褶皺效應(yīng)對新型組合箱梁力學(xué)特性的影響研究

張紫辰，王根會(huì)

褶皺效應(yīng)對新型組合箱梁力學(xué)特性的影響研究

張紫辰1，王根會(huì)2

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

針對新型組合箱梁受腹板褶皺效應(yīng)的影響，力學(xué)特性發(fā)生較大變化的問題，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對這一現(xiàn)象進(jìn)行研究。通過制作模型試驗(yàn)梁，并測試其一階豎向振動(dòng)頻率和在不同荷載作用下跨中翼板應(yīng)力值，建立ANSYS有限元模型對試驗(yàn)值進(jìn)行驗(yàn)證；運(yùn)用有限元軟件分析高跨比、波紋腹板厚度和波折角對組合箱梁動(dòng)力特性的影響。研究結(jié)果表明：模型試驗(yàn)值與有限元解吻合良好，褶皺效應(yīng)對組合箱梁下翼板的應(yīng)力影響最大，達(dá)到15%~21%左右；增大腹板厚度能有效提高組合箱梁總體剛度；增大腹板波折角對結(jié)構(gòu)豎向和橫向振動(dòng)頻率影響較小，但對其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率影響較大；組合箱梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的增大幅度隨其高度的增加逐漸減小。

組合箱梁；褶皺效應(yīng)；模型試驗(yàn)；有限元；動(dòng)力特性

新型組合箱梁是傳統(tǒng)波紋鋼腹板組合箱梁下翼板(RC板)被平鋼板所置換的一種新型結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)充分利用了混凝土頂板抗壓，鋼底板抗拉，以及波形鋼腹板抗剪屈服強(qiáng)度高的特點(diǎn)。實(shí)際上傳統(tǒng)波紋鋼腹板組合箱梁是20世紀(jì)末出現(xiàn)的一種組合結(jié)構(gòu)[1?4]，由于其自重輕，預(yù)應(yīng)力效率高，具有良好的力學(xué)性能有效解決了溫度應(yīng)力和收縮、徐變等因素帶來的結(jié)構(gòu)病害[5?7]。自從1986年法國建成世界上第一座波紋鋼腹板組合箱梁橋—Cognac橋，世界上已建波紋鋼腹板組合箱梁橋達(dá)300余座，而我國已建和在建該類橋梁近40余座[8?11]。然而，這種傳統(tǒng)波紋鋼腹板組合箱梁在正彎矩作用下，混凝土底板受拉，需要張拉較多的預(yù)應(yīng)力束，施工較為復(fù)雜。近年來，我國橋梁工作者又有新的發(fā)現(xiàn)，為了提高施工進(jìn)度、進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重，以及增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)而提出了新型波紋腹板組合箱梁的設(shè)計(jì)。但是，由于該類結(jié)構(gòu)的質(zhì)量主要集中在組合箱梁頂板，故引起其中性軸上移。與傳統(tǒng)組合箱梁相比較，腹板褶皺效應(yīng)對新型組合結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響差異較大。因此，該類組合結(jié)構(gòu)腹板褶皺效應(yīng)的研究變得更為重要。為此制作了新型波紋腹板組合箱梁模型，對其進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，并測試組合箱梁跨中翼板應(yīng)力值和豎向一階振動(dòng)頻率，建立有限元模型模擬試驗(yàn)加載過程，對比分析試驗(yàn)值和計(jì)算值的差異；然后運(yùn)用所建立的有限元模型系統(tǒng)分析褶皺效應(yīng)對新型組合箱梁動(dòng)力特性的影響，以期為組合箱梁的相關(guān)力學(xué)特性研究提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 建立組合箱梁有限元模型

新型波紋腹板組合箱梁如圖1所示。其截面尺寸為：混凝土翼板寬1 100 mm，厚度55 mm，鋼底板寬500 mm，厚度4 mm，波紋鋼腹板高405 mm，腹板厚度3 mm，波長144 mm，波折角37°，水平面板寬40 mm，波形高度24 mm。波紋平面示意如圖2所示。

