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空腹式组合箱梁剪力滞效应：理论剖析与试验洞察

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代交通事业的蓬勃发展，桥梁作为交通基础设施的关键组成部分，在跨越江河、山谷和道路等方面发挥着不可或缺的作用。空腹式组合箱梁凭借其独特的结构优势，如减轻结构自重、提高跨越能力、优化截面受力分布以及增强结构美观性等，在各类桥梁工程中得到了日益广泛的应用，成为大跨度桥梁建设的重要结构形式之一。

当空腹式组合箱梁承受荷载时，其翼缘板与腹板的连接处会出现应力分布不均匀的现象，即剪力滞效应。在箱梁的横截面上，远离腹板的翼缘板部分的纵向正应力会显著低于按初等梁理论计算所得的结果，而靠近腹板的翼缘板部分的纵向正应力则会高于理论值，这种应力分布的不均匀性严重影响了箱梁的整体受力性能和结构安全。

在实际工程中，剪力滞效应可能导致空腹式组合箱梁出现以下问题：一是结构局部应力集中，当翼缘板与腹板连接处的应力超过材料的许用应力时，容易引发裂缝的产生和扩展，进而降低结构的耐久性和承载能力；二是变形异常，由于剪力滞效应的存在，箱梁的实际变形与理论计算变形存在偏差，这可能影响桥梁的正常使用性能，如导致桥面不平整，影响行车舒适性和安全性；三是结构设计的不合理性，如果在设计过程中未能充分考虑剪力滞效应，可能会造成结构设计过于保守或不安全，增加工程成本或带来安全隐患。

从理论研究的角度来看，尽管国内外学者在箱梁剪力滞效应方面已经开展了大量的研究工作，并取得了一系列的研究成果，但对于空腹式组合箱梁这一特殊结构形式，其剪力滞效应的研究仍存在一定的局限性。不同的理论分析方法和数值计算模型在处理空腹式组合箱梁的复杂结构和边界条件时，存在一定的差异和不确定性，需要进一步深入研究和对比分析，以完善其剪力滞效应的理论体系。

从工程实践的角度出发，准确掌握空腹式组合箱梁的剪力滞效应规律，对于桥梁的合理设计、施工控制和运营维护具有重要的指导意义。在设计阶段，充分考虑剪力滞效应可以使结构设计更加科学合理，避免因应力计算不准确而导致的结构安全隐患；在施工过程中，通过对剪力滞效应的分析和监测，可以及时调整施工工艺和施工参数，确保结构的施工质量和安全；在运营维护阶段，了解剪力滞效应对结构长期性能的影响，有助于制定合理的维护策略，延长桥梁的使用寿命。

综上所述，开展空腹式组合箱梁的剪力滞效应理论及试验分析研究具有重要的理论意义和工程实用价值。通过深入研究空腹式组合箱梁的剪力滞效应，不仅可以丰富和完善箱梁结构的力学理论，为工程设计提供更为准确的理论依据，还可以有效提高桥梁工程的安全性、可靠性和经济性，促进现代交通事业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

剪力滞效应的研究最早可追溯到20世纪20年代，德国学者Wagner在研究飞机机翼结构时首次发现了这一现象，并提出了“剪力滞”的概念。此后，众多学者围绕剪力滞效应展开了广泛而深入的研究，研究对象从最初的飞机机翼逐渐扩展到建筑结构、桥梁工程等领域，研究方法也不断丰富和完善。

在理论研究方面，早期主要采用解析法来求解剪力滞问题。例如，20世纪50年代，Bredt提出了基于薄壁杆件约束扭转理论的Bredt-Wagner理论，该理论通过引入剪力滞系数来考虑翼缘板的剪力滞效应，为箱梁剪力滞效应的理论分析奠定了基础。随后，众多学者在Bredt-Wagner理论的基础上进行了改进和拓展，如考虑剪切变形、扭转效应等因素对剪力滞效应的影响。20世纪70年代，随着有限元技术的兴起，数值分析法逐渐成为研究剪力滞效应的重要手段。有限元法能够有效地处理复杂的结构形状和边界条件，通过建立箱梁的有限元模型，可以精确地计算结构的应力和变形分布，从而深入研究剪力滞效应的规律。此外，还有有限条法、有限差分法等数值分析方法也被应用于剪力滞效应的研究中。

对于空腹式组合箱梁的剪力滞效应研究，国外学者开展了一些相关工作。Sanguanmanasak等通过理论分析和数值模拟，研究了连续空腹式箱梁在不同荷载工况下的剪力滞效应，分析了腹板开孔大小、位置以及跨径比对剪力滞系数的影响规律。他们发现，腹板开孔会使箱梁的剪力传递路径发生改变，从而导致剪力滞效应加剧，且开孔越大、位置越靠近跨中，剪力滞效应越明显；跨径比的增大也会使剪力滞系数显著增大。然而，该研究主要侧重于弹性阶段的分析，对于空腹式组合箱梁在非线性阶段，如考虑材料非线性和几何非线性时的剪力滞效应研究较少。

国内学者在空腹式组合箱梁剪力滞效应研究方面也取得了一系列成果。蔺鹏臻等基于能量变分原理，建立了考虑剪力滞效应的空腹式组合箱梁的力学模型，推导了相应的控制微分方程，并通过算例分析了各结构参数对剪力滞效应的影响。研究表明，翼缘板的宽厚比、腹板的高厚比以及横隔板的间距等参数对剪力滞效应有显著影响。增大翼缘