翼缘板纵向正应力的现象。对于大跨径波形钢腹板箱梁桥，由于其跨度大、截面尺寸大，剪力滞效应更为显著。这种效应会导致箱梁截面的应力分布不均匀，使得某些部位的应力过高，从而影响桥梁结构的承载能力、刚度和耐久性。例如，在剪力滞效应的影响下，箱梁翼缘板可能出现局部应力集中，导致混凝土开裂、钢筋锈蚀等问题，进而降低桥梁的使用寿命和安全性。如果在设计和分析中忽略剪力滞效应，可能会导致桥梁结构的实际受力状态与设计预期不符，给桥梁的运营带来潜在风险。

因此，深入研究大跨径波形钢腹板箱梁桥的剪力滞效应具有重要的理论和实践意义。在理论方面，通过对剪力滞效应的研究，可以进一步完善波形钢腹板箱梁桥的结构力学理论，为该类桥梁的设计和分析提供更加准确的理论依据。在实践方面，研究结果可以直接应用于大跨径波形钢腹板箱梁桥的工程设计中，指导工程师合理设计桥梁结构，采取有效的措施来减小剪力滞效应的影响，提高桥梁结构的安全性和可靠性，降低工程建设和运营成本。同时，也有助于推动波形钢腹板箱梁桥在大跨径桥梁领域的更广泛应用，促进交通事业的发展。

1.2国内外研究现状

剪力滞效应的研究可以追溯到20世纪初，德国学者Bredt在研究闭口薄壁杆件扭转问题时，发现了剪力滞现象。随后，各国学者对剪力滞效应展开了广泛的研究。早期的研究主要集中在薄壁箱梁结构，随着桥梁建设技术的发展，波形钢腹板箱梁桥的出现为剪力滞效应的研究带来了新的课题。

在国外，众多学者对波形钢腹板箱梁桥的剪力滞效应进行了深入探索。T.Y.Lin和E.H.Yang通过能量变分原理，推导出了波形钢腹板箱梁桥的剪力滞翘曲位移函数，分析了剪力滞效应的分布规律，其研究为后续学者提供了理论基础。Sakino等学者通过对实际桥梁的监测数据进行分析，研究了波形钢腹板箱梁桥在不同荷载工况下的剪力滞效应变化情况，指出了实际桥梁中剪力滞效应的复杂性和影响因素的多样性。

在国内，对于波形钢腹板箱梁桥剪力滞效应的研究也取得了丰硕的成果。文献[X]通过建立有限元模型，对一座大跨径波形钢腹板箱梁桥进行了数值模拟分析，研究了不同施工阶段的剪力滞效应分布规律，发现剪力滞效应在悬臂施工阶段变化较为明显，且最大剪力滞效应出现在特定的施工状态截面处。文献[X]采用解析法，结合波形钢腹板箱梁桥的结构特点，推导出了考虑剪切变形的剪力滞效应计算公式，为工程设计提供了理论依据。

现有研究在波形钢腹板箱梁桥剪力滞效应的理论分析、数值模拟和试验研究等方面取得了一定的进展，但是仍然存在一些不足之处。在理论研究方面，虽然已经提出了多种分析方法，但这些方法大多基于一定的假设条件，与实际结构的受力情况存在一定的差异，导致理论计算结果与实际情况不完全相符。在数值模拟方面，有限元模型的建立需要考虑众多因素，如材料特性、边界条件、单元类型等，若这些因素设置不合理，会影响模拟结果的准确性。同时，不同的有限元软件在计