[科普中国]-剪力滞后

简介

剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。剪力滞后，有时也叫剪切滞后，从力学本质上说，是圣维南原理，它严格地符合弹性力学的三大方程，即几何方程、物理方程、平衡方程。具体表现是，在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。

框筒设计概念于20世纪60年代中期提出，并首次应用于美国芝加哥市的一栋44层的钢筋混凝土高层公寓，后来推广应用于纽约世界贸易中心等一些钢结构超高层建筑中，随着混凝土技术的不断发展，钢筋混凝土筒体结构、混合筒体结构得到了较大的发展1。

框筒结构有单筒和束筒之分，单筒是梁柱在平台内侧形成的闭合体，束筒是在平台内侧形成的多个闭合体。无论单筒和束筒，腹板框架承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部分弯矩，它们之间通过框筒束联系，如果角柱很弱，则达不到上述效果。由于梁的弹性变形，在侧向荷载的作用下，截面并不保持为平面，角柱处轴向变形为最大，离角柱越远的各柱轴向变形为最小，这种现象称为剪力滞后。

简单的说的话，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。

原理在对称弯曲荷载作用下，如果箱梁具有初等弯曲理论中所假定的无限抗剪刚度（及时变形的平截面假定），那么弯曲正应力沿梁宽方向是均匀分布的。但是，箱梁产生的弯曲的横向力（压应力）通过肋板传给翼板，而剪应力在翼板上的分布是不均匀的，在交接处最大，离开肋板逐渐减小，因此剪切变形沿翼板分布是不均匀的，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，所以其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状，这种现象工程界称之为“剪力滞后效应”。

剪力滞后效应的概念是在箱梁中提出的。剪力滞后效应在T型、工型和闭合薄壁结构中（如筒结构和箱梁）表现得较为典型，在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。当结构处于水平力作用下时，剪切变形，由此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，当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。

分析1、剪力滞后现象越严重，框筒结构的整体空间作用越弱；

2、剪力滞后的大小与梁的刚度、柱距、结构长宽比等有关。梁刚度越大、柱距越小、结构长宽比越小，剪力滞后越小；

3、框筒结构的整体空间作用只有在结构高宽较大时才能发挥出来。

剪力滞后效应通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构中如筒结构和箱梁，在这些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。当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。

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：如1969－1971年在欧洲不同地方相继发生了四起箱梁失稳或破坏事故。事故发生后，许多桥梁专家对桥梁的设计和计算方法进行了研究和分析，提出这四座桥的计算方法存在严重缺陷，其中一项就是设计中没有认真对待“剪力滞效应”，因此导致应力过分集中造成桥梁的失稳和局部破坏。又如广东省的佛陈大桥、乐从立交桥、江湾立交桥、顺德立交桥、文沙大桥等出现桥梁翼板横向裂缝，据资料显示其主要原因是未考虑剪力滞，致使实际应力大于设计应力，不能满足翼板承载力的要求而出现裂缝。