橫隔板對(duì)鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能的影響

高寧

【摘要】為研究橫隔板對(duì)鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能的影響規(guī)律，文章以跨徑為（57.8 m+3×100 m+57.8 m）的某高速公路鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕IDAS有限元分析軟件建立了該橋的有限元模型，分析了橫隔板數(shù)量對(duì)鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋自振周期的影響。研究結(jié)果表明：在動(dòng)荷載作用下，縱橋向和橫橋向的位移變形大于扭轉(zhuǎn)變形;一階振動(dòng)周期的增加與橫隔板設(shè)置數(shù)量呈正比;橫隔板設(shè)置數(shù)量的增加對(duì)橋梁振動(dòng)周期的影響幅度隨振動(dòng)階數(shù)的增大呈減小趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程; 鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu); 動(dòng)力性能; 橫隔板; 有限元

【中國(guó)分類號(hào)】U441+.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

波形鋼腹板混凝土組合箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋因其跨越能力強(qiáng)、抗震性能好和環(huán)保優(yōu)越性高等特點(diǎn)，受到了橋梁設(shè)計(jì)師的青睞[1]。

李立峰等[2]考慮波形鋼腹板組合箱梁橋梁底線形變化，推導(dǎo)了變截面波形鋼腹板組合箱梁橋腹板剪應(yīng)力的計(jì)算公式，并通過有限元值驗(yàn)證了所推導(dǎo)公式的正確性;曾勇等[3]通過三維有限元模型對(duì)比了傳統(tǒng)變截面箱梁和波形鋼腹板PC連續(xù)梁橋的腹板剪切、混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失等因素對(duì)兩橋的影響;趙國(guó)虎等[4]較為全面的論證了波形鋼腹板-PC組合梁橋較傳統(tǒng)混凝土橋、鋼橋在施工、受力特性及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì);唐楊等[5]通過Midas FEA分析了波形腹板變波高布置對(duì)波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)增加波形鋼腹板的波高同時(shí)降低厚度，可有效增大波形鋼腹板的抗扭性能;桂水榮等[6]通過有限元分析軟件ANSYS研究了截面形式、橫隔板布置方式及橫向約束方式等因素對(duì)波形鋼腹板箱梁橋的動(dòng)力特性的影響，研究結(jié)果表明橫向約束方式對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋的橫向剛度有著顯著的影響;賀君等[7-8]對(duì)波形鋼腹板箱梁橋在內(nèi)襯混凝土、預(yù)應(yīng)力、單板寬度等因素影響下的受力性能進(jìn)行了分析研究。

通過以上研究成果可看出，國(guó)內(nèi)對(duì)于波形鋼腹板組合梁橋的研究大都集中于簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋的受力性能分析，而針對(duì)波形鋼腹板組合箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋的研究較少，尤其是橫隔板對(duì)波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能的影響方面的研究更少。因此本文通過有限元分析軟件Midas civil建立了某計(jì)算跨度為416 m的波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋的有限元模型，研究了橫隔板對(duì)該橋梁動(dòng)力特性的影響，研究所得結(jié)論可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本項(xiàng)目以某高速公路（57.8 m+3×100 m+57.8 m）鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，該橋?yàn)樽兘孛?跨預(yù)應(yīng)力波形腹板鋼箱-連續(xù)鋼構(gòu)梁橋，橋梁分左、右兩幅，主橋全寬24.5 m（0.5 m混凝土護(hù)欄+10.75 m行車道+0.75 m波形護(hù)欄+0.5 m中央分隔帶+0.75 m波形護(hù)欄+10.75 m行車道+0.5 m混凝土護(hù)欄），設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，橋面縱坡按縱斷面縱坡為1.29 %，橋面橫坡按雙幅橋，每幅橋設(shè)2 %的單向橫坡設(shè)計(jì)。波形鋼腹板為800型，波高為220 cm，材料為Q345c鋼板。其立面圖和邊跨、墩頂截面構(gòu)造圖如圖1所示。主梁混凝土為C50混凝土，橋墩混凝土為C40混凝土。

