薄壁箱梁截面抗扭参数的简化计算方法_图文.
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收稿日期：２００６—０７—１９
基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７８０４４）；江苏省社会发展基金项目（ＢＳ２００１０４４）
作者简介：徐秀丽（１９６３），女，江苏如皋人，南京工业大学副教授，东南大学工学博士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｊｘｕｘｉｕｌｉ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ。
万方数据
第２期徐秀丽，等：薄壁箱梁截面抗扭参数的简化计算方法
引言
大跨度桥梁是柔性结构，在风力等动荷载作用下容易产生大的变形和振动，如果设计不够合理，就有可能产生自激的发散振动而毁坏。建成仅４个
月，主跨８５３ｍ的美国华盛顿州Ｔａｃｏｍａ悬索桥就是一个由颤振形态引起的风毁事例。薄壁箱形截面的梁体由于其自重轻，抗扭刚度大，扭振频率较高，故产生扭曲发散振动的临界风速也较高，因此大跨度桥Βιβλιοθήκη Baidu的主梁常采用薄壁箱形截面Ⅲ，如杭州湾大桥主航
ｕｐ
ｗｈｏｓｅｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｔｈｅｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｂｏｘｓｅｃｔｉｏｎｆｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ａｕｔｈｏｒｓｐｕｔ
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ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ
ｔｏｒｓｉｏｎａｌｍｏｍｅｎｔ
ａｔ
ｔｈｅｅｎｄｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ．Ｔｏｒｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｉｎ—ｗａｉｌｅｄｂｏｘｓｅｃｔｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅ
１
计算原理
１．１
闭口薄壁箱形截面的扭转特性
薄壁结构的扭转通常表现为自由扭转和翘曲扭
转的相互组合，此时作用在任意位置断面上的总扭矩将由自由扭转剪应力形成的扭矩（自由扭矩）Ｔ。
与翘曲应力形成的扭矩（翘曲扭矩）Ｌ组成
丁一ｔ＋Ｌ
（１）
式（１）中各扭矩与扭转角的关系为
Ｔ。＝ＧＫｑ，７（２）Ｔ。一一Ｅ１。ｐ‘３’
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｈａｓｈｉｇｈ
ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｔ
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ｆｏｒ
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ｔＯ
ｍａｎａｇｅｗｉｔｈ
ａｎｙ
ｗｅｌｌ—ｉｎｆｏｒｍｅｄ
７３
道桥口］、苏通大桥主航道桥、润扬大桥主航道桥等。
由于主梁截面的抗扭参数直接影响到结构的抗风稳定性，因此计算必须准确［３］。目前一些较成熟的有限元分析软件虽具有截面特性计算功能，但只限于一般截面形式，对大跨度桥梁常采用的薄壁箱梁的抗扭参数还无法直接计算或计算结果很不稳定‘“，也有一些相关的计算程序‘５。７１和方法睁１５］，但一般仅限于理论研究，推广应用范围有限。在实际工程中抗扭参数的计算仍常采用手算，这样做不仅计算过程烦琐而且容易出错。笔者通过对薄壁箱梁扭转特性的深入分析，总结出了一种利用空间有限元分析软件的分析功能来计算薄壁箱梁截面几何特性参数的方法，该方法实施过程简单，计算精度高，相关人员借助于自己熟悉的任何空间有限元分析软件均能实现这一功能，本文中采用的是ＳＡＰ２０００空间有限元分析软件。
文献标志码：Ａ
ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｆｏｒＴｏｒｓｉｏｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ
Ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄＢｏｘＧｉｒｄｅｒＳｅｃｔｉｏｎ
ＸＵ
Ｘｉｕ—ｌｉｌ’２，ＷＡＮＧ
Ｓｈｕ—ｇｕａｎ９２，ＬＩＵ
Ｗｅｉ—ｑｉｎ９２，ＬＩ
Ｓｈｅｎｇ—ｙｕ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ
（３）式中：Ｇ为材料的剪切模量；Ｋ为截面的扭转常数；Ｅ为材料的弹性模量；ｊ。为截面扇形惯性矩；９为截面扭转角。
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅ
ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ
