基于ANSYS 的单箱多室薄壁梁截面特性计算

摘要：在单箱多室薄壁梁截面桥梁分析设计中，如何确定截面的扭转常数和翘曲常数是非常重要的。通过对大型通用有限元程序ansys的研究和应用，阐述了使用ANSYS计算单箱多室梁截面的扭转常数和翘曲常数的实施步骤。

关键词：ANSYS 单箱多室薄壁梁 扭转常数 翘曲常数

0、引言

在桥梁结构分析设计中，常常需要计算截面的几何特性。随着交通事业的不断发展，薄壁箱梁截面因其良好的抗弯能力及较低的造价在桥梁建设中得到了广泛的应用。但是由于在薄壁箱梁中约束扭转及剪力滞效应显著，我们常常需要得到截面的扭转常数和翘曲常数。过去的传统方法是采用手算的方法进行薄壁箱梁截面几何特性的求解，在计算扭转常数时，往往是通过查表插值得到c值，因此在速度和精度上均不能达到要求。

随着计算机的广泛应用，工程师们开始编制各种程序来计算薄壁箱梁截面几何特性。但由于薄壁箱梁截面的复杂性与多样性，给程序编制带来一定的困难。目前许多设计程序在计算预应力箱梁的特性值时，或仅提供部分特性值，或省略加腋承托部分和悬臂部分，按封闭截面的公式计算特性值。但是对于非对称截面或风荷载容易引起较大扭矩的桥梁结构中，抗扭惯性矩是抵抗扭矩作用的一个比较重要的参数，而翘曲常数则是分析剪力滞效应的重要参数，因此准确提供扭转常数和翘曲常数在结构分析中非常重要。为了弥补上述方法的不足，本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS实现了对薄壁箱梁扭转常数和翘曲常数的求解。

1、用ANSYS软件计算薄壁箱梁截面扭转常数和翘曲常数

1.1 ANSYS在桥梁工程中的应用

在桥梁工程结构分析中，主要使用ANSYS软件进行静力分析、屈曲分析、模态分析、谐响应分析、谱分析和瞬态动力学分析。

ANSYS软件虽可对画好的截面直接使用ASUM命令计算截面面积、各方向的弯曲惯性矩，但它无法计算截面扭转常数和翘曲常数。通过对ANSYS软件的不断使用，作者发现采用PLANE82平面单元划分网格并将其赋值为自定义截面的方法，可以迅速地计算出薄壁梁截面的扭转常数和翘曲常数。下面给出具体的实施步骤。

1.2 分析时需用到的主要命令

1）定义截面类型和截面ID

命令：SECTYPE，SECID，TYPE，SUBTYPE，NAME，REFINEKEY

其中：SECID ―― 截面识别号，也称截面ID号。TYPE ―― 截面用途类型，其值可取：

=BEAM:定义梁截面，应用于等截面。

SUBTYPE ―― 截面类型。

REFINEKEY ―― 设置薄壁梁截面网格的精细水平。

2)自定义截面的存盘和读入

存盘命令：SECWRITE，FNAME，EXT，--，ELEM_TYPE

读入命令：SECREAD，FNAME，EXT，--，OPTION

其中：

FNAME ―― 文件名及其路径。如果未指定目录名，则缺省为当前工作目录。

EXT ―― 文件的扩展名，缺省为“SECT”。

OPTION ―― 从何处读入的控制参数。

3）梁截面特性列表

命令：SLIST，SFIRST，SLAST，SINC，DETAILS，TYPE

其中：SFIRST，SLAST，SINC ――ID号范围和编号增量

DETAILS ―― 汇总梁或壳特性内容的信息。

TYPE ―― 截面类型

1.3 基本分析步骤

1）使用AutoCAD画出梁截面，输出为面域，扩展名保存为“.sat”；2）打开ANSYS，选择Utility Menu>File>Import>Sat..,将保存的CAD面域文件导入ANSYS；3）创建2D箱梁截面，利用面的布尔运算，可完全表达薄壁箱梁截面形状；4）定义且仅能定义PLANE82或MESH200单元，如果有多种材料则定义材料号【1】；5）定义网格划分控制并划分网格,可以使用自由网格划分和映射网格划分；6）用SECWRITE命令将划分网格的截面写入文件；7）用SECTYPE和SECREAD命令定义截面ID；8)用SLIST命令显示薄壁箱梁截面特性列表。

2、算例分析

下面使用ANSYS软件计算一个单箱多室薄壁箱梁截面的几何特性，说明此方法的有效性。算例：

注：表中Warping Constant代表翘曲常数， Torsion Constant代表扭转常数。

3、结语

通过本文，可以得到，使用ANSYS软件可以方便地计算出单箱多室薄壁箱梁截面的扭转常数和翘曲常数，且可以考虑加腋承托和悬臂部分，计算精度可以满足实际结构空间受力分析的需要。

参考文献：

[1]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京.人民交通出版社.2007.10