薄壁空间螺旋形曲线梁的约束扭转理论分析及结构计算（第一部分：基本理论）

本文应用矢量运算及薄壁曲线梁翘曲扭转理论，建立了空间螺旋形的薄壁曲线梁基本微分方程，用初参数法解出翘曲扭转微分方程，为进一步进行薄壁螺旋曲线梁的空间结构分析提供理论基础。     

考虑自平衡条件槽形曲梁的静力学特性分析

考虑了剪滞翘曲应力自平衡条件、剪力滞后、剪切变形和翘曲扭转等因素的影响,以最小势能原理为基础,建立了薄壁槽形曲梁的弹性控制微分方程和自然边界条件,获得了弯、扭、翘和剪滞效应相耦合广义位移的闭合解。算例中,分析了不同荷载形式、曲梁半径R、宽跨比等因素对曲线槽形梁力学特性的影响。该文解析法更好揭示了曲线槽形梁的力学特性以及各参数之间的内在关系,所得公式是对曲梁剪滞理论的发展。     

圆孔工字型蜂窝梁扭转模态自由振动研究

从能量等效角度,提出了一种圆孔工字型截面蜂窝梁连续型模型,应用新的薄壁构件扭转理论：板-梁理论,建立了构件扭转模态自由振动能量泛函模型,明确了圆孔工字型截面蜂窝梁名义约束扭转惯性矩(翘曲常数)、自由扭转常数、转动惯量。通过变分运算,获得了平衡微分方程模型。基于扭转模态试函数,推导了圆孔工字型截面蜂窝梁自由振动扭转模态振动圆频率,并与有限元结果对比校验理论模型预测精度。开展了悬臂圆孔工字型蜂窝梁受集中扭矩作用的端部截面转角理论分析与有限元计算,进一步检验了基于板-梁理论建立的蜂窝梁连续模型的适用性。应用板-梁理论对圆孔工字型截面蜂窝梁自由振动扭转的分析过程及推导步骤,为其他开孔类型工字型蜂窝梁扭转模态自由振动研究提供了直接参考。     

非对称Bernoulli-Euler薄壁梁的弯扭耦合振动

通过直接求解均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元自由振动的控制运动微分方程,推导了其精确的动态传递矩阵。采用Bernoulli-Euler弯扭耦合梁理论,假定梁横截面没有任何对称性,考虑了薄壁梁在两个方向的弯曲振动及翘曲刚度的影响。动态传递矩阵可以用于计算非对称薄壁梁及其集合体的精确固有频率和模态形状。针对具体的算例,给出了各种边界条件下固有频率的数值结果并与文献中已有的结果进行了比较,还讨论了翘曲刚度对固有频率和模态形状的影响,结果表明如果忽略翘曲刚度的影响,可能得到毫无意义的结果。     

点焊箱型截面薄壁构件的翘曲扭转研究

构成汽车车身结构的点焊薄壁构件,可以看成是开口截面段和闭口截面段相互穿插组合而成的半闭口截面构件。针对这种构件,基于瓦格纳的翘曲扭转理论,并考虑到点焊薄壁构件焊点处的弹性特性,用一条完整的具有剪切变形特性的“剪切弹簧”来取代构件上的点焊带。通过对这种具有“假想弹簧”的半闭口截面构件的研究,提出了一种分析点焊箱型截面薄壁构件的翘曲扭转的新方法。通过理论值与实验值之间的比较,验证了该方法的精度及合理性,并阐明了扭转刚度对点焊薄壁梁翘曲的影响。此研究同时为今后研究解决实际车体结构的多种约束翘曲问题,打下了良好的理论基础。     

薄壁结构弯扭耦合振动计算研究

本文建立了薄壁结构弯扭耦合振动的薄壁梁有限元模型,该模型考虑翘曲和剪切变形的影响,能精确描述薄壁梁的纯弯状态和百均匀扭转,并适用于任何形状的横剖面,本文重点讨论了翘曲位移协调问题,提出了新的不同剖面形式梁段间的翘曲位移协调方法,数值算例证实了本文的正确性。     

复合材料薄壁梁的固有特性分析

本文采用复合材料薄壁梁的高次翘曲理论对复合材料薄壁梁的固有特性进行了分析,讨论了单闭室复合材料薄壁梁的高次翘曲,剖面分层对结构的固有特性的影响。数例表明,复合材料薄壁梁的高次翘曲函数和分层对结构的固有特性具有一定的影响。     

考虑剪滞效应的薄壁曲梁有限单元法

本文以最小势能原理为基础,考虑剪力滞后效应和翘曲扭转(包括二次翘曲剪切)的影响提出了一种用于分析单室或多室曲线薄壁箱型梁桥力学特性的曲梁单元,推导了单元刚度矩阵、等效节点荷载列阵。作为验证,在算例中对一双室曲线薄壁箱型梁模型的静力特性进行了分析,并将本文数值结果与试验结果和板壳有限元方法所得结果进行比较后证明了本文方法是有效的。     

