薄壁简支箱梁的弯曲振动频率研究

为更准确地分析简支箱梁弯曲振动频率,基于薄壁箱梁弯曲理论,采用一个剪切翘曲参数来综合表达翼板和腹板的剪切变形。首先运用能量原理,推导了考虑面内剪切效应时的总弯曲势能;然后基于Hamilton原理,分别导出考虑和不考虑箱梁转动动能的弯曲振动控制微分方程及相应的自然边界条件。为避免求解高次微分方程的复杂计算,通过分析简支箱梁的自然边界条件,采用伽辽金法求出满足边界条件的广义位移函数w(z,t)和g(z,t),从而方便地导出了简支箱梁弯曲振动频率的解析计算表达式。以某简支直腹板箱形截面梁作为数值算例采用以下4种方法计算该箱梁前5阶竖向弯曲振动频率:(1)运用ANSYS的beam189梁单元建立该简支箱梁考虑截面剪切效应的有限元模型;(2)采用shell 63壳单元建立该简支梁的空间有限元模型;(3)笔者所推导的分别考虑和不考虑箱梁转动动能时的两种解析公式。将以上4个计算结果进行对比分析,验证了解析公式的正确性,同时得出梁的转动动能对箱梁弯曲自振特性的影响较小,可忽略。最后分析了剪切变形对箱梁竖向弯曲振动频率的影响,结果表明翼板的剪切变形对箱梁弯曲振动频率的影响小于腹板剪切变形的影响;剪切变形对箱梁竖向弯曲振动频率的影响,随着跨高比的增加而减小,随着频率阶数的增加而增大。