正应力大于简单梁理论的结果,称为正剪力滞;反之,则称为负剪力滞。剪切滞后效应与宽缘梁的有效分布宽度属同一范畴,前者用不均匀的正应力表示,而后者用一等效板宽表示。
图7.1 剪切滞后
一.薄壁宽梁中的剪切滞后现象
薄壁梁的剪切滞后效应是指,薄壁梁在横力弯曲时,由板件边缘分布剪力引起中面内剪切变形而造成的横截面上正应力分布不均匀现象,这主要是由于翼缘材料保持连续,左右两半相互衔接,使剪切变形不能充分发展,并且产生内部自相平衡的次应力。次应力与均匀分布的应力叠加,形成非均匀的应力分布。最大应力出现在,和腹板连接处,愈靠近翼缘边缘,应力愈低,无论是受拉翼缘还是受压翼缘,情况都相同。在设计中,考虑剪切滞后造成的翼缘应力非均匀分布,可以采用以有效宽度来代替实际宽度,这样可认为在有效宽度范围内应力都达到应力最大值。
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(见应力)小于按平截面假设求得值的现象。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7.2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。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η。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7.2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,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。
图7.2 宽突缘工字形悬臂梁中的弯曲正应力和剪应力
(左侧阴影部分表示正应力,右侧表示剪应力)
二.箱形结构中的剪切滞后现象
由于翼板剪切变形的不均匀性,引起弯曲时远离肋板的翼板之纵向位移滞后于近肋板的翼板之纵向位移,所以其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状。
图7.3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,可采用有效宽度概念。即假定宽为 W0的一块板的承载能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称为有效宽度,而比值=Wb/W0称为减缩系数。比值小说明材料的利用率低。通常盖板越宽比值越小。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7.3 箱形薄壁结构的应力分布和折合宽度示意图
影响箱形梁剪切滞后的各种因素中,除了梁的宽长比和荷载作用方式(集中或分布)外,加劲肋所占的比重也是个重要因素。带纵筋的翼缘板,应力分布不均匀的程度更加突出,因为加劲肋提高了翼缘承受轴力的能力,但没有提高它的抗剪能力。 箱梁剪切滞后的影响也采用有效宽度的方法考虑。在梁的不同部位,有效宽度系数不同,梁支点处的有效宽度比跨中的要小。跨长等于或超过梁宽的10倍时(B/L<0.05),跨中和四分点应力分布可以看成是均匀的,只有在支座附近范围内不均匀。在跨度中央承受集中荷载时,情况将有所不同,跨中有效宽度小于支座处的。对于B/L<0.05的梁,跨中应力分布不均匀,而四分点和支座处却是均匀的。忽略剪力滞效应的影响,就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力,从而导致不安全。
三.框筒结构中的剪切滞后现象
墙体上开洞形成的空腹筒体又称框筒,开洞以后,由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象,使柱中正应力分布呈抛物线状,称为剪力滞后现象。剪力滞后现象使框筒结构的角柱应力集中。如:在结构设计中往往全长加密角柱箍筋,目的之一就是增加角柱的抗剪能力,增加延性。
在框筒结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。当结构水平力作用下,主要反应是一种应力不均匀现象,柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形,从而引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移,从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等:远离腹板框架的柱轴力越来越小,翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形,同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。这就是一种剪力滞后效应。 当板上下端受拉力时,由于正拉应力是靠剪力的作用而传递的,在距离板端很近的截面,剪力所能起的作用有限,所以使此段正应力分布很不均匀,此现象即为剪力滞后。由于楼板变形不相同(EI没有处于无穷大)而导致边柱的轴力大于中柱的轴力,这是剪力滞后的后果。
2.分析归纳钢结构中半刚性连接问题, “工程绞”问题?
一.钢框架结构的梁柱半刚性连接
在钢框架的传统分析和设计中,将框架的梁柱连接假设成为完全的刚接或理想的铰接,在理想的铰接假定中,梁与柱之间没有弯矩的传递,仅传递剪力,梁和柱的转动是相互独立的;在理想的刚性连接假定中,相邻的梁柱之间小会产生相对转动,当框架变形时,梁柱之间的夹角是保持不变的。虽然这样简化了钢框架的分析和设计过程,但采用理想的连接模型在很多情况下是不合理的,也不能反映结构工作的实际情况,计算结果误差较大。这是因为在实际工程中,所谓的刚性连接具有一定的柔度;而所谓的理想铰接也是具有一定刚度的。
大量的试验证明,在荷载作用下,钢框架的实际梁柱连接性能总是介于理想的刚接和铰接之间,因此,提出了半刚性连接的概念。为了合理正确地预测钢框架的实际受力性能,应
在钢框架的分析和设计中考虑半刚性连接的影响。 1.常见的半刚性连接如图8.1。
(a) (b) (c) (d)
图8.1 梁柱半刚性连接
梁和柱的半刚性连接可以采用在梁端焊上端板,用高强螺栓连接[图8.1(a,b)],或始用连于翼板的上下角钢和高强螺栓[图8.1(c)]。端板在大多数情况下伸出在梁高度范围之外(或是上边伸出,下边不伸出)。梁端弯矩化做力偶,其拉力经上翼缘传出。受拉的螺栓布置在依受拉翼缘对称的位置,共四个。压力可以通过端板或柱翼缘承压传力,压力区螺栓可少量设置,和拉力区的螺栓一起传递剪力。(a)图的虚线表示必要时可设柱加劲肋。(c)图的做法为上下角钢一起传递弯矩,腹板上的角钢则传递剪力。
层数不超过10-15的多层框架,依靠梁柱组成的刚架体系来提供水平力的抵抗是比较经济的。此时梁与柱的连接必须有抵抗弯矩的能力。梁端连接能抵抗弯矩,可以使跨中弯矩减小,节省钢材。设计时在竖向荷载作用下也可以看作是简支的,只是在水平力作用下梁柱连接才起刚性节点的作用。这样做可以减小连接承受的弯矩,并且梁端和跨中的弯矩比较接近。不论在竖向荷载作用下是否承受弯矩,连接做成半刚性的已经足够了。 2.半刚性连接的受力性能
如图8.2为各种常用半刚性连接的弯矩-转角图
图8.2 各种连接的M-θ曲线
半刚性连接的弯矩—转角(M—θ)特性有以下几点: 1)、所有连接所展现的M—θ特性,均处在理想铰接条件(水平轴)和全刚性条件(垂直轴)之间。 2)、弯矩相同时,连接的柔性愈大,θ值愈大。反之,对于指定的θ值,柔性大的连接在