偏心轴向荷载作用下薄壁箱梁的约束扭转翘曲应力研究

以薄壁箱梁的约束扭转分析理论为基础,将薄壁箱梁所受偏心轴向荷载作为一种外加双力矩荷载考虑,建立偏心轴向荷载作用下薄壁箱梁约束扭转的双力矩这一广义内力的计算公式。为了便于计算翘曲应力,进一步推导了扭转中心位置及主扇性坐标的实用计算公式。通过对一模型箱梁进行计算,并与按通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较,验证了该文方法和所推导公式的正确性。详细分析箱室高宽比以及悬臂板宽度变化对偏心轴向荷载作用下薄壁箱梁约束扭转翘曲应力的影响。研究结果表明:箱室高宽比及悬臂板宽度对悬臂板端部翘曲应力的影响最大,对腹板与上翼缘、下翼缘交接处翘曲应力的影响相对较小;在偏心轴向分布荷载作用下,悬臂箱梁固定端横截面上控制点处的翘曲应力可达到初等梁应力的12%,不容忽视。     

基于协调翘曲场的开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转一维有限元分析

开口及闭口薄壁杆件约束扭转问题已由经典Timoshenko和Benscoter理论解决。然而,开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转分析必须考虑开、闭口部分翘曲能力的差异,翘曲剪流形成机理有待进一步研究。该文假定开、闭口截面翘曲分别满足Vlasov和Umanskii假定,考虑开、闭口截面公共节点翘曲连续性要求,建立含有待定翘曲参数的协调翘曲模型。由截面受力平衡,确定翘曲参数显式列式,提出开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转分析的一维有限元模型。算例及参数分析结果表明,基于Umanskii第二理论的I类方法在悬臂板及闭口周边引入附加剪流,影响翘曲剪应力精度。基于Umanskii第二理论的II类方法只能计算截面板件平均剪应力,无法反映真实翘曲剪流分布。基于Vlasov约束扭转假定的Beam-189单元忽略闭口周边约束效应产生的附加翘曲及剪流,影响翘曲正应力和剪应力精度。该文方法与Shell-63单元能得到基本吻合的变形与应力结果,说明一维梁元能正确反映开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转及翘曲刚度。     

碳纤维加固复合受力钢筋混凝土箱梁的应力分析

对碳纤维加固复合受力的钢筋混凝土箱梁进行应力分析。针对扭剪比较大的矩形箱梁构件,在斜压场理论的基础上,考虑混凝土软化的影响,提出了弯剪扭复合受力下碳纤维加固钢筋混凝土箱梁受力分析的计算理论,推导了相应的计算公式,编制了相应的计算机程序,并对4根碳纤维加固复合受力钢筋混凝土箱梁抗扭性能试验模型进行了数值分析。通过理论计算值与试验测试值的对比分析可以看出,各箱梁试件单位长度扭转角的试验测试值与理论计算值的比值的平均值为0.846~1.064,均方差为0.071~0.177;各箱梁试件底部纵筋应变的试验测试值与理论计算值的比值的平均值为0.946~0.997,均方差为0.051~0.093,即理论计算值与试验测试值吻合较好。由此得出结论,所建立的碳纤维加固钢筋混凝土箱梁受力分析的计算理论是合理可行的,能较好地反映碳纤维加固钢筋混凝土箱梁的复合受力情况。     

任意非对称断面薄壁箱梁一维有限元分析

根据薄壁箱梁的实际支承特点,设置支承坐标系并在支承坐标系中建立变形协调的相容条件,针对任意非对称断面薄壁箱梁,导出了考虑拉(压)弯扭翘空间耦合分析的单元刚度矩阵及等效节点力公式。此外,提出了通过设置具有线刚度、转动刚度、扭翘刚度的假想弹簧单元,对薄壁箱梁的复杂约束条件进行处理的一般方法。所得到的刚度矩阵表明,只有当忽略翘曲变形对截面转角的影响时,轴向拉压才只与水平弯曲及竖向弯曲相耦合,而与约束扭转不再耦合。算例结果表明了分析方法的有效性。     

波形钢腹板(钢腹杆)-混凝土组合箱抗扭承载力试验与计算

为研究波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱抗扭特性,进行了构件的抗扭承载力试验,结果表明:混凝土底板首先出现斜向裂缝,裂缝与混凝土主拉应变垂直,顶底板裂缝呈螺旋状开展,裂缝方向与主梁纵轴线约成45°;底板出现宽度较大的主斜裂缝,钢筋受拉屈服,组合箱受扭破坏。采用有限元软件ANSYS对扭转试验构件进行了非线性有限元分析,有限元分析结果与试验结果吻合良好。参照混凝土箱梁的开裂扭矩计算公式,建立了组合箱开裂扭矩的计算公式;应用混凝土箱梁变角度空间桁架理论,根据波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱达到极限扭矩时可能出现三种破坏形式,建立了组合箱极限扭矩的计算公式。通过与试验结果和实桥截面有限元分析结果的比较表明,建立的波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱抗扭承载力简化计算公式具较高精度,最大误差不超过10%,可运用于实桥计算。     

