高寧

【摘要】為研究橫隔板對鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能的影響規(guī)律，文章以跨徑為（57.8 m+3×100 m+57.8 m）的某高速公路鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用MIDAS有限元分析軟件建立了該橋的有限元模型，分析了橫隔板數(shù)量對鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋自振周期的影響。研究結(jié)果表明：在動(dòng)荷載作用下，縱橋向和橫橋向的位移變形大于扭轉(zhuǎn)變形;一階振動(dòng)周期的增加與橫隔板設(shè)置數(shù)量呈正比;橫隔板設(shè)置數(shù)量的增加對橋梁振動(dòng)周期的影響幅度隨振動(dòng)階數(shù)的增大呈減小趨勢。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程; 鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu); 動(dòng)力性能; 橫隔板; 有限元

【中國分類號】U441+.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

波形鋼腹板混凝土組合箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋因其跨越能力強(qiáng)、抗震性能好和環(huán)保優(yōu)越性高等特點(diǎn)，受到了橋梁設(shè)計(jì)師的青睞[1]。

李立峰等[2]考慮波形鋼腹板組合箱梁橋梁底線形變化，推導(dǎo)了變截面波形鋼腹板組合箱梁橋腹板剪應(yīng)力的計(jì)算公式，并通過有限元值驗(yàn)證了所推導(dǎo)公式的正確性;曾勇等[3]通過三維有限元模型對比了傳統(tǒng)變截面箱梁和波形鋼腹板PC連續(xù)梁橋的腹板剪切、混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失等因素對兩橋的影響;趙國虎等[4]較為全面的論證了波形鋼腹板-PC組合梁橋較傳統(tǒng)混凝土橋、鋼橋在施工、受力特性及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢;唐楊等[5]通過Midas FEA分析了波形腹板變波高布置對波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)增加波形鋼腹板的波高同時(shí)降低厚度，可有效增大波形鋼腹板的抗扭性能;桂水榮等[6]通過有限元分析軟件ANSYS研究了截面形式、橫隔板布置方式及橫向約束方式等因素對波形鋼腹板箱梁橋的動(dòng)力特性的影響，研究結(jié)果表明橫向約束方式對波形鋼腹板組合箱梁橋的橫向剛度有著顯著的影響;賀君等[7-8]對波形鋼腹板箱梁橋在內(nèi)襯混凝土、預(yù)應(yīng)力、單板寬度等因素影響下的受力性能進(jìn)行了分析研究。

通過以上研究成果可看出，國內(nèi)對于波形鋼腹板組合梁橋的研究大都集中于簡支梁橋和連續(xù)梁橋的受力性能分析，而針對波形鋼腹板組合箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋的研究較少，尤其是橫隔板對波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能的影響方面的研究更少。因此本文通過有限元分析軟件Midas civil建立了某計(jì)算跨度為416 m的波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋的有限元模型，研究了橫隔板對該橋梁動(dòng)力特性的影響，研究所得結(jié)論可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本項(xiàng)目以某高速公路（57.8 m+3×100 m+57.8 m）鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，該橋?yàn)樽兘孛?跨預(yù)應(yīng)力波形腹板鋼箱-連續(xù)鋼構(gòu)梁橋，橋梁分左、右兩幅，主橋全寬24.5 m（0.5 m混凝土護(hù)欄+10.75 m行車道+0.75 m波形護(hù)欄+0.5 m中央分隔帶+0.75 m波形護(hù)欄+10.75 m行車道+0.5 m混凝土護(hù)欄），設(shè)計(jì)荷載為公路-I級，橋面縱坡按縱斷面縱坡為1.29 %，橋面橫坡按雙幅橋，每幅橋設(shè)2 %的單向橫坡設(shè)計(jì)。波形鋼腹板為800型，波高為220 cm，材料為Q345c鋼板。其立面圖和邊跨、墩頂截面構(gòu)造圖如圖1所示。主梁混凝土為C50混凝土，橋墩混凝土為C40混凝土。

