內(nèi)襯混凝土對波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響

牟 開

（山西省交通科學(xué)研究院 太原市 030006）

內(nèi)襯混凝土對波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響

牟 開

（山西省交通科學(xué)研究院 太原市 030006）

以日本本古橋為背景，采用有限元分析軟件Midas/Civil建立波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶓w單元模型，研究內(nèi)襯混凝土設(shè)置對波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響。研究結(jié)果表明：內(nèi)襯混凝土的設(shè)置，使得波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋的扭轉(zhuǎn)剛度降低，扭轉(zhuǎn)頻率減??；內(nèi)襯混凝土厚度增加，扭轉(zhuǎn)剛度降低；內(nèi)襯混凝土縱橋向長度增加，扭轉(zhuǎn)剛度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。在波紋鋼腹板剛構(gòu)橋設(shè)計時，不僅僅要考慮內(nèi)襯混凝土對墩上塊應(yīng)力傳遞的改善，而且應(yīng)考慮內(nèi)襯混凝土的設(shè)置對其動力特性的影響。

連續(xù)剛構(gòu)橋；波紋鋼腹板；自振頻率；內(nèi)襯混凝土

波紋鋼腹板組合箱梁橋是國內(nèi)外新興的組合結(jié)構(gòu)橋梁，具有自重小、抗震性能好、預(yù)應(yīng)力效率高等優(yōu)點［1-3］。它采用波紋鋼腹板代替普通混凝土腹板，箱梁自重減輕20%左右；腹板采用波紋鋼腹板，有效解決傳統(tǒng)混凝土箱梁腹板開裂這一病害，提高了腹板的耐久性；波紋鋼板的手風(fēng)琴效應(yīng)，可以提高預(yù)應(yīng)力效率。

當(dāng)波紋鋼腹板組合橋梁的跨徑較大時，箱梁根部截面高度相應(yīng)較高，設(shè)計中一般考慮在墩頂附近波紋鋼腹板內(nèi)側(cè)澆注混凝土以形成組合腹板結(jié)構(gòu)，這部分混凝土被稱為內(nèi)襯混凝土［4］，構(gòu)造示意圖如圖1所示。

目前在波紋鋼腹板組合梁橋墩頂附近澆注內(nèi)襯混凝土的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，對于內(nèi)襯混凝土的受力性能已進行了較為深入的研究，并取得了一些研究成果［5-6］。但內(nèi)襯混凝土的設(shè)置對波紋鋼腹板組合梁橋動力特性的影響鮮見相關(guān)研究。針對這種現(xiàn)狀，本文通過Midas/Civil建立波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶓w單元模型研究內(nèi)襯混凝土設(shè)置對波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響。

1　橋梁概況及有限元模型建立

本谷橋為日本北海道北陸汽專用公路中央位置處的波形鋼腹板組合箱梁橋，為世界第一座波形鋼腹板剛構(gòu)橋，它的結(jié)構(gòu)形式為3跨連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為：44.013m+97.202m+55.978m。主梁結(jié)構(gòu)截面形式為波形鋼腹板混凝土變截面單箱單室組合箱梁（見圖2）。主要材料參數(shù)：箱梁的頂、底板混凝土采用C60混凝土，箱梁采用直腹板形式，鋼腹板采用Q345等級鋼材，厚度為8mm（見圖3）。

本文利用有限元軟件MIDAS/Civil建立波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶓w單元模型。對橋墩單元約束底部的全部自由度，梁墩之間共節(jié)點模擬墩梁固結(jié)，邊跨兩端的邊界約束豎向位移、橫向位移及扭轉(zhuǎn)位移，縱向不約束，不考慮樁土共同作用。內(nèi)襯混凝土和鋼腹板的連接在有限元中采用共節(jié)點模擬。有限元模型如圖4所示。

2 內(nèi)襯混凝土設(shè)計

河南省地方標準［7］《公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計規(guī)范》（DB 41/T 643-2010）中規(guī)定：

