波紋鋼腹板連續(xù)梁橋動力特性及抗震性能分析

楊源源

摘要：波紋鋼腹板連續(xù)梁橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具有受力合理、施工方便、經(jīng)濟指標(biāo)好的優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景。我國波紋鋼腹板連續(xù)梁橋的設(shè)計、研究、制造等正處于起步階段，積累不充分，有較多的問題未解決，如剪力滯效應(yīng)、腹板抗震剪性能以及地震響應(yīng)特性等。本文介紹了波紋鋼腹板連續(xù)梁橋的設(shè)計方法，通過動力時程分析了波紋鋼腹板連續(xù)梁橋動力特性及抗震性能。

關(guān)鍵詞：波紋鋼腹板；抗震性能；動力時程分析

波紋鋼腹板橋梁符合現(xiàn)代橋梁“輕質(zhì)、高強、大跨徑”的發(fā)展趨勢，在國內(nèi)越來越被關(guān)注。在梁橋、矮塔斜拉橋等橋型上，波紋鋼腹板梁的優(yōu)勢可以使其成為設(shè)計者一個優(yōu)秀的選擇。在法、日等國已有多座波紋鋼腹板橋梁的建成，國內(nèi)也已初現(xiàn)發(fā)展應(yīng)用前景，但已建成或者在建的橋梁卻寥寥無幾，在理論積累和實踐積仍顯不足。

一、波紋鋼腹板連續(xù)梁橋的設(shè)計

表1列出了國內(nèi)部分已建成通車的波紋鋼腹板梁橋，在建的大跨度波紋鋼腹板梁橋有南京滁河大橋和鄄城黃河公路大橋等。國內(nèi)在建的大跨度波紋鋼腹板梁橋有南京滁河大橋和鄄城黃河公路大橋等。目前已建成的橋梁基本都屬于試驗探索性小跨徑橋梁，施工方式幾乎都采用支架現(xiàn)澆。而在建的國內(nèi)外大跨度波紋鋼腹板梁橋都與成熟高效的懸臂施工或頂推施工方式相結(jié)合，使得其適用性大大擴展。另外該橋型克服了目前混凝土腹板容易出現(xiàn)病害的隱患，并具有施工速度快、減小下部結(jié)構(gòu)規(guī)模和造價的優(yōu)勢。正是基于以上優(yōu)點，并結(jié)合橋址建設(shè)條件，南京長江第四大橋項目中的滁河大橋采用了三跨變截面波紋鋼腹板連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，橋跨布置為 53m + 96m + 53m，橋?qū)?6.75m，單箱單室截面?？缰辛焊?m，根部梁高 6.5m，以 1.6 次拋物線過渡。腹板采用直腹板形式，中心間距為 7.5m，波長1600mm，波高220mm。預(yù)應(yīng)力配束采用體內(nèi)體外混合配束。

波紋鋼腹板橋梁的設(shè)計，與常規(guī)橋梁的設(shè)計流程類似，但也有其特殊的地方。其設(shè)計主要包括四個部分，總體設(shè)計（結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造等）、細(xì)節(jié)設(shè)計（連接與局部受力等）、深入設(shè)計（動力特性等）和耐久性設(shè)計。

波紋鋼腹板橋梁的特殊性，就在于其波折腹板的 風(fēng)琴效應(yīng)，以及與混凝土頂、底板組成的截面拉、壓、彎、剪、扭特性，同時其鋼混連接部位的強度、疲勞、耐 久性等也是需要特別重視的地方。

設(shè)計過程中還要兼顧施工的可行性，如波紋鋼腹板架設(shè)時開口截面的抗扭臨時支撐的設(shè)置等。懸臂施工、頂推等不同的施工方法也會造成總體設(shè)計和構(gòu)造細(xì)節(jié)上的不同。

二、波紋鋼腹板連續(xù)梁橋動力時程分析法

在強震作用下，結(jié)構(gòu)常處于彈塑性的狀態(tài)，同時產(chǎn)生很大的塑性變形，人們由此開始意識到在抗震中結(jié)構(gòu)延性的重要性。動力時程分析法首先需要輸入適當(dāng)?shù)牡卣饎樱渲锌紤]了結(jié)構(gòu)、土和深基礎(chǔ)相互作用、地震波相位差及不同地震波多分量多點輸入等因素，這是因素都是反應(yīng)譜理論不能反應(yīng)出來的，同時采用多節(jié)點多自由度的結(jié)構(gòu)有限元動力計算模型建立地震振動方程，然后利用數(shù)學(xué)計算方法即逐步積分法來求解方程，計算地震過程中結(jié)構(gòu)的瞬時位移、瞬時速度及加速度反應(yīng)，從而得出地震作用下，結(jié)構(gòu)在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構(gòu)件從開裂到嚴(yán)重?fù)p壞最后倒塌的全過程。動力時程分析的計算結(jié)果比其它方法更加接近震害的實際情況，因此，相對反應(yīng)譜法，該方法是公認(rèn)的更為精細(xì)的一種分析方法。