圖1 新型波紋鋼腹板組合箱梁

圖2 波紋鋼腹板示意圖

(a) 組合箱梁有限元模型；(b) 鋼腹板和橫隔板網(wǎng)格劃分

利用ANSYS有限元軟件建立簡支新型波紋腹板組合箱梁模型如圖3(a)所示，其中C50混凝土選用SOLID65單元模擬，Q390鋼板選用SHELL63模擬[12?13]，考慮到鋼混連接部位要使用MPC方式，增加目標(biāo)單元TARGE170和接觸單元CONTA175。波紋鋼腹板和鋼橫隔板的網(wǎng)格劃分如圖3(b)所示。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 模型梁靜力加載試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所建立的新型波紋腹板組合箱梁有限元模型的準(zhǔn)確性，制作2.6 m等截面簡支組合箱梁的模型試驗(yàn)梁，其計(jì)算跨徑為2.45 m，對模型梁進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，采用跨中集中荷載和滿跨均布荷載兩種方式進(jìn)行，計(jì)算時(shí)集中荷載取=10 kN，均布荷載取=2.79 kN/m。

1) 模型試驗(yàn)梁均布荷載加載工況

首先用鐵塊分層攤鋪，每層均勻放置33塊，因數(shù)量有限，3層鐵塊放完后，用沙袋均勻攤鋪。

2) 模型試驗(yàn)梁集中荷載加載工況

在跨中腹板對應(yīng)的頂板上方加墊塊，再調(diào)平墊塊，保證集中力相等施加在跨中兩側(cè)腹板上方，加載時(shí)0~6 kN按每次1 kN的遞增方式，6~10 kN按0.5 kN的遞增方式。

把試驗(yàn)所得翼板應(yīng)力值與有限元結(jié)果列入表1進(jìn)行對比。

表1 簡支組合箱梁跨中截面翼板應(yīng)力值

從表1可以看出，在不同荷載作用下，通過本文所建立的有限元模型得到的組合箱梁跨中截面翼板應(yīng)力值與室內(nèi)模型試驗(yàn)值吻合良好，說明本文所建立的有限元模型是合理的。

2.2 模型梁振動(dòng)頻率測試

為測試模型梁的振動(dòng)頻率，分別在主梁1/4跨、2/4跨和3/4跨放置拾振器。

將實(shí)測組合箱梁一階豎向振動(dòng)頻率與有限元計(jì)算結(jié)果列入表2進(jìn)行對比。

表2 振動(dòng)頻率對比

從表2可以看出，實(shí)測組合箱梁一階豎向彎曲振動(dòng)頻率與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合，相對誤差為4.38%，由此可知，本文建立的新型波紋腹板組合箱梁有限元分析模型是合理的。同時(shí)在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，由于模型梁的剛度過大及橫向支撐的不確定性，導(dǎo)致通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法難以采集到更多與頻率相關(guān)的數(shù)據(jù)。所以建議今后的試驗(yàn)應(yīng)適當(dāng)減小模型截面尺寸，增大梁的跨度，從而減小其剛度以方便儀器測量。

3 褶皺效應(yīng)對箱梁力學(xué)特性的影響

從前面的分析可知，有限元法模擬精度良好，因而可以利用它對新型波紋腹板組合箱梁的力學(xué)特性進(jìn)行研究。本文基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ土褐饕治鲴薨櫺?yīng)對組合箱梁翼板應(yīng)力、豎向振動(dòng)頻率和豎向撓度的影響，由于模型梁跨度較小，同時(shí)主要研究腹板形狀變化對組合箱梁力學(xué)特性的影響，所以在利用ANSYS有限元軟件分析時(shí)忽略腹板質(zhì)量的 變化。