2 有限元模型的建立

采用三維有限元分析軟件Midas civil建立全橋有限元模型，全橋采用梁單元進(jìn)行模擬，共建立174個(gè)節(jié)點(diǎn)和165個(gè)單元。為準(zhǔn)確模擬下部結(jié)構(gòu)的樁土效應(yīng)，采用集中質(zhì)量法和m法相結(jié)合的方法求解土彈簧的剛度，求得①～④墩的墩底彈簧剛度為351 308 kN/m、4 859 651 kN/m、4 859 651 kN/m、3 364 646 kN/m。所建立有限元模型如圖2所示。前60階振動(dòng)頻率中累計(jì)參與的質(zhì)量如圖3所示。

3 橫隔板優(yōu)化

波形鋼腹板與混凝土腹板相比剛度較小，所以波形鋼腹板組合梁具有相對較小的扭轉(zhuǎn)剛度，因此為了保證箱梁在懸臂施工期間及運(yùn)營期間有較好的穩(wěn)定性，該橋型應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量的橫隔板，以提高施工及運(yùn)營時(shí)期的結(jié)構(gòu)剛度。波形鋼腹板組合梁因設(shè)置有體外預(yù)應(yīng)力索，需要有轉(zhuǎn)向構(gòu)件，考慮到預(yù)應(yīng)索的變化范圍較大，所以也需要設(shè)計(jì)橫隔板來進(jìn)行預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向。如果橫隔板設(shè)置數(shù)量過多，則梁體自重將會大大增加，也給施工帶來不便，與混凝土箱梁相比自重輕的優(yōu)勢會就得不到體現(xiàn);如果橫隔板設(shè)置較少，箱梁整體穩(wěn)定不易保證。于是根據(jù)波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的研究成果，橫隔板不僅影響結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭性能，也會影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。因而，波形鋼腹板組合梁橋橫隔板的設(shè)置需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 自振模態(tài)對結(jié)構(gòu)位移變形的影響

前6階自振頻率、周期和振型特征如表1所示，前6階振型如圖4所示。波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)梁橋的前2階振型為縱向移動(dòng)及側(cè)向彎曲，且它們的周期非常接近，所以橋梁在這兩個(gè)方向的動(dòng)力變形較容易，變形量較大。側(cè)向彎曲和豎向彎曲的自振模態(tài)形式很多，所以這兩個(gè)方向的動(dòng)力變形形式很復(fù)雜，但波形腹板鋼箱-連續(xù)鋼構(gòu)梁橋由于抗扭剛度較大，在動(dòng)力作用下難以發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

從圖4可以看出，從波形腹板鋼箱-連續(xù)鋼構(gòu)梁橋的自振模態(tài)來看，結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下，較容易發(fā)生縱橋向及橫橋向位移變形，其次是豎向位移變形，但一般不會發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。

3.2 橫隔板對結(jié)構(gòu)自振周期影響對比分析

只改變波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)橋的橫隔板的數(shù)量，其他條件保持不變，將其自振周期進(jìn)行對比分析，如表2所示。

從表2可以看出：隨著波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)梁橋設(shè)置橫隔板數(shù)量增加，整體結(jié)構(gòu)各階自振周期均有一定程度增加。最大增幅在第一階;設(shè)兩橫隔板時(shí)，比不設(shè)置時(shí)自振周期增大0.027 5 s，增大1.03 %;而主孔設(shè)十道橫隔板時(shí)，比不設(shè)置時(shí)自振周期增大0.093 9 s，相對增大3.5 %;所有橫隔板設(shè)置方式結(jié)構(gòu)到第3階時(shí)，隨著隔板數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)自振周期相對前兩階大幅減少，如主孔設(shè)十道橫隔板較不設(shè)置時(shí)增加0.06 s，但與這階模態(tài)相對應(yīng)的自振周期增加比例為4.7 %，也在減小;隨著模態(tài)階數(shù)的增加，橫隔板增加的效應(yīng)會越來越小，最后幾乎不影響。

4 結(jié)論

（1）波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋在動(dòng)荷載作用下，縱橋向和橫橋向的位移變形較大，扭轉(zhuǎn)變形較小。

（2）橫隔板設(shè)置數(shù)量的增加與波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋一階振動(dòng)周期的變化呈正比。

（3）橫隔板設(shè)置數(shù)量的增加對波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋振動(dòng)周期的影響幅度隨振動(dòng)階數(shù)的增大呈減小趨勢。

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