（1）波形鋼腹板組合箱梁宜在橋墩臺頂橫隔梁外一定范圍內(nèi)采用波形鋼腹板內(nèi)襯混凝土的組合結(jié)構(gòu)；

（2）對與波形鋼腹板連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，當(dāng)橋梁各跨跨徑相差很大時，小跨徑可采用波形鋼腹板內(nèi)襯混凝土來平衡大跨徑的內(nèi)力；

（3）內(nèi)襯混凝土厚度不宜小于200mm；

（4）波形鋼腹板與內(nèi)襯混凝土的連接主要采用焊釘連接件。

3 內(nèi)襯混凝土設(shè)置對波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響

波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋的支點附近，要設(shè)置一段混凝土里襯，使波紋鋼腹板與墩上塊箱梁混凝土連成一體，使作用于支點截面附近的應(yīng)力圓滑地向有波紋鋼腹板的截面?zhèn)鬟f；當(dāng)波紋鋼腹板和墩上塊箱梁混凝土連成一體之后，使得波紋鋼腹板剛構(gòu)橋在墩上塊附近的一體性增強，使結(jié)構(gòu)的動力特性發(fā)生變化。因此本文研究內(nèi)襯混凝土的設(shè)置位置、厚度t以及縱橋向長度l對波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響。

3.1內(nèi)襯混凝土設(shè)置位置的影響

內(nèi)襯混凝土的材料性質(zhì)與頂、底板相同。保持箱梁截面不變，在兩橋墩墩上塊設(shè)置內(nèi)襯混凝土，厚度為300mm、縱橋向長度為2400mm（波紋鋼板一個波長為1200mm），其設(shè)置位置分別設(shè)在墩上塊邊跨側(cè)、墩上塊中跨側(cè)、墩上塊兩側(cè)。采用有限元軟件對其進行計算，計算結(jié)果見表1。

表1　內(nèi)襯混凝土設(shè)置在不同位置時波紋鋼腹板剛構(gòu)橋的動力特性

由表1可以看出無論是在哪側(cè)設(shè)置內(nèi)襯混凝土，都表明：加設(shè)內(nèi)襯混凝土后會降低箱梁的扭轉(zhuǎn)振動頻率和縱橋向頻率，提高其豎向振動頻率；在邊跨側(cè)設(shè)置以及兩側(cè)均設(shè)內(nèi)襯混凝土?xí)r，橫向頻率會增大，而設(shè)置在中跨測時，橫向頻率降低；內(nèi)襯混凝土的加設(shè)位置影響到箱梁的扭轉(zhuǎn)振動頻率，在邊跨側(cè)和中跨側(cè)均設(shè)置內(nèi)襯混凝土?xí)r，扭轉(zhuǎn)頻率最低。

3.2內(nèi)襯混凝土厚度的影響

內(nèi)襯混凝土的材料性質(zhì)與頂、底板相同。保持箱梁截面不變，在兩橋墩墩上塊設(shè)置內(nèi)襯混凝土，縱橋向長度為2400mm，最小厚度t依次取為300mm、400mm、500mm、600mm，其設(shè)置位置設(shè)在墩上塊兩側(cè)。采用有限元軟件對其進行計算，計算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，隨著內(nèi)襯混凝土厚度t的增加，波紋鋼腹板剛構(gòu)橋的扭轉(zhuǎn)頻率逐漸減小，橫向頻率和縱橋向頻率也隨之減小，但豎向頻率逐漸增大。也就是說雖然采用適當(dāng)厚度的內(nèi)襯混凝土能夠使墩上塊應(yīng)力有效地向腹板傳遞，但隨著厚度的增加，箱梁的扭轉(zhuǎn)剛度逐漸降低，減小箱梁的扭轉(zhuǎn)頻率。

表2　厚度　t不同時波紋鋼腹板剛構(gòu)橋的動力特性

3.3內(nèi)襯混凝土縱橋向長度的影響

內(nèi)襯混凝土的材料性質(zhì)與頂、底板相同。保持箱梁截面不變，在兩橋墩墩上塊設(shè)置內(nèi)襯混凝土，內(nèi)襯混凝土厚度為300mm，縱橋向長度l依次取為1200mm、2400mm、3600mm、4800mm，其設(shè)置位置設(shè)在墩上塊兩側(cè)。采用有限元軟件對其進行計算，計算結(jié)果見表3。

