利用ANSYS求解薄壁箱梁剪力滞效应

箱形梁的剪力滞效应分析摘要: 针对某100m+192m+100m预应力混凝土连续刚构桥的箱梁受力特征，以现有的剪力滞效应理论为基础，并利用三维通用有限元分析软件ANSYS，建立本桥在运营阶段的三维有限元实体模型，分析了该桥在恒载、恒载与预应力荷载组合下的箱梁顶底板的应力分布情况，同时根据相关公式计算了各截面的剪力滞系数。

关键词：箱梁有限元实体模型剪力滞系数0引言箱梁剪力滞效应是指在箱形梁中,产生弯曲的横向力通过肋板传递给翼板,而剪应力在翼板上的分布是不均匀的,在肋板与翼板的交接处最大,随着离开肋板的距离增加而逐渐减小,因此,剪切变形沿翼板的分布是不均匀的。

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,因此弯曲应力的横向分布呈曲线形状,这种弯曲应力分布不均匀的现象,称作剪力滞效应。

剪力滞效应常用剪力滞系数λ来衡量,λ的经典定义为:当λ值大于1时称为正剪力滞效应:而当λ值小于1时称为负剪力滞效应混凝土箱梁桥虽然是空间结构，但通常按平面梁单元进行简化分析，这种计算能够把握桥梁结构纵向抗弯、抗剪的主要规律，在一般情况下，能够较好地保证结构的安全度。

然而，在大跨度、宽箱体及曲线梁桥中，结构的空间效应比较显著，难以通过平面计算解决，在这些情况下，考虑箱梁桥的空间弯曲、剪滞、扭转、畸变等效应就显得十分重要。

为考虑箱梁在偏载作用下的扭转、畸变等效应，在工程设计中，经常引入偏载增大系数用以修正按平面杆系计算的截面应力值。

有关箱梁剪力滞的相关成果已纳入规范标准之中，例如德国工业规范（DIN1075）、美国公路桥梁设计规范（(AASHTO—LRFD)、中国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）、中国《高速铁路设计规范》（试行）（TB 10621-2009）。

笔者通过对某特大桥进行空间有限元分析，讨论该桥在不同荷载下的剪力滞效应，为今后的桥梁设计提供一定的参考。

基于ANSYS平台求解薄壁箱梁剪力滞效应摘要：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。

公路桥梁箱梁悬臂施工中的预应力作用及剪力滞效应研究马庆华;马慧娟;方金强【摘要】针对于公路桥梁箱梁悬臂的施工过程中,利用ANSYS有限元软件,就预应力作用对箱梁悬臂剪力滞效应的影响进行了研究.结果表明,预应力施加之后顶板的剪力还有滞系数的数值大概在1左右,同时还将剪力的滞效应减小了,在距离固端近的A截面,剪力滞效应有更大的减小.截面的剪力滞系数之所以减少,是因为施加了预应力,再进行了施加之后滞效应明显的减少了.同时翼缘板的刚度会由于横向预应力的施加而增大刚度,使得在界面上顶板的受力是比较均匀的,相对来说结构也是比较安全的.在整个悬臂的施工过程当中,为了能够使得受力不均的现象得到减少要使得横向的预应力不断的张拉,悬臂施工安全性更高.通过竖向预应力的作用,使腹板的刚度得到增加,而对顶板剪力滞变化影响较小.%In this paper,the influence of prestress on the shear lag effect of the box girder is studied by using the finite element software ANSYS.The results show that the shear lag coefficient of the cross section is close to 1,and the shear lag effect is reduced when the prestressing force is applied.The shear lag effect should be reduced in the A section near the fixed end.After the prestress is applied,the shear lag coefficient of the cross-section decreases and the shear lag effect decreases obviously.Transverse Prestress,increasing the stiffness of the flange,the cross section of roof stress is relatively uniform,reducing the roof deformation ability,structure safety.In the process of cantilever construction,the transverse prestressing tendons should be tensioned in time,so that the stress of the box girder section is reduced and the safety of the cantilever construction is higher.Through theeffect of vertical prestress,the stiffness of the web is increased,but the influence of the vertical shear lag is smaller.【期刊名称】《公路工程》【年(卷),期】2017(042)005【总页数】6页(P211-216)【关键词】剪力滞;箱梁悬臂;预应力;刚度【作者】马庆华;马慧娟;方金强【作者单位】连云港职业技术学院建筑工程学院,江苏连云港222006;贵州顺康路桥咨询有限公司,贵州贵阳550000;连云港职业技术学院建筑工程学院,江苏连云港222006【正文语种】中文【中图分类】U445.466在公路桥梁工程中，高强度预应力材料应用越来越广泛[1-3]。

甘肃科技纵横２００６年（第３５卷）第２期ＡＮＳＹＳ软件在薄壁箱梁剪力滞效应分析中的应用申国顺１，刘世忠２（１．中铁２１局集团第五工程有限公司，甘肃兰州７３００７０；２．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州７３００７０）摘要：本文首先介绍了箱梁剪力滞效应及其常用求解方法，然后详细地阐述了ＡＮＳＹＳ中的板壳单元Ｓｈｅｌｌ６３的性质和应用要点。

最后结合一具体箱梁实例，应用ＡＮＳＹＳ软件对其进行了有限元分析，并将ＡＮＳＹＳ有限元仿真计算结果与实验值进行了对比。

结果表明，利用ＡＮＳＹＳ对薄壁箱梁剪力滞进行有限元求解结果精度很高。

关键词：箱形薄壁梁剪力滞效应ＡＮＳＹＳ软件Ｓｈｅｌｌ６３单元有限元随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断进步，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。

