淺談截面形式對波紋鋼腹板橋梁動力特性的影響

鳳躍森

摘 要：波紋鋼腹板橋梁的作用日益突出，因動力特性頗為重要，成了研究的重點。截面形式與橋梁動力特性有著密切關(guān)系，主要對此進行了探究。首先闡述了波紋鋼腹板橋梁的現(xiàn)狀，然后利用有限元法，通過建立相關(guān)模型，對不同截面形式的影響進行了分析。

關(guān)鍵詞：截面形式；波紋鋼腹板；動力特性

引 言

隨著橋梁建設(shè)行業(yè)的發(fā)展，材料及橋梁結(jié)構(gòu)也在不斷改進。波紋鋼腹板箱梁是一種新橋梁結(jié)構(gòu)，主要包括波紋鋼腹板、預(yù)應(yīng)力鋼筋、混凝土頂板底板幾部分。傳統(tǒng)橋梁鋼結(jié)構(gòu)以平腹板H型鋼為主，易出現(xiàn)局部變形的情況。而波紋鋼腹板則是腹板為波紋形的H型鋼，其承受能力及抗剪抗彎性更好，在當前備受關(guān)注。雖然相關(guān)研究較多，但集中于靜力方面，對其動力特性研究不足，是今后研究的重點工作。動力性能與橋梁質(zhì)量密切相關(guān)，受截面形式影響較大，所以有必要通過截面形式的變化來探究其動力特性。

1 波紋鋼腹板橋梁的應(yīng)用現(xiàn)狀及動力特性

隨著交通壓力的增加，橋梁需承受更大的荷載，以往結(jié)構(gòu)方式的弊端日益顯露。波紋鋼腹板箱梁橋迅速興起并發(fā)展起來，與過去所采用的結(jié)構(gòu)方式相比，具有諸多優(yōu)勢，可有效解決以前出現(xiàn)的問題。如自重較輕，使得下部結(jié)構(gòu)承受的荷載大幅下降，從而施工更加方便，而且有利于節(jié)約成本。波紋鋼腹板不抵抗軸向力，可使預(yù)應(yīng)力有效地加載于混凝土翼緣板上，提高了預(yù)應(yīng)力效率。因其結(jié)構(gòu)受力及施工性能較好，為工程質(zhì)量提供了重要保障，可帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。所以值得推廣使用。

橋梁的動力特性對施工技術(shù)、施工進度以及最終質(zhì)量都有著較大影響，可通過對動力特性的研究，及時掌握橋梁有關(guān)信息。因波紋鋼腹板箱梁橋發(fā)展歷史較短，理論和技術(shù)方面都尚不成熟，而目前關(guān)于此方面的研究也極其有限。所以有必要展開對動力特性的研究。

2 建立波紋鋼腹板模型

世界上第一座波紋鋼腹板式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)合箱梁橋建成于上世紀80年代中期，此技術(shù)在國外應(yīng)用較多，在國內(nèi)則起步較晚，發(fā)展速度也慢。在此以國內(nèi)某座使用波紋鋼腹板箱梁的橋梁為例，對其進行研究。主要探討的是不同截面形式造成的不同影響，所以選擇了3種形式：①普通混凝土箱梁；②單箱雙室波紋鋼腹板箱梁；③雙箱雙室波紋鋼腹板箱梁。使用的是C50混凝土，波紋鋼腹板為Q345鋼材，厚12mm。分析方法則采用有限元的方法。

根據(jù)箱梁實際構(gòu)造特點，每間隔5m就設(shè)置一道混凝土橫隔板，厚度為30cm；通過有限元分析程序建立起跨度為51.2m的不同截面形式箱梁的有限元模型。波紋鋼腹板為板單元，混凝土頂/底板則為實體單元。從這三種截面形式的對比分析結(jié)果來看，其質(zhì)量依次為1620t、1300t、910t。可見，與普通混凝土腹板箱梁相比，波紋鋼腹板箱梁的質(zhì)量較輕，截面形式為單箱雙室的波紋鋼腹板要輕320t，有利于減輕梁體自重以及對底部的荷載。就波紋鋼腹板而言，截面形式不同，自重也有差異。單箱雙室較重，雙箱雙室則相對較輕，要輕近400t，但鋼材使用量較多，遠超出單箱雙室的形式。所以兩者的經(jīng)濟性能并不明顯。

