基于ANSYS平台求解薄壁箱梁剪力滞效应

张鹏云

摘要：基于ANSYS10.0平台，采用有限元方法对不同加载情况下薄壁箱梁的剪力滞效应进行计算，并将计算结果与已有文献中能量变分法的分析值进行对比，发现结果吻合较好，可知利用ANSYS对薄壁箱梁剪力滞进行分析精度很高。

关键词：ANSYS;薄壁箱梁；有限元；剪力滞效应；挠度

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

0 简述

随着经济科技的发展，建桥技术不断进步。薄壁箱梁因其自重轻，空间整体受力性能良好，能适应各种新式施工方法，所以在现代桥梁建设中被广泛采用。

ANSYS软件是大型通用有限元软件，其功能强大，计算精度高。ANSYS可以方便地计算出箱梁的畸变应力、剪力滞效应，目前ANSYS已成为土建领域有限元分析软件的主流。

1剪力滞效应

梁弯曲初等理论的基本假定为变形的平截面假定，其不考虑剪切变形对纵向位移的影响，因此，弯曲正应力沿梁宽呈均匀分布状态。但在箱形梁结构中，因剪切变形沿翼板的不均匀分布，弯曲时远离腹板的翼板的纵向位移滞后于近腹板的翼板的纵向位移，所以弯曲正应力的横向分布呈曲线状态，以简支箱梁顶板为参考，可以看到压应力在腹板与翼板交接处为最大，且自交接处向两侧逐渐减小，这种弯曲正应力的不均匀分布现象，称为剪力滞效应。

剪力滞效应一般用剪力滞系数λ来衡量，λ的定义为：

λ=剪力滞效应作用下的法向应力/按初等梁理论求得的法向应力

当然工程中关心的是：剪力滞效应发生时，腹板与翼板交接处的剪力滞系数，因为该处的剪力滞系数反映了剪滞效应下应力集中的最不利程度，对控制应力集中所引发的局部破坏以及进一步的整体失稳破坏具有关键作用。

当λ值大于1时称为正剪力滞效应，当λ值小于1时称为负剪力滞效应。

2应用ANSYS分析单箱单室薄壁箱梁剪力滞效应

2.1弹性壳单元shell63性质

Shell63弹性壳单元既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受法向荷载和平面内荷载。该壳单元具有4个节点，每节点有6个自由度，分别为沿坐标系X、Y、Z方向的线位移和关于X、Y、Z轴的角位移，应力刚化和大变形能力也被考虑其中。

shell63单元定义需要4个节点、4个厚度、一个弹性地基刚度（EFS）和正交各向异性材料参数。弹性地基刚度（EFS）是指在地基法线方向产生一个单位位移所需要的压力，如果E小于或者等于0，则弹性地基的效应将被忽略。正交各向异性材料参数的方向依据单元坐标系，单元的X轴可以转动一个角度THETA。

2.2shell63壳单元建模要点：

（1）单元的厚度不能为0，厚度按线性变化至单元的4点时为0也不允许。

（2）在应用直接建模法（自节点生成单元法）时，要特别注意壳单元的法线方向。若模型中有不一样的壳单元法线方向可能会导致计算结果出问题。

（3）后处理时，必须将General postproc>Options for out下的“shell results are from”选项结果置为“Middle layer”,否则后处理中板的结果数据不是板中面的，会出错。

2.3计算算例

该算例取自文献[1]，简支箱梁示意图如图1所示，箱梁跨度l=40m。分析荷载工况为满跨加均布荷载（在主梁顶板与腹板交接处加两列集度为25KN/m的均布荷载），及在跨中截面加集中荷载（在主梁顶板与腹板交接处加一对称集中荷载1000KN/侧）。

图1 简支箱梁示意图（单位：mm）

本文采用先建立几何模型，再划分网格生成有限元模型的方法建模，有限元模型如下图2所示。

图2 箱梁有限元模型图

分析所得的剪力滞系数与文献[2]中按变分法求解所得的结果进行比较，结果如表1、2所示。同时将有限元分析所得简支箱梁跨中截面最大挠度值与文献[3]中按变分法求解所得数值进行比较。

表1 均布荷载作用下剪力滞系数比较

表2 集中荷载作用下剪力滞系数比较

注：表中λ1为顶板与腹板交接处剪力滞系数，λ2为顶板中心处剪力滞系数。

文献[3]中采用变分原理，求得在跨中集中荷载作用下，剪力滞效应对箱梁跨中最大挠度提高幅度为2.5%；在均布荷载作用下，提高幅度为2.1%。

本文中采用有限元方法，经ANSYS分析在集中荷载作用下简支箱梁跨中挠度较初等梁理论的计算结果提高幅度为6.4%；在均布荷载作用下，提高幅度为5.0%。相对误差为：集中荷载作用下3.8%，均布荷载作用下2.8%。

从表1、2中剪力滞系数的比较以及与文献[3]中挠度值的比较可以得知，利用ANSYS计算结果与变分法理论计算结果相当接近。剪力滞系数的相对最大差值为2.38%，挠度的相对最大差值为3.8%。可见，用ANSYS计算箱梁剪力滞效应结果精度很高，能够有效反映正应力在横截面上的分布状况以及挠度的变化情况。

3结语

现今，ANSYS已广泛应用于结构分析当中，其使用便捷，计算结果精度高，采用弹性壳单元shell63可以方便、精确地计算箱梁剪力滞效应，确是工程实用计算的一条有效途径。

参考文献：

[1]郭金琼.箱形梁设计理论[M].北京：人民交通出版社，1991.

[2]张士铎，邓小华，王文州.箱形薄壁梁剪力滞效应[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3]雷娟娟，张元海.薄壁箱梁的剪力滞效应分析[J].兰州交通大学学报，2010，29（4）：102-105.