夏桂云 李传习 杨美良

摘   要：利用初参数法和传递矩阵，建立了薄壁箱梁约束扭转分析的有限元列式，导出了均布扭矩和均布双力矩的非结点荷载的等效公式.基于约束扭转的有限元位移解，进一步建立了弯扭力矩新算法，导出相应的刚度矩阵、均布扭矩和均布双力矩作用下的固端力公式，方便正应力和剪应力的计算.算例表明，本文的计算结果与理论值完全符合，所建立的薄壁箱梁约束扭转有限元列式、均布扭矩和均布双力矩的非结点荷载等效公式、弯扭力矩新算法公式正确.

关键词：薄壁结构;约束扭矩;有限元分析;双力矩;扭率;新算法

中图分类号：U448.213                     文献标志码：A

文章编号：1674—2974（2019）01—0085—08

Abstract： Using initial parameter solutions and transfer matrix method，the finite element formulation for restrained torsion of a thin-walled box girder was presented. The equivalent nodal forces of distributing torque and bimoment acted on an element were also derived. Based on the displacement solutions of the finite element method for restrained torsion， a new algorithm for calculating the flexural-torsional moment was developed. The relevant stiffness matrix and fixed-end forces for distributing torque and bimoment acted on the element were established. It facilitated the calculation of normal stress and shear stress. The examples show that the calculation results of the proposed method agree well with the theoretical solutions， which proves that the stiffnesses for restrained torsion， equivalent nodal forces for distributing torque and bimoment acted on element as well as new algorithm for flexural-torsional moment are exact.

Key words： thin walled structures;restrained torsion;finite element analysis;bimoment;rate of twist;new algorithm

薄壁桿件的约束扭转是一个经典力学问题[1].众所周知的已有理论有乌曼斯基第一理论、乌曼斯基第二理论、詹涅里杰理论和符拉索夫广义坐标法理论等[2].包世华等[3]系统阐述开/闭口截面薄壁杆件的约束扭转问题.徐勋[4]基于混合变分原理，建立了一种考虑全部次生剪切变形影响的薄壁杆件约束扭转新理论，并能与前4种理论统一.对于复杂结构的空间效应分析，多位学者将约束扭转问题有限元组装到一般杆件程序中，建立多自由度的通用单元，如聂国隽等[5]建立的每结点7自由度的两结点杆单元.杨绿峰等[6]基于刚性周边假定，建立闭口薄壁杆件约束扭转分析的一维离散有限元方法，其自由度为扭角和扭率，理论上是乌曼斯基第一理论体系.苏贤锋[7]以扭转角为基本未知量，考虑翘曲正应力和剪应力，利用变分原理建立了约束扭转分析的有限元列式，其以多项式作为位移插值函数，但计算误差达20%.谢旭等[8]利用约束扭转微分方程的初参数解，进行转换后得到有限元列式，所导出的刚度矩阵非常精确，但建立的均布扭矩非结点荷载等效公式有误.朱德荣等[9]采用约束扭转微分方程的奇次解作为单元扭转插值函数，在初参数解的基础上推导箱梁单元的约束扭转刚度矩阵，对于非结点荷载的等效，论文只说明可以运用虚功原理来建立非结点荷载的等效公式，没有给出具体表达式.对于薄壁箱梁约束扭转分析问题，虽然现有的利用约束扭转微分方程初参数解来建立薄壁杆件的单元刚度矩阵和非结点荷载等效结点非常准确，其可与理论解析解媲美，但存在一些值得研究的问题，如：1）目前，薄壁箱梁约束扭转分析的杆系有限元一般是将总的扭矩M和双力矩B作为单元结点力，因此扭矩和双力矩可根据有限元结果直接确定.但是根据约束扭转理论可知，在计算单元的剪应力时，需要利用弯扭力矩，没有弯扭力矩结果，就不能正确计算约束扭转翘曲导致的剪应力.如何在有限元的基础上计算此内力，使得约束扭转的有限元列式能计算杆内的全部内力，从而确定杆件的正应力和剪应力状态，此问题值得研究.2）约束扭转分析的一些经典文献存在一些计算公式、算例结果的印刷错误，如果后续研究者以这些公式、结果来校验其他方法时可能会诱导出错误结论，因此有必要更正这些错误.

3）扭转分析对于大跨度桥梁抗风性能的研究至关

重要[10-11].本文基于此认识，对薄壁杆件约束扭转的杆系有限元进行研究，以期取得有意义的成果.