格构式杆件剪切变形的研究

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1、◎格构式杆件剪切变形硇研究蒋赢达(同济大学桥梁工程系)摘要：以上海某钢桁梁桥的剩余寿命及使用安全性研究为工程背景，提取其中某格构式杆件作为研究对象，利用有限元软件建立不同的有限元模型进行对比。通过分析计算，提出了在建立有限元模型时，用单梁模拟格构式杆件时，引入剪切变形常数的必要性，并且给出了剪切变形及剪切变形常数的值关于梁长的分布规律。为模拟格构式杆件，建立其精确的有限元模型提供参考。关键词：格构式杆件；剪切变形；有限元模型0引言格构式杆件是在钢桥，特别是钢桁梁桥中被普遍运用的杆件形式，但是由于其特殊的结构形式，如果采用经典梁理论分析格构式杆件时，由于格构式杆件剪Ⅱ切

2、变形显著而产生较大的误差口]。因此，在建立准确的有限元模型时，我们需要对格构式杆件的剪切变形图1格构式腹杆尺寸(mm)进行研究，找出一种精确模拟其工作状态的有限元模型。本文以上海市某钢桁梁桥剩余寿命及使用安全性研究为工程背景，选取其中某一格构式腹杆作为研究f对象和建模依据。通过大型有限元分析软件Ansys鸯I11．oR行建模，对剪切变形在格构式杆件中的影响进行分析和总结。』1工程概况图2缀条及角钢尺寸(mm)该桥建成于1907年，为两跨钢桁梁简支桥，至今使用已近百年。该桥建成以来，上海市对该桥进行多次加固和维修，一直保持良好的营运状态。在2000年2研究目的和思路1月

3、，对该桥的剩余寿命及使用安全性进行了全面的出于对有限元模型计算成本的考虑，在建立大型评估，并准确地确定了该桥的使用等级和养护方法。钢桁梁全桥模型时，最佳选择是用一单梁模拟格构式在此过程中，通过测试和理论分析，对实际桥梁结构进杆件。但是通过建立有限元模型计算所得结论：如果行了诊断识别，建立桥梁结构的实际受力模型，实现了用欧拉梁直接模拟格构式杆件，通过计算其变形，可以对该桥工作状态的准确地模拟和分析_2]。发现误差和实际变形相比偏小，并且误差十分大。格构式杆件在该桥上下弦杆、腹杆等构件中多被分析其原因，格构式杆件在受剪力或弯矩作用时，采用，因此，准确模拟格构式杆件对建立精

4、确的全桥有其截面并不像实腹式杆件一样可以近似看做满足初等限元模型具有较大的意义，也为进一步的评估提供良梁理论假设，缀条并不能像腹板那样在横截面上起到好的依据。很好地连接上下肢共同变形的作用，所以，上下肢在截本文在其中选取了某一腹杆作为研究对象，该腹面变形时，从整个截面上看并不满足初等梁理论假设杆采取四个角钢作为上下肢，并用缀条连接，其具体其和平截面假设。结构形式如图1，图2所示：从单肢结构的截面上来分析，在杆件受弯剪作用时，其中性轴已不再是整个截面的中心位置。上收稿日期：2010-05-24No．32010上踢么魂47◎一⋯一s肢的中性轴从截面中心上移，下肢的中性轴从

5、截面起的虚内功一致来定义。‘．中心下移，由此出现的情况是，上肢和下肢的惯性矩对某一截面：变小，即其抗弯刚度变小，从而引起了显著的竖向位r一6J一big移增大的情况。为准确地模拟格构式腹杆的变形情况，可以把这则虚内功为：部分增大的位移近似看做是由截面剪切变形引起的，w一-『『()s在建立beam4单梁模型时，只要确定其剪切变形常数，即可用来准确地模拟格构式杆件。：-fGfj(·S(z))dAdS3剪切变形计算理论一-『s以图3一悬臂梁为例，根据材料力学知识得：由此得到：一一暑万一J-『cr。dA一个单位剪应变(整个截面上)要求定义一个新的截面积A，它是由真实截面积A除以

6、一个常数求得：A一A，其中即为剪切变形常数。I圣l5对于格构式杆件，我们可以近似为两个面积中间用抗剪连接的截面：A<

7、有限元分析过程为了简化计算，本文以悬臂作为模型边界条件，以式中：A为截面的有效剪切面积。自由端一200kN的竖向集中力作为外部荷载，一自由在常值剪力作用下，剪切变形自由反应了平截面端竖向变形作为模型准确性的判断依据，采用了An—假定。但在长向变化剪力作用下，各截面有不同的剪sysl1．0进行有限元建模，研究过程中共涉及了三种切变形，打破了其相容性，同时产生了附加正向应力。模型：因此，截面的正应力不再是线性分布。由于梁的剪切(1)多梁模型(见图4)：用梁单元beam4模型模拟变形不具主导意义，为计算简化，引入等代剪切应变出上下肢及缀条，较准确，可近似认