三、波紋鋼腹板連續(xù)梁橋抗震分析

波紋鋼腹板連續(xù)梁橋是一種經(jīng)濟、高效、施工簡便的新型橋梁形式。自從1988年ACSI協(xié)會將波紋鋼腹板連續(xù)梁橋作為橋梁結(jié)構(gòu)進行介紹后，世界各國均圍繞這一新的結(jié)構(gòu)進行研究。

黃小國和胡大林等以一四跨連續(xù)鋼構(gòu)橋為工程背景，研究地震波的輸入組合方式對橋梁抗震的影響，組合方式采用各方向的單波與三向波正交，主梁和橋墩的內(nèi)力增大，墩地位移減小。竹曉華以工程實例某三跨雙線連續(xù)鋼構(gòu)橋為背景，研究發(fā)現(xiàn)可以通過控制橋墩截面的配筋率來滿足規(guī)范要求的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即“小震不壞，大震不倒”。

1990年，德國大學(xué)的對波紋鋼腹板箱梁截面進行了理論和有限元分析，發(fā)現(xiàn)其抗扭常數(shù)不同于平腹板箱梁的抗扭常數(shù)，波紋鋼腹板箱梁截面的抗扭常數(shù)不受翼緣板屈曲的影響，是它的截面翅曲常數(shù)比平面腹板箱梁的要高，并且沿著翼緣板的縱向翅曲減小。

1997年，英國大學(xué)的教授對波紋鋼腹板的腹板進行了幾何優(yōu)化，他對試驗梁進行了純彎、彎剪組合荷載作用下的試驗，并與所建立的有限元模型進行對比計算，推導(dǎo)了計算波紋鋼腹板有效剪切模量的公式

2008年，北京交通大學(xué)的劉保東等人制作了實體波紋鋼腹板試驗箱梁進行了動力試驗，推導(dǎo)了波紋鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)振動的計算方法，并考慮了有橫隔板和無橫隔板的情況，進行了有限元分析對比，表明推導(dǎo)的理論方法具有良好的精度，并提出在跨內(nèi)合理的增設(shè)橫隔板可以提高波紋鋼腹板箱梁橋的抗扭剛度并改善其動力性能的結(jié)論。同年，其又對比分析了試驗數(shù)據(jù)和有限元模型進行對比分析，對于波紋鋼腹板箱梁抗扭剛度比較小的特點，提出了可以增加橫隔板來增加抗扭剛度的方法，發(fā)現(xiàn)在波紋鋼腹板簡支箱梁橋的端部附近適當(dāng)?shù)脑鲈O(shè)橫隔板對改善其抗扭剛度的動力特性效果最明顯。

地震動的隨機性和地面運動在空間上顯著變化決定了橋梁地震反應(yīng)分析必須采用空間有限元分析模式。通過對橋墩，橋面系和邊界條件進行大量的簡化，采用梁單元或桿單元來建立二維或是三維的有限元模型。計算模式的模擬著重于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬：剛度的模擬主要是指桿件的軸向剛度、彎曲剛度、剪切剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的模擬等；質(zhì)量的模擬只要是指桿件的平動質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的模擬。邊界條件的模擬應(yīng)和結(jié)構(gòu)的支撐條件相符合。

結(jié)束語：

近年來，我國地震頻發(fā)，作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)如在地震作用力下發(fā)生破壞，將導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害，危害人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。因此對這種新型橋梁，研究其動力特性和地震反應(yīng)特點，探討其在地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)，為建立合理的抗震結(jié)構(gòu)體系提供科學(xué)依據(jù)，這些都具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1] 李貴勛.波紋鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋動力特性與地震反應(yīng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[2]張長青，安永日，安里鵬.波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)分析[J].橋梁建設(shè)，2011，3：17 - 21.

[3]陳海波.波紋鋼腹板混凝土箱梁動力特性研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.