3.1 褶皺效應(yīng)對組合箱梁翼板應(yīng)力的影響

根據(jù)本文建立的波紋腹板和相同截面尺寸的平鋼腹板組合箱梁有限元模型，分析不同荷載作用下2種簡支組合箱梁跨中截面翼板應(yīng)力的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，不同荷載作用下，2種組合箱梁上下翼板都出現(xiàn)了明顯的剪力滯效應(yīng)，且變化規(guī)律基本保持一致。不同荷載作用下，波紋腹板組合箱梁跨中上翼板正應(yīng)力均小于平鋼腹板組合箱梁，下翼板正應(yīng)力變化規(guī)律與上翼板相反。由于褶皺效應(yīng)的存在，使得組合箱梁上翼板應(yīng)力變化了0.3%~1%左右；褶皺效應(yīng)對組合箱梁下翼板的影響更加顯著，使下翼板應(yīng)力增大了15%~21%左右。

(a) 上翼板；(b) 下翼板

3.2 褶皺效應(yīng)對組合箱梁豎向振動(dòng)頻率的影響

根據(jù)本文建立的2種組合箱梁有限元模型，通過分析計(jì)算，得到各自的主梁一階豎向振動(dòng)頻率，并將計(jì)算結(jié)果列入表3進(jìn)行對比。

從表3可以看出，波紋腹板組合箱梁的一階豎向振動(dòng)頻率小于平鋼腹板組合箱梁，說明受褶皺效應(yīng)的影響，波紋腹板鋼底板組合箱梁豎向剛度明顯減小。

3.3 褶皺效應(yīng)對組合箱梁豎向撓度的影響

根據(jù)本文建立的2種組合箱梁有限元模型，計(jì)算簡支組合箱梁在跨中集中荷載作用下的豎向撓度，結(jié)果如圖5所示。

表3 主梁一階豎向振動(dòng)頻率對比

圖5 集中荷載下2種腹板形式組合箱梁豎向撓度

從圖5可以看出，波紋腹板組合箱梁在跨中集中荷載作用下的豎向撓度大于平鋼腹板組合箱梁，褶皺效應(yīng)對組合箱梁豎向撓度的影響保持在8.5%左右。

4 組合箱梁褶皺效應(yīng)的影響因素

由于影響新型波紋腹板組合箱梁褶皺效應(yīng)的因素較多，本文著重研究波紋鋼腹板厚度和腹板波折角對組合箱梁動(dòng)力特性的影響，以此來反映其各向剛度受褶皺效應(yīng)的影響程度[14]。為使組合箱梁在自由振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)需要研究的振動(dòng)模態(tài)，利用ANSYS有限元軟件建立跨徑為30 m的簡支組合箱梁，其中梁高=2.25 m，1=2=25 cm，3=2.5 cm，1=2=2 m。

4.1 波紋腹板厚度的影響

以本文建立的30 m跨徑組合箱梁有限元模型為基礎(chǔ)，變化波紋腹板厚度t=10~18 mm，保持波折角=37°和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，則新型波紋腹板組合箱梁的豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)一階振動(dòng)頻率隨腹板厚度的變化情況如表4所示。

從表4可以看出，隨著腹板厚度的增加，組合箱梁的豎向一階振動(dòng)頻率、橫向一階振動(dòng)頻率和扭轉(zhuǎn)一階振動(dòng)頻率均逐漸增大，其中扭轉(zhuǎn)一階振動(dòng)頻率增大速率最快，說明增加波紋腹板厚度有助于提高箱梁的整體剛度，特別是扭轉(zhuǎn)剛度得到了很大提升；但當(dāng)t增大到一定程度時(shí)，其對組合箱梁剛度提升的影響逐漸減小。所以工程實(shí)際中應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性對比選擇合適的腹板厚度。

表4 不同腹板厚度下組合箱梁振動(dòng)頻率

單獨(dú)研究高跨比下不同波紋腹板厚度組合箱梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的變化情況，將各因素影響下組合箱梁扭轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6 各因素對組合箱梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響對比

從圖6可以看出，隨著高跨比的增大，不同波紋腹板厚度組合箱梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率呈遞增趨勢，但當(dāng)高跨比增大到一定程度時(shí)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率增幅逐漸減小。