弹性地基上空间巨型框架结构的简化振动分析

对软土地基上的超高层建筑空间巨型框架的振动分析建立了一种新的简化分析模型,即弹性地基—空间杆系—层模型。也就是将空间巨型框架中的辅助框架柱只考虑其轴向刚度,沿巨型框架梁的轴线方向连续化后,作为巨型梁单元的文克弹性地基,把巨型梁按照文克弹性地基梁来处理,然后将巨型柱和巨型文克弹性地基梁组成空间巨型框架,在考虑了地基(半无限大弹性地基)的弹性变形后,按空间刚架进行刚度分析;将建筑物的质量集中于巨型梁的楼层,进行自由振动分析。算例计算结果表明,新的简化模型是合理的、可行的。     

薄壁曲线箱梁考虑材料弹塑性的剪力滞效应

依据势能变分原理,推导了薄壁曲线箱梁考虑翼缘应力剪力滞效应和材料非线性的刚度矩阵。采用样条有限点法和截面内力塑性系数法对薄壁曲线箱梁的弹塑性问题进行了求解。研究表明:弯曲剪力滞效应系数的非线性特征较挠度和扭转角的要明显;在荷载达到一定程度时,随荷载的增加,箱梁截面上的翼缘应力的分布逐渐均匀。该文的方法简单、实用,并可推广于变截面、变曲率薄壁曲线箱梁的计算。     

Torsion in multi-cell thin-walled girders

A technique for finding the stiffnesses and shear flows in multi-cell thin-walled girders subjected to linear elastic torsion is proposed. The girder is thought as the superposition of elementary closed tracks, just like open girders are the juxtaposition of thin strips. For each track there is a uniform value of the stress flow function, found by means of a linear system of compatibility equations resembling those for the redundant reactions in statically indeterminate frames. The connection between the proposed approach and fundamental properties of graphs is discussed; the advantages with respect to the standard procedures are also enlightened referring to two sample cross-sections.     

《薄壁Timoshenko梁弯扭耦合振动的动态有限元法》

通过直接求解单对称均匀薄壁Timoshenko梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其精确的动态刚度矩阵。在本文研究中考虑了弯扭耦合、翘曲刚度、转动惯量和剪切变形的影响。针对某弯扭耦合的薄壁梁算例,应用本文推导的动态刚度矩阵,采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,计算了该薄壁梁的固有特性,并讨论了翘曲刚度、剪切变形和转动惯量对该弯扭耦合薄壁梁的固有频率和模态形状的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性,并指出随着模态阶次的增加,剪切变形、转动惯量和翘曲刚度对薄壁梁的固有特性的影响更加显著。     

The effect of strain aging on the stability of rod elements

The article suggests a thermomechanical method of enhancing the stability of various structures that includes preliminary plastic deformation with subsequent aging and elevated temperatures. The results of experiments with longitudinal compression of a rod and torsion of a thinwalled cylindrical specimen showed that this method leads to increased torsional load and critical moment of loss of stability, on an average by 20%.Translated from Problemy Prochnosti, No. 10, pp. 9–11, October, 1994.     

薄壁空间螺旋形曲线梁的约束扭转理论分析及结构计算方法(第二部分:结构计算方法)

本文在上文［１］所导出的空间螺旋形薄壁曲线箱梁约束扭转微分方程及其参数解的基础上,用能量理论求出该箱梁单元的刚度矩阵与等效节点力算法,编制了按照刚度法分析的程序。通过与国内外文献的比较,验证了本方法的可靠性。     

Large scale hybrid FRP composite girders for use in bridge structures—theory, test and field application

This paper presents the manufacturing process and testing of large scale hybrid composite girders. The evaluation of the girders was a part of the European funded ASSET project. The bridge project, started in 1998 and finished in the autumn of 2002. The ASSET project has in brief covered the design, manufacture and construction of a fully polymer composite traffic bridge. The longitudinal girders are the most important part for the load carrying system of the bridge. Different types of girders were discussed, i.e. steel, concrete or FRP girders. Due to the advantages of FRP girders, for example; light weight, easy installation, superb durability and less maintenance compared to traditional materials it was decided to use FRP in the girders. However, before this could be carried out, tests were needed to verify theoretical calculations. Also a FE-analysis has been carried out, and this analysis is compared with an engineering analytical solution and tests. Both the numerical and the analytical theory correspond quite well with obtained test results.