公路波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動(dòng)特性的影響參數(shù)

楊 波

(中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 100000)

波形鋼腹板鋼-混組合箱梁是一種新型組合結(jié)構(gòu)。該橋型用較薄的平鋼板代替了傳統(tǒng)的波形鋼腹板箱梁的混凝土底板，減輕了橋梁結(jié)構(gòu)的自重，延長(zhǎng)了橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，有效地節(jié)約全壽命周期成本。該橋型的建設(shè)可落實(shí)綠色發(fā)展理念，有效提升公路橋梁的建設(shè)品質(zhì)，有利于帶動(dòng)當(dāng)?shù)劁摬漠a(chǎn)業(yè)發(fā)展，化解產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外的研究者已經(jīng)對(duì)波形鋼腹板組合梁橋剪力滯效應(yīng)、彎曲性能、扭轉(zhuǎn)畸變、屈曲性能、振動(dòng)特性以及波形鋼腹板的手風(fēng)琴效應(yīng)等進(jìn)行了大量的研究。馬馳等研究了剪力滯效應(yīng)對(duì)波形鋼腹板組合箱梁靜力和動(dòng)力的問(wèn)題的影響[1-2]；ELGAALY等對(duì)波形鋼腹板的彎曲性能和剪切強(qiáng)度進(jìn)行了研究[3-4]；周聰?shù)葘?duì)波形鋼腹板組合梁的扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)進(jìn)行了研究[5-7]；陳水生等通過(guò)有限元模擬的方法對(duì)波形鋼腹板組合梁的振動(dòng)頻率進(jìn)行了研究[8-9]；林夢(mèng)凱等對(duì)波形鋼腹板工字型的手風(fēng)琴效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10]。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)的分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動(dòng)特性的研究還相對(duì)較少。因此，筆者以某波形鋼腹板組合簡(jiǎn)支梁為工程背景，利用ANSYS有限元分析軟件建立了波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的三維有限元模型，采用理論公式對(duì)有限元模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，隨后，分析了波形鋼腹板的類(lèi)型、鋼底板的厚度以及波形鋼腹板的厚度對(duì)振動(dòng)特性的影響。該研究為波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的合理設(shè)計(jì)提供了有利的依據(jù)。

1 工程概況

某公路大橋共設(shè)1條主匝道及9條一般匝道，采用波形鋼腹板鋼-混組合箱梁橋。選取30 m簡(jiǎn)支梁波形鋼腹板鋼-混組合箱梁進(jìn)行研究，其截面形式由2片主梁構(gòu)成，單片箱梁的混凝土頂板寬度為5 m，懸臂板長(zhǎng)度為1.175 m，混凝土頂板的厚度為0.25 m；鋼底板的寬度為3 m，厚度為16 mm，波形鋼腹板的厚度為10 mm?；炷梁弯摬牡膶傩匀绫?所示。

表1 混凝土和鋼材的材料屬性

2 建立波形鋼腹板鋼-混組合箱梁有限元模型

采用ANSYS有限元分析軟件建立了簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的三維模型，如圖1所示。簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的計(jì)算跨徑為29.22 m，箱梁的混凝土頂板采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，波形鋼腹板和鋼底板以及橫隔板采用板殼單元進(jìn)行建模。波形鋼腹板那和鋼底板的連接方式采用共節(jié)點(diǎn)的連接方式，波形鋼腹板和混凝土頂板采用剛性連接。邊界條件為一端采用固定鉸支座，另一端采用活動(dòng)鉸支座。

圖1 波形鋼腹板鋼-混組合箱梁模型

由有限元分析得到簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動(dòng)頻率，列于表2中，前5階自由振動(dòng)的振型圖如圖2所示。

圖2 前五階振型

表2 利用ANSYS有限元計(jì)算的簡(jiǎn)支波形鋼腹板

3 理論公式驗(yàn)證ANSYS模型的正確性

根據(jù)文獻(xiàn)[10]采用Timoshenko理論的彎曲自振頻率計(jì)算公式(1)，計(jì)算簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的彎曲自振頻率。