3 波紋鋼腹板橋梁動力特性

3.1 比 較

選取橋的前四階振型依次對這3種形式的橋進行計算，根據(jù)計算結(jié)果分析各自的自振特性：①普通混凝土。第一階振型的自振頻率為2.324Hz，形狀為豎向彎曲振動；第二階、第三階和第四階振型的自振頻率依次為6.532Hz、7.316Hz、8.895Hz。振型形狀分別為水平平動、豎向二階彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動；②單箱雙室波紋鋼腹板箱梁。第一階振型的自振頻率為2.365Hz，形狀為豎向彎曲振動；第二階、第三階和第四階振型的自振頻率依次為6.602Hz、6.782Hz、7.244Hz。振型形狀分別為水平平動、豎向二階彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動；③雙箱雙室波紋鋼腹板箱梁。第一階振型的自振頻率為2.942H，形狀為豎向彎曲振動；第二階、第三階和第四階振型的自振頻率依次為6.537Hz、8.635Hz、8.922HzHz。振型形狀分別為扭轉(zhuǎn)振動、豎向二階彎曲振動、水平平動。

3.2 結(jié)果分析

（1）如果沒有橫隔板，普通混凝土箱梁在第4階振型發(fā)生縱向扭轉(zhuǎn)，而波紋鋼腹板則在第2階振型發(fā)生縱向扭轉(zhuǎn)。說明前者的抗扭剛度比后者高。而設(shè)置橫隔板可使梁的抗扭剛度有所增加，所以在此每隔5m就設(shè)置有橫隔板。從前面的分析可知，與普通混凝土箱梁相比，波紋鋼腹板的自重較輕。這一優(yōu)勢使得地震發(fā)生時箱梁對底墩的作用力大大減小。

（2）設(shè)置橫隔板后，截面形式相同而箱梁結(jié)構(gòu)不同的情況下，普通混凝土和波紋鋼腹板單箱雙室的自振形狀大致相同。在第4階扭轉(zhuǎn)振動時，兩者的自振頻率有差距，普通混凝土箱梁的自振頻率為8.895，而波紋鋼腹板單箱雙室箱梁的自振頻率較低，為7.244。這就意味著在截面形式相同時，就扭轉(zhuǎn)剛度而言，波紋管腹板箱梁相對較弱，不如普通混凝土箱梁。

（3）設(shè)置橫隔板后，截面形式不相同的情況下，自振特性呈現(xiàn)出明顯的差異性。單箱雙室和雙箱雙室的基頻形狀比較接近，但后者的豎向剛度較大，所以其基頻數(shù)值要高于前者。就扭轉(zhuǎn)振型而言，單箱雙室波紋鋼腹板在第4階出現(xiàn)，而雙箱雙室波紋鋼腹板出現(xiàn)在第2階，且前者的扭轉(zhuǎn)頻率比后者要高。這意味著雙箱雙室截面的扭轉(zhuǎn)剛度不如單箱雙室，其整體性較差。

4 鋼腹板參數(shù)與橋梁厚度之間的關(guān)系

在試驗分析中還發(fā)現(xiàn)，鋼腹板的厚度、水平長度等參數(shù)同樣影響著橋梁的動力特性。就其厚度來說，鋼腹板越厚，箱梁的豎向和橫向振動頻率以及扭轉(zhuǎn)振動頻率越高。當鋼腹板厚度達到一定值時，扭轉(zhuǎn)頻率不再上升且呈現(xiàn)出下降趨勢。這表明在一定的范圍內(nèi)，隨著板厚度的增加，箱梁強度會有所增長；一旦超出了此范圍，箱梁剛度會隨之減少。

從鋼腹板的水平面板長度來說，水平面板越長，箱梁的豎向和橫向振動頻率、扭轉(zhuǎn)振動頻率越高，同時鋼腹板的外剛度會逐漸增加。同樣在增加到一定的值后，開始出現(xiàn)下降的趨勢。所以要適當控制水平面長度，對其范圍進行優(yōu)化。

從鋼腹板折角來看，對橋梁的動力特性也影響較深，隨著折角的逐漸變大，箱梁豎向振動頻率會越來越少。但面外剛度會有所加強，所以箱梁的抗扭剛度也會提高。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代化橋梁施工工藝較為復(fù)雜，對其質(zhì)量要求更高，在不斷創(chuàng)新改進中，波紋鋼腹板箱梁橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越多。其動力特性關(guān)系重大，與截面形式密切相關(guān)，在此分析了幾種不同的截面形式帶來的不同影響。雖然波紋鋼腹板橋梁具有諸多優(yōu)勢，但其抗扭剛度不如普通混凝土橋梁。在實際設(shè)計時，需重視動力特性，特別是扭轉(zhuǎn)性能。

參考文獻

[1]李鵬飛，劉保東，肖英楠.截面形式對波紋鋼腹板橋梁動力特性的影響[J].北京交通大學學報，2010，20（3）：132～133.

[2]李家承.淺析波紋鋼腹板橋梁的配筋設(shè)計[J].城市建筑，2013，22（14）：109～110.

[3]李玉華.橋跨比對波紋鋼腹板組合箱梁橋動力特性的影響[J].山西建筑，2014，25（12）：182～184.

[4]張健，周燁.腹板幾何參數(shù)對波紋鋼腹板橋梁動力特性的影響[J].北方交通，2011，20（7）：176～178.