ｂｏｘｇｉｒｄｅｒ
ｓｅｃｔｉｏｎｂｙｓｐａｃｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
ｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｂｏｘｓｅｃｔｉｏｎｍｅｍｂｅｒ．Ａｓｐａｃｅｍｏｄｅｌｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｇｉｒｄｅｒｗａｓｓｅｔ
摘要：通过对薄壁箱形截面杆件扭转特性的分析，提出利用空间有限元分析软件的分析功能来计算薄壁箱梁截面几何特性参数的新途径。建立空间悬臂梁模型，其截面为所要计算的薄壁箱形截面，在梁悬臂端施加集中扭矩，根据分析求得梁悬臂端相邻截面的扭转角和截面变形，即可推算出该薄壁箱形截面的抗扭参数。为提高计算精度，可按精确截面形式输入。结果表明：该方法的实施过程简单，计算结果精度高，用户借助于自己熟悉的任何空间有限元分析软件均能实现这一功能。关键词：桥梁工程；薄壁箱梁截面；空间有限元分析；抗扭参数；计算方法中图分类号：Ｕ４４８．２１３
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ
ｔｈｅｎｅｉｇｈｂｏｕｒｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｔｏｒｓｉｏｎａｎｇｌｅａｎｄｓｅｃｔｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
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ｇｉｒｄｅｒｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ．Ｅｘａｃｔｉｔｕｄｅ
ｓｅｃｔｉｏｎ
ｐａｔｔｅｒｎ
ｓｈｏｕｌｄｂｅ
ｉｎｐｕｔ
ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅ
第２０卷第２期
２００７年３月
中国
ＣｈｉｎａＪｏｕｒｎａｌ公路
学
报
ｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ
Ｖ０１．２０ＮＯ．２
Ｍａｒ．２００７
文章编号：１００１—７３７２（２００７）０２—００７２—０５
Ｏ
薄壁箱梁截面抗扭参数的简化计算方法
徐秀丽１’２，王曙光２，刘伟庆２，李升玉２
（１．东南大学交通学院，江苏南京２１００９６；２．南京工业大学土木工程学院，江苏南京２１０００９）
ｓｐａｃｅ
ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
ａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｂｏｘｇｉｒｄｅｒｓｅｃｔｉｏｎ；ｓｐａｃｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｏｔ—ｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ
基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７８０４４）；江苏省社会发展基金项目（ＢＳ２００１０４４）
作者简介：徐秀丽（１９６３），女，江苏如皋人，南京工业大学副教授，东南大学工学博士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｊｘｕｘｉｕｌｉ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ。
万方数据
第２期徐秀丽，等：薄壁箱梁截面抗扭参数的简化计算方法
引言
大跨度桥梁是柔性结构，在风力等动荷载作用下容易产生大的变形和振动，如果设计不够合理，就有可能产生自激的发散振动而毁坏。建成仅４个
月，主跨８５３ｍ的美国华盛顿州Ｔａｃｏｍａ悬索桥就是一个由颤振形态引起的风毁事例。薄壁箱形截面的梁体由于其自重轻，抗扭刚度大，扭振频率较高，故产生扭曲发散振动的临界风速也较高，因此大跨度桥Βιβλιοθήκη Baidu的主梁常采用薄壁箱形截面Ⅲ，如杭州湾大桥主航
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ｏｎａ
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ｔｏｒｓｉｏｎａｌｍｏｍｅｎｔ
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１
计算原理
１．１
闭口薄壁箱形截面的扭转特性
薄壁结构的扭转通常表现为自由扭转和翘曲扭
转的相互组合，此时作用在任意位置断面上的总扭矩将由自由扭转剪应力形成的扭矩（自由扭矩）Ｔ。
与翘曲应力形成的扭矩（翘曲扭矩）Ｌ组成
丁一ｔ＋Ｌ
（１）
式（１）中各扭矩与扭转角的关系为
Ｔ。＝ＧＫｑ，７（２）Ｔ。一一Ｅ１。ｐ‘３’
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｈａｓｈｉｇｈ
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道桥口］、苏通大桥主航道桥、润扬大桥主航道桥等。
