剪切滞后效应的概念是在箱梁中提出的,通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构当中,如筒结构和箱梁。在受剪力作用的薄壁梁中,距剪力作用点较远的突缘上的正应力小于按平截面假设的计算值的现象称为剪切滞后现象,如图1所示。剪切滞后取决于结构中力的扩散(传播)。力的扩散是指作用在结构某一部分上的非自身平衡的力系,向结构其他部分传递,直至与外力或约束反力相平衡的过程。
图1 箱形截面梁翼缘板及腹板正应力分布
图2为一宽突缘工字形悬臂梁,它由上下各五根细长突缘杆、上下各四块突缘板和中间一块薄腹板组成。在剪力Q的作用下,梁中出现剪切滞后现象,这可由下面的力的扩散过程来说明。
图2 工字形悬臂梁中的弯曲正应力和剪应力
在杆仅受正应力而板仅受剪应力的简化假设下,当剪力Q作用于腹板的自由端时,整个腹板具有剪应力τ。此剪应力直接作用于与腹板相连的中心杆A1B1上,所以在自由端附近的截面上仅A1B1杆中有正应力和正应变,而A2B2杆和A3B3杆均无正应力和正应变。
但A1B1杆的正应变引起突缘板A1B1B2A2的剪应变和剪应力,此剪应力又使突缘杆A2B2产生正应力。在A2B2杆受力变形的基础上,通过同样方式又使A3B3杆受力。
图2中在工字梁的左侧用阴影线表示突缘杆中的正应力,右侧绘出突缘板中的剪应力。由于内力是由受剪腹板经与其相连的突缘杆逐步向远处承力突缘杆传播的,所以在力的扩散过程结束后,远离受剪腹板的杆所受的力在空间上有一定落后,(可借助圣维南原理理解)而且受力的值小于按平截面假设求得的值,这就是剪切滞后。而根据平截面假设,各杆的受力情况没有差别,这与实际情况相差较远。因此,在计算薄壁梁的应力时,一般不能采用平截面假设。
剪切滞后造成结构内部受力不均匀,影响结构材料的利用率。例如,由于剪力Q的作用,在图3所示的箱形薄壁结构的上下盖板中就出现剪切滞后现象 (正应力在腹板附近大,中间部分小)。甚至当腹板附近的盖板接近破坏时,盖板的中间部分还处于低应力状态。为了估计剪切滞后对盖板利用率的影响程度,可采用折合宽度概念。即假定宽为W0的一块板的承载力恰好相当于一块宽仅为Wb而充分发挥了承载能力的板,Wb称为折合宽度,而比值φ=Wb/W0称为减缩系教。φ值小说明材料的利用率低。通常盖板越宽φ值越小。在工程设计中,应考虑减少腹板的间距,以提高材料的利用率。
图3箱形薄壁结构的应力分布和折合宽度示意图
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框筒结构的剪力滞后效应研究包联进,陈建兴,钱 鹏 摘要:以某400m高外框筒+核心筒超高层结构为分析对象,利用有限元软件ETABS研究了不同结构立面布置、高度、高宽比、角柱与中柱横截面面积比对结构剪力滞后效应的影响规律,通过分析某一单层两跨平面框架的传力机理,从理论上验证了数值模拟的结论。同时,分析了节点刚域、底部空间转换、框筒开洞率和设置加强层对框筒结构受力性能的影响。结果表明:框筒结构自下而上开始从正剪力滞后向负剪力滞后变化,取消转换层、增设环带桁架、增加高宽比和减小角柱与中柱面积比可以降低框筒结构的剪力滞后效应,更好地发挥"筒结构"的空间作用;节点刚域和开洞率对结构抗侧刚度影响较大。
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