表3　縱橋向長度　l不同時波紋鋼腹板剛構(gòu)橋的動力特性

由表3可以看出，隨著內(nèi)襯混凝土縱橋向長度l的增加，橫向頻率和縱橋向頻率逐漸減小，豎向頻率增大；箱梁的扭轉(zhuǎn)頻率先減小后增大，因為隨著內(nèi)襯混凝土縱橋向長度增加，波紋鋼腹板箱梁也逐漸向混凝土腹板箱梁發(fā)展，扭轉(zhuǎn)剛度增加。

4 結(jié)語

依據(jù)現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范規(guī)定，通過改變內(nèi)襯混凝土的設(shè)置位置、內(nèi)襯混凝土最小厚度和內(nèi)襯混凝土縱橋向長度，研究波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋在不同內(nèi)襯混凝土設(shè)置下的動力特性。主要結(jié)論有：

（1）波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋的支點附近，設(shè)置一段混凝土里襯，使波紋鋼腹板與墩上塊箱梁混凝土腹板連成一體，使得作用于支點截面附近的應(yīng)力圓滑地向有波紋鋼腹板的截面?zhèn)鬟f。

（2）內(nèi)襯混凝土的設(shè)置，使得波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋的扭轉(zhuǎn)剛度降低，扭轉(zhuǎn)頻率減小。并且隨著內(nèi)襯混凝土厚度的增加，扭轉(zhuǎn)剛度也隨之降低；而內(nèi)襯混凝土在縱橋向的長度的增加，扭轉(zhuǎn)剛度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

（3）在波紋鋼腹板剛構(gòu)橋設(shè)計時，不僅僅要考慮內(nèi)襯混凝土對墩上塊應(yīng)力傳遞的改善，而且應(yīng)考慮內(nèi)襯混凝土的設(shè)置對其動力特性的影響。

［1］ 劉磊，錢冬生.波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力結(jié)合梁橋［J］.國外公路，1999，19（1）：26-30.

［2］ 宋建永，王彤，張樹仁.波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋［J］.東北公路，2002，25（1）：38-40.

［3］ 波形鋼腹板PC組合箱梁橋的施工［J］.山西交通科技，2007（5）：54-56.

［4］ 陳宜言，王用中.波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計與施工［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［5］ 劉朵，楊丙文，張建東，萬水.波形鋼腹板組合橋梁內(nèi)襯混凝土抗剪性能研究［J］.世界橋梁，2013，41（6）.

［6］ 波形鋼腹板PC組合箱梁橋內(nèi)襯混凝土鋼混組合段抗剪驗算［J］.公路，2013，12（12）：91-96.

［7］ 河南省地方標準.DB41/T 643-2010公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計規(guī)范［S］：鄭州：河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2010.

Influence of Lining Concrete on Dynamic Properties of Continuous Rigid Frame Bridge with Corrugated Steel Web

MU Kai

（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China）

Taking an ancient bridge in Japan as the background，a solid element model of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is built by adopting a software of finite element analysis Midas/Civil，so asto study the influence of setup of lining concrete on dynamic properties of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web.The research result shows that：the torsional rigidity of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is reduced and the torsional frequency is decreased due to the setup of lining concrete；the thickness of lining concrete is increased，and the torsional rigidity is reduced；the longitudinal length of lining concrete is increased，and the torsional rigidity presents a tendency of first decreased and then increased.When performing the design on continuous rigid frame bridge with corrugated steel web，we should consider not only the improvement of lining concrete on stress transfer of block on the pier，but also the influence of setup of lining concrete on its dynamic properties.

Continuous rigid frame bridge；Corrugated steel web；Natural frequency of vibration；Lining concrete

U441

A

1673-6052（2016）01-0029-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.007