4.2 波紋腹板波折角的影響

以本文建立的30 m跨徑組合箱梁有限元模型為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)際選取波紋腹板波折角27°~60°，保持波紋腹板厚度t=12 mm和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，則組合箱梁的豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)一階振動(dòng)頻率隨腹板波折角的變化情況見表5(表中的振動(dòng)頻率為不考慮鋼腹板質(zhì)量的情況下，組合箱梁在不同腹板波折角下的值)[15]。

表5 不同腹板波折角下組合箱梁振動(dòng)頻率

從表5可以看出，隨著腹板波折角的增加，組合箱梁的豎向一階振動(dòng)頻率逐漸減小，說明增大波折角會(huì)減小組合箱梁的豎向抗彎剛度；橫向一階振動(dòng)頻率隨波折角增大而增大，但變化幅度較??；扭轉(zhuǎn)一階振動(dòng)頻率隨波折角增大而減小，變化幅度較大，說明當(dāng)腹板波折角在27°~60°之間變化時(shí)，組合箱梁扭轉(zhuǎn)剛度有所減小。

5 結(jié)論

1) 褶皺效應(yīng)對新型組合箱梁豎向抗彎剛度和翼板應(yīng)力值影響較大。在集中荷載作用下，對其豎向撓度的影響保持在8.5%左右，對下翼板應(yīng)力的影響最為突出，達(dá)到15%~21%。

2) 適當(dāng)增大腹板厚度，有助于提高組合箱梁的整體剛度，但當(dāng)其增大到一定程度時(shí)，對箱梁剛度提升的貢獻(xiàn)會(huì)降低；隨著腹板波折角增大，組合箱梁的豎向抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度減小，橫向剛度增大；組合箱梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的增大幅度隨其高度的增加逐漸減小。所以，該方面問題應(yīng)該引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的特別關(guān)注。

3) 運(yùn)用本文建立的有限元模型計(jì)算得到的組合箱梁豎向一階振動(dòng)頻率和不同荷載作用下跨中翼板應(yīng)力值與室內(nèi)模型試驗(yàn)值吻合良好，說明本文建立的有限元模型是合理的，同時(shí)也印證了室內(nèi)模型試驗(yàn)方法的正確性。因而，本文所得結(jié)論對該類組合箱梁的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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Study on the influence of folding effect on the mechanical characteristics of new composite box girder

ZHANG Zichen1, WANG Genhui2

(1. Lanzhou Jiaotong University, Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou 730070, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

The mechanical properties of the composite box girder have undergone great changes due to the influence of the webs fold effect. This paper used model test and numerical simulation to study this phenomenon. The model test beam was fabricated, tested the first-order vertical vibration frequency and the stress value of the mid-span plate under different loads. The ANSYS finite element model was established to verify the test values. The finite element software was used to analyze the influence of high-span ratio, corrugated web thickness and wave-angle angle on the dynamic characteristics of composite box girder. The results show that the model test value is in good agreement with the finite element solution. The fold effect has the greatest influence on the stress of the lower wing of the composite box girder, which is about 15%~21%. Increasing the corrugated web thickness can effectively improve the overall stiffness of the composite box girder; Increasing the web corner angle has little effect on the vertical and lateral vibration frequencies of the structure, but it has a great influence on the torsional vibration frequency. Increasing the combined beam height will reduce the influence of the fold effect on the torsional vibration. The increase amplitude of the torsional vibration frequency of the composite box girder decreases with the increase of its height.

composite box girders; fold effect; model test; finite element; dynamic characteristic

U448.27

A

1672 ? 7029(2019)10? 2491 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.015

2018?11?29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51368035)；甘肅省交通廳項(xiàng)目(2016-34)

王根會(huì)(1962?)，男，陜西禮泉人，教授，博士，從事橋梁結(jié)構(gòu)理論、橋梁健康診斷方面研究；E?mail：wahl@mail.lzjtu.cn

(編輯 涂鵬)