由于主梁截面的抗扭参数直接影响到结构的抗风稳定性，因此计算必须准确［３］。目前一些较成熟的有限元分析软件虽具有截面特性计算功能，但只限于一般截面形式，对大跨度桥梁常采用的薄壁箱梁的抗扭参数还无法直接计算或计算结果很不稳定‘“，也有一些相关的计算程序‘５。７１和方法睁１５］，但一般仅限于理论研究，推广应用范围有限。在实际工程中抗扭参数的计算仍常采用手算，这样做不仅计算过程烦琐而且容易出错。笔者通过对薄壁箱梁扭转特性的深入分析，总结出了一种利用空间有限元分析软件的分析功能来计算薄壁箱梁截面几何特性参数的方法，该方法实施过程简单，计算精度高，相关人员借助于自己熟悉的任何空间有限元分析软件均能实现这一功能，本文中采用的是ＳＡＰ２０００空间有限元分析软件。
文献标志码：Ａ
ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｆｏｒＴｏｒｓｉｏｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ
Ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄＢｏｘＧｉｒｄｅｒＳｅｃｔｉｏｎ
ＸＵ
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（３）式中：Ｇ为材料的剪切模量；Ｋ为截面的扭转常数；Ｅ为材料的弹性模量；ｊ。为截面扇形惯性矩；９为截面扭转角。
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；
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Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅ
ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ
ｂｏｘｇｉｒｄｅｒ
ｓｅｃｔｉｏｎｂｙｓｐａｃｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
ｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｂｏｘｓｅｃｔｉｏｎｍｅｍｂｅｒ．Ａｓｐａｃｅｍｏｄｅｌｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｇｉｒｄｅｒｗａｓｓｅｔ
摘要：通过对薄壁箱形截面杆件扭转特性的分析，提出利用空间有限元分析软件的分析功能来计算薄壁箱梁截面几何特性参数的新途径。建立空间悬臂梁模型，其截面为所要计算的薄壁箱形截面，在梁悬臂端施加集中扭矩，根据分析求得梁悬臂端相邻截面的扭转角和截面变形，即可推算出该薄壁箱形截面的抗扭参数。为提高计算精度，可按精确截面形式输入。结果表明：该方法的实施过程简单，计算结果精度高，用户借助于自己熟悉的任何空间有限元分析软件均能实现这一功能。关键词：桥梁工程；薄壁箱梁截面；空间有限元分析；抗扭参数；计算方法中图分类号：Ｕ４４８．２１３
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ
ｔｈｅｎｅｉｇｈｂｏｕｒｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｔｏｒｓｉｏｎａｎｇｌｅａｎｄｓｅｃｔｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ａｔ
ｔｈｅｅｎｄ
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ｇｉｒｄｅｒｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ．Ｅｘａｃｔｉｔｕｄｅ
ｓｅｃｔｉｏｎ
ｐａｔｔｅｒｎ
ｓｈｏｕｌｄｂｅ
ｉｎｐｕｔ
ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅ
第２０卷第２期
２００７年３月
中国
ＣｈｉｎａＪｏｕｒｎａｌ公路
学
报
ｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ
Ｖ０１．２０ＮＯ．２
Ｍａｒ．２００７
文章编号：１００１—７３７２（２００７）０２—００７２—０５
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薄壁箱梁截面抗扭参数的简化计算方法
徐秀丽１’２，王曙光２，刘伟庆２，李升玉２
（１．东南大学交通学院，江苏南京２１００９６；２．南京工业大学土木工程学院，江苏南京２１０００９）
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ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｂｏｘｇｉｒｄｅｒｓｅｃｔｉｏｎ；ｓｐａｃｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｏｔ—ｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