大跨度波形鋼腹板組合梁橋橫隔板優(yōu)化分析

史愛紅

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

大跨度波形鋼腹板箱梁與同等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相比，腹板剛度小，整體扭轉(zhuǎn)剛度也較小，箱梁整體容易失穩(wěn)。為了保證波形鋼腹板組合箱梁具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度并能實(shí)現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向，需設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的橫隔板[1]。但若橫隔板數(shù)量過(guò)多，不僅增加梁體自重，給施工帶來(lái)困難，還會(huì)失去比混凝土箱梁重量輕的優(yōu)勢(shì)；若橫隔板數(shù)量較少，預(yù)應(yīng)力布設(shè)較困難，箱梁整體的穩(wěn)定性也不易保證。在已建橋梁中，橫隔板間距在9～29m之間。橫隔板不僅影響結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭性能，也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性[2]。因此，對(duì)波形鋼腹板組合梁橋橫隔板的布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化分析十分必要。

1 橋梁設(shè)計(jì)方案

某高速公路大橋位于甘肅省境內(nèi)，橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.20 g，為跨越黃土沖溝的大跨度橋梁[3]?？紤]到地質(zhì)條件較差、抗震要求較高，經(jīng)過(guò)橋梁方案對(duì)比分析，推薦采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)。橋梁跨徑布置為（58+3×100+58）m，橋梁分幅設(shè)置，單幅寬12m；橋墩采用箱型薄壁墩，最大橋高86m，如圖1所示。

主梁?jiǎn)畏捎脝蜗鋯问医孛?，箱梁頂?shù)装迤叫胁贾茫ㄐ武摳拱宕怪辈贾?，箱梁頂寬?2m，底板寬度為6m。梁高和底板厚均采用二次拋物線規(guī)律由跨中向根部變化；跨中梁高3.2m，底板厚0.25m，根部梁高6.8m，底板厚0.8m。箱梁翼緣懸臂3m，懸臂端厚度0.2m，懸臂根部厚度0.7m，主梁典型橫斷面如圖2所示。

2 橫隔板優(yōu)化分析

2.1 全橋有限元模型

采用有限元軟件MIDAS對(duì)波形鋼腹板組合箱梁的力學(xué)性能進(jìn)行分析。箱梁頂板、底板、鋼腹板及橫隔板采用空間板單元模擬，薄壁墩、箱型墩均采用板單元模擬，0、1號(hào)塊采用實(shí)體單元模擬。橋臺(tái)、1號(hào)和4號(hào)橋墩墩頂處梁體可縱向自由活動(dòng)，橫向按剛性約束考慮；2、3號(hào)墩與梁體固結(jié)，橋墩底部固結(jié)，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

通過(guò)改變波形鋼腹板組合箱梁橫隔板數(shù)量，計(jì)算結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率、箱梁應(yīng)力。通過(guò)剛度及應(yīng)力的變化，研究橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律。橫隔板設(shè)置方式具體如下：

（1）全橋不設(shè)置橫隔板；

（2）橫隔板間距約30m，中跨設(shè)2道橫隔板；

（3）橫隔板間距約14m，中跨設(shè)6道橫隔板；

（4）橫隔板間距約9m，中跨設(shè)10道橫隔板；

（5）橫隔板間距約6.7 m，中跨設(shè)14道橫隔板。

2.2 橫隔板優(yōu)化分析

（1）橫隔板對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響

利用有限元模型分析橫隔板設(shè)置的五種情況，其模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。可知隨著橫隔板數(shù)量的增加，波形鋼腹板組合箱梁扭轉(zhuǎn)頻率逐漸增加，當(dāng)橫隔板數(shù)量超過(guò)6道時(shí)，扭轉(zhuǎn)頻率增加幅度降低。結(jié)合造價(jià)、施工難度及剛度影響等因素綜合考慮得出，設(shè)置6～8道橫隔板較為適宜，橫隔板間距宜為10～15m。

圖4 橫隔板數(shù)量-扭轉(zhuǎn)頻率圖

（2）橫隔板對(duì)箱梁翹曲應(yīng)力的影響

根據(jù)薄壁箱梁理論，橫隔板可以有效限制箱梁翹曲變形，減小箱梁翹曲應(yīng)力[4]。利用有限元模型分析橫隔板設(shè)置的五種情況，考慮約束扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和剪力滯效應(yīng)，在恒載、偏心活載作用下五種橫隔板設(shè)置方式的箱梁頂、底板截面峰值應(yīng)力沿橋長(zhǎng)分布情況分別如圖5、圖6所示。

圖5 箱梁頂板上緣正應(yīng)力分布

圖6 箱梁底板下緣正應(yīng)力分布

由圖5、圖6可見，隨著橫隔板數(shù)量的增加，頂板、底板峰值應(yīng)力逐漸減小，箱梁翹曲應(yīng)力逐漸減小，但效果并不明顯。這表明增多橫隔板數(shù)量能夠提高箱梁整體剛度，也可在一定程度上減小翹曲變形和翹曲應(yīng)力。

3 橫隔板優(yōu)化設(shè)計(jì)

本橋采用單室波形鋼腹板組合箱梁，根部梁高為6.8m，支點(diǎn)梁高為3.2m，波形鋼腹板厚度為12～20 cm，底板厚25 cm。根據(jù)對(duì)剛度、應(yīng)力等方面的研究，結(jié)果認(rèn)為橫隔板間距宜為10～15m，本橋箱梁橫隔板間距取12m，橫隔板厚50 cm，主梁及橫隔板布置如圖7、圖8所示。

圖7 波形鋼腹板組合箱梁構(gòu)造（單位：m）

圖8 波形鋼腹板組合箱梁橫隔板局部放大圖（單位：cm）

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)改變波形鋼腹板組合箱梁橫隔板數(shù)量，計(jì)算結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率、箱梁應(yīng)力；通過(guò)剛度及應(yīng)力的變化，研究橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，為將來(lái)該類橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

（1）隨著設(shè)置橫隔板數(shù)量的增加，波形鋼腹板組合箱梁扭轉(zhuǎn)頻率逐漸增加。根據(jù)研究結(jié)果，得出橫隔板間距宜為10～15m。

（2）表明橫隔板數(shù)量的增多能夠提高箱梁整體剛度，頂板、底板峰值應(yīng)力逐漸減小，并一定程度上減小了箱梁的翹曲應(yīng)變和翹曲應(yīng)力。

（3）根據(jù)上述研究成果確定了優(yōu)化后的橫隔板間距設(shè)計(jì)。