薄壁箱梁截面自重轻，并具有良好的空间整体受力性能，如抗扭刚度大，在施工和使用过程中稳定性好，能适应各种现代施工方法（如顶推法、悬臂法施工），因而箱梁在现代桥梁中得到广泛运用。

ＡＮＳＹＳ软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，其功能强大，计算结果精度较高。

ＡＮＳＹＳ软件具有功能强大的前、后处理器与求解器，具有先进的非线性求解功能，可以方便地计算出箱梁的畸变应力、剪力滞效应以及桥梁构件与支撑部位的接触状态，目前已成为土木建筑工程领域有限元分析软件的主流。

１．１剪力滞箱梁剪力滞效应是指在对称荷载作用下，产生弯曲的横向力通过腹板传给翼缘板，由于翼缘板中的剪应力是非均匀分布的，在腹板与翼缘板的交界处最大，随着离开腹板而逐渐减小，导致翼缘板中剪切变形的不均匀性，从而引起弯曲时远离腹板的翼缘板之纵向位移滞后于靠近腹板的翼缘板之纵向位移，所以纵向正应力沿箱宽方向呈非均匀分布，即存在剪滞效应，如下图１所示。

如果翼缘板与腹板交界处的正应力值大于初等梁理论的计算值，则称“正剪力滞”；反之，则称为“负剪力滞”。

这种弯曲正应力分布的不均匀，使箱梁局部位置的应力被低估，严重的则导致箱梁损坏。

作业3一、题目采用有限元方法对教材P31页算例进行计算，具体分两个工况进行：（1）跨中截面腹板位置作用一对对称集中竖向荷载，荷载大小为P/2=225.5KN；（2）跨中截面腹板位置作用一对反对称集中竖向荷载，荷载大小为P/2=225.5KN。

分别计算跨中截面、1/4跨位置截面上的正应力和剪应力分布，并绘制相应的正应力和剪应力分布曲线。

二、基本资料桥梁类型：预应力混凝土等截面简支箱梁=40m计算跨径：L混凝土：C40剪切模量：G=1.445×104MPa弹性模量：E=3.40×104MPa分析方法：ANSYS软件命令流法三、ANSYS命令流分析（1）工况一（对称集中荷载）命令流finish/clear/title,the analysis of simply supported box-girder!********前处理模块********/prep7!建立几何模型k,1,0,0,0k,2,0,0,2.4k,3,0,0,7.1k,4,0,0,9.5k,5,0,-2.12,2.4k,6,0,-2.12,7.1kgen,2,all,,,40a,1,2,8,7a,2,3,9,8a,3,4,10,9a,6,5,11,12a,5,2,8,11a,3,6,12,9!定义单元属性et,1,shell63r,1,0.22r,2,0.34r,3,0.30mp,ex,1,3.40e10 !弹性模量mp,gyz,1,1.445e10 !剪切模量!赋予相应的单元属性和材料特性aatt,1,1,1,,1aatt,1,1,1,,2aatt,1,1,1,,3aatt,1,2,1,,4aatt,1,3,1,,5aatt,1,3,1,,6!网格划分mshape,0,2d !采用四边形网格mshkey,1 !采用映射网格esize,0.40amesh,allfinish!**********求解模块*********** /soluantype,static!在跨中腹板位置施加集中荷载allself,node(20,0,2.4),fy,-225500f,node(20,0,7.1),fy,-225500!边界条件allseldk,5,ux,,,,,uy,uz,rotydk,6,ux,,,,,uy,rotydk,11,uy,,,,,uz,rotydk,12,uy,,,,,rotysbctran !把实体单元模型的荷载和边界条件，转化到有限元几何模型中solvefinish!*********后处理模块************/post1!查看梁的变形allselpldisp,2!查看跨中截面正应力allselnsel,s,loc,x,19.79,20.01esln,splnsol,s,x!路径方法得到跨中截面正应力分布曲线和数据path,zengyingli_a,2,,50ppath,1,,20,0,0ppath,2,,20,0,9.5pdef,sx,s,xplpath,sxpath,zengyingli_b,2,,50ppath,1,,20,0,0ppath,2,,20,0,9.5pdef,sx,s,xprpath,sx!查看跨中截面剪应力allselnsel,s,loc,x,19.79,20.01esln,splnsol,s,xy!路径方法得到跨中截面剪应力分布曲线和数据path,jianyingli_a,2,,50ppath,1,,20,0,0ppath,2,,20,0,9.5pdef,sxy,s,xyplpath,sxypath,jianyingli_b,2,,50ppath,1,,20,0,0ppath,2,,20,0,9.5pdef,sxy,s,xyprpath,sxy!查看1/4跨截面正应力allselnsel,s,loc,x,9.79,10.01esln,splnsol,s,x!路径方法得到1/4跨正应力分布曲线和数据path,zengyingli_a,2,,50ppath,1,,10,0,0ppath,2,,10,0,9.5pdef,sx,s,xplpath,sxpath,zengyingli_b,2,,50ppath,1,,10,0,0ppath,2,,10,0,9.5pdef,sx,s,xprpath,sx!查看1/4跨截面剪应力allselnsel,s,loc,x,9.79,10.01esln,splnsol,s,xy!路径方法得到1/4跨截面剪应力分布曲线和数据path,jianyingli_a,2,,50ppath,1,,10,0,0ppath,2,,10,0,9.5pdef,sxy,s,xyplpath,sxypath,jianyingli_b,2,,50ppath,1,,10,0,0ppath,2,,10,0,9.5pdef,sxy,s,xyprpath,sxy根据以上命令流分析提取工况一情况下简支梁模型、正应力分布、剪应力分布如图1-1~1-5所示。