(1)

由于波形鋼腹板主要承擔(dān)剪力，將發(fā)生很大的剪切變形，剪切變形對(duì)波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動(dòng)頻率的影響較大，而Timoshenko理論的彎曲自振頻率考慮了箱梁的剪切變形效應(yīng)，這與波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的實(shí)際受力更加符合。Timoshenko理論的彎曲自振頻率計(jì)算結(jié)果與ANSYS有限元模型分析結(jié)果比較接近，將兩者的對(duì)比列于表3中。

表3 理論公式(1)與ANSYS有限元結(jié)果對(duì)比

從表3中可以看出，ANSYS有限元模型的分析結(jié)果和Timoshenko理論的彎曲自振頻率計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果很接近，前兩階彎曲振動(dòng)頻率的誤差在4.76 %以?xún)?nèi)，說(shuō)明筆者建立的ANSYS有限元分析模型是正確的。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響

4.1 波形鋼腹板的類(lèi)型對(duì)振動(dòng)特性的影響

假設(shè)波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的截面的尺寸和計(jì)算跨徑保持不變，僅僅改變波形鋼腹板的類(lèi)型。目前國(guó)內(nèi)外的類(lèi)型有1000型、1200型和1600三種，利用ANSYS有限元分析軟件建立了3種有限元模型，計(jì)算的波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動(dòng)頻率如表4所示。

表4 不同波形鋼腹板類(lèi)型計(jì)算的振動(dòng)頻率值 Hz

從表4中可以看出，簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動(dòng)頻率受波形鋼腹板的類(lèi)型的影響不大，可以將其忽略不計(jì)。

4.2 波形鋼腹板的厚度對(duì)自振頻率的影響

為了研究波形鋼腹板的厚度對(duì)振動(dòng)頻率的影響，保持其他參數(shù)不變，僅改變波形鋼腹板的厚度，利用ANSYS有限元分析軟件建立了5種不同波形鋼腹板厚度的分析模型，選取波形鋼腹板的厚度分別為9 mm、10 mm、11 mm、12 mm和13 mm，計(jì)算的波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動(dòng)頻率如表5所示。

表5 不同波形鋼腹板厚度計(jì)算的振動(dòng)頻率值 Hz

從表5中可以看出，簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動(dòng)頻率隨波形鋼腹板的厚度的增加而增大。

4.3 鋼底板厚度對(duì)振動(dòng)頻率的影響

為了研究鋼底板的厚度對(duì)振動(dòng)頻率的影響，保持其他參數(shù)不變，僅改變鋼底板的厚度，利用ANSYS有限元分析軟件建立了5種不同鋼底板厚度的分析模型，選取鋼底板的厚度分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm和22 mm，計(jì)算的波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動(dòng)頻率如表6所示。

從表6中可以看出，簡(jiǎn)支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動(dòng)頻率隨鋼底板的厚度的增加而增大。

5 結(jié)論

(1)波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的ANSYS分析模型計(jì)算的前兩階彎曲振動(dòng)頻率值與Timoshenko理論計(jì)算值的誤差在5 %以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了ANSYS有限元模型的正確性。

表6 不同鋼底板厚度計(jì)算的振動(dòng)頻率值 Hz

(2)通過(guò)研究波形鋼腹板的類(lèi)型，波形鋼腹板的厚度以及鋼底板的厚度對(duì)波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動(dòng)頻率的影響可知，波形鋼腹板的類(lèi)型對(duì)波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動(dòng)頻率的影響較小，波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動(dòng)頻率隨波形鋼腹板的厚度和鋼底板的厚度的增加而增大。

(3)工程實(shí)際中，應(yīng)當(dāng)合理選取波形鋼腹板那的厚度和鋼底板的厚度，研究成果可為波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的動(dòng)力分析提供一定的參考依據(jù)。