薄壁钢箱梁自由扭转刚度和翘曲扭转刚度的计算-周奇

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1、2014年2月汕头大学学报（自然科学版）第29卷第1期Feb.2014JournalofShantouUniversity(NaturalScience)Vol.29No.1文章编号：1001-4217（2014）01-0065-08薄壁钢箱梁自由扭转刚度和翘曲扭转刚度的计算112周奇，王仲启，于东民（1.汕头大学风洞实验室，广东汕头515063；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710065）摘要：大跨度桥梁动力特性分析中主梁自由扭转刚度和翘曲扭转刚度的计算是个难点，本文介绍了利用ANSYS有限元软件计算扁平钢箱梁截面的扭

2、转常数和翘曲常数的详细步骤，并给出了动力特性分析中计入翘曲扭转刚度的方法.通过实际算例验证了本文介绍的大跨度桥梁主梁扭转刚度计算方法的可行性，并指明了具体实施中的一些细节和技巧.关键词：桥梁工程；动力特性；自由扭转刚度；翘曲扭转刚度；三主梁模型中图分类号：U441+.3文献标识码：A0引言大跨度桥梁抗风稳定性分析中，扭弯频率比是颤振分析的重要参数，动力特性分析时应正确计算主梁结构扭转刚度.钢箱梁是目前大跨度桥梁常用的主梁形式之一，属于典型的薄壁杆件，因此正确计算其扭转刚度是个难点.根据材料力学可知，对于一些简[1]单的等壁厚截面，可以用公

3、式直接求出.若壁厚不等，需要采用符拉索夫开口截面薄[2]壁杆件理论和乌曼斯基闭口截面薄壁杆件理论，逐段积分运算；若带有U肋或是开闭口组合截面，需要按照乌曼斯基第二理论计算，首先求得主扇形极点和主扇形面积，再得到截面常数.大量增强局部稳定性的加劲肋（U肋或T肋）使用，使得钢箱梁的构造越来越复杂，截面的扭转常数和翘曲常数计算十分繁琐.此外，由于主梁底板提供的刚度相对较少，现代大跨度桥梁为了减轻主梁自重，往往采用无底板或部分底板的π形主梁或开口钢箱梁.与全底板的封闭截面相比，无底板或部分底板的主梁截面的翘曲扭转刚度占总扭转刚度的比例大幅度增加，

4、对结构的扭转频率和阵型有着显著的影响.由此可见，大跨度桥梁动力特性分析中正确计算结构扭转刚度需要解决薄壁型截面的扭转常数和翘曲常数，以及如何在计算模型中计入翘曲刚度.为此，本文介绍了借助于ANSYS软件计算薄壁型扁平钢箱梁的截面特性计算方法和动力特性分析中计入主梁截面的翘曲扭转刚度的方法.收稿日期：2013-06-21作者简介：周奇（1981-），男，江苏省高邮市人，讲师，博士，国家一级注册结构师.E-mail：zhouqi@stu.edu.cn基金项目：汕头大学科研启动项目（NTF12007）；国家自然科学基金项目（51308330）；

5、桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室开发课题（KLWRTBMC12-01）66汕头大学学报（自然科学版）第29卷1薄壁箱梁自由扭转刚度电算扁平钢箱梁刚度大、自重轻、维护方便，适用于任何把自重和梁高作为重要指标的桥梁，而扁平钢箱梁的流线型外形使其具备较好的抗风性能，因此在大跨度桥梁中广泛运用.扁平钢箱梁属于复杂薄壁截面，其截面特性的扭转常数和翘曲常数较为复杂，采用手算的方法既费时又易出错.随着计算机技术的发展，人们编制计算程序计算扁平钢箱梁的截面特性，但钢箱梁的复杂性给计算程序的通用性带来一定困难.下面介绍采用借助于ANSYS软件计算扁平钢箱

6、梁截面特性.1.1AutoCAD创建截面面域ANSYS计算截面特性时需要将计算截面视为面域，然后采用PALNE82单元对面域进行划分，最终通过迭代求解几何截面特性.在ANSYS中可以直接通过点—线—面的方法直接生成所需截面的面域，但扁平钢箱梁截面十分复杂，通过点线面的方法将是十分繁琐的过程，因此建议由外部文件导入面域.AutoCAD是工程中通用的绘图工具，可以在现有AutoCAD图纸基础上修改和编辑来创建计算截面面域.如图1所示，扁平钢箱梁截面通常由薄壁、U肋、T肋等组成，其几何拓扑关系=外框线-内框线-U肋内框.在计算截面创建中需要将U

7、肋（T肋）与薄壁交接处或横竖薄壁交接处对应的线段断开，形成线条一一对应的关系，如图2所示.这样做是为了确保ANSYS可以通过拓扑关系自动识别生成自由四边形网格，否则ANSYS将生成三角形等非结构化网格，网格畸变率和数量较大，网格质量也较差，往往会导致截面特性迭代溢出.
图1某扁平钢箱梁截面
图2U肋、T肋和横竖薄壁交界处的处理实际薄壁截面的U肋（T肋）通常等间距布置，截面也有一定的对称性，绘图时，可以先生成一个标准段，然后充分利用AutoCAD的阵列（Array）、复制（Copy）和镜像（Mirror）等功能提高绘图效率.计算截面生成面域

8、也可以绘制成整个计算截面，然后根据几何拓扑关系和AutoCAD面域功能（Region）生成面域并删除不需要的面域.还可以在AutoCAD中可以用Pedit/Joint命令将多段线连成一条多义线