2 有限元模型的建立

采用三維有限元分析軟件Midas civil建立全橋有限元模型，全橋采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，共建立174個(gè)節(jié)點(diǎn)和165個(gè)單元。為準(zhǔn)確模擬下部結(jié)構(gòu)的樁土效應(yīng)，采用集中質(zhì)量法和m法相結(jié)合的方法求解土彈簧的剛度，求得①～④墩的墩底彈簧剛度為351 308 kN/m、4 859 651 kN/m、4 859 651 kN/m、3 364 646 kN/m。所建立有限元模型如圖2所示。前60階振動(dòng)頻率中累計(jì)參與的質(zhì)量如圖3所示。

3 橫隔板優(yōu)化

波形鋼腹板與混凝土腹板相比剛度較小，所以波形鋼腹板組合梁具有相對(duì)較小的扭轉(zhuǎn)剛度，因此為了保證箱梁在懸臂施工期間及運(yùn)營(yíng)期間有較好的穩(wěn)定性，該橋型應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量的橫隔板，以提高施工及運(yùn)營(yíng)時(shí)期的結(jié)構(gòu)剛度。波形鋼腹板組合梁因設(shè)置有體外預(yù)應(yīng)力索，需要有轉(zhuǎn)向構(gòu)件，考慮到預(yù)應(yīng)索的變化范圍較大，所以也需要設(shè)計(jì)橫隔板來進(jìn)行預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向。如果橫隔板設(shè)置數(shù)量過多，則梁體自重將會(huì)大大增加，也給施工帶來不便，與混凝土箱梁相比自重輕的優(yōu)勢(shì)會(huì)就得不到體現(xiàn);如果橫隔板設(shè)置較少，箱梁整體穩(wěn)定不易保證。于是根據(jù)波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的研究成果，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)的力學(xué)特性。因而，波形鋼腹板組合梁橋橫隔板的設(shè)置需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 自振模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)位移變形的影響

前6階自振頻率、周期和振型特征如表1所示，前6階振型如圖4所示。波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)梁橋的前2階振型為縱向移動(dòng)及側(cè)向彎曲，且它們的周期非常接近，所以橋梁在這兩個(gè)方向的動(dòng)力變形較容易，變形量較大。側(cè)向彎曲和豎向彎曲的自振模態(tài)形式很多，所以這兩個(gè)方向的動(dòng)力變形形式很復(fù)雜，但波形腹板鋼箱-連續(xù)鋼構(gòu)梁橋由于抗扭剛度較大，在動(dòng)力作用下難以發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

從圖4可以看出，從波形腹板鋼箱-連續(xù)鋼構(gòu)梁橋的自振模態(tài)來看，結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下，較容易發(fā)生縱橋向及橫橋向位移變形，其次是豎向位移變形，但一般不會(huì)發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。

3.2 橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期影響對(duì)比分析

只改變波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)橋的橫隔板的數(shù)量，其他條件保持不變，將其自振周期進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

從表2可以看出：隨著波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)梁橋設(shè)置橫隔板數(shù)量增加，整體結(jié)構(gòu)各階自振周期均有一定程度增加。最大增幅在第一階;設(shè)兩橫隔板時(shí)，比不設(shè)置時(shí)自振周期增大0.027 5 s，增大1.03 %;而主孔設(shè)十道橫隔板時(shí)，比不設(shè)置時(shí)自振周期增大0.093 9 s，相對(duì)增大3.5 %;所有橫隔板設(shè)置方式結(jié)構(gòu)到第3階時(shí)，隨著隔板數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)自振周期相對(duì)前兩階大幅減少，如主孔設(shè)十道橫隔板較不設(shè)置時(shí)增加0.06 s，但與這階模態(tài)相對(duì)應(yīng)的自振周期增加比例為4.7 %，也在減小;隨著模態(tài)階數(shù)的增加，橫隔板增加的效應(yīng)會(huì)越來越小，最后幾乎不影響。

4 結(jié)論

（1）波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋在動(dòng)荷載作用下，縱橋向和橫橋向的位移變形較大，扭轉(zhuǎn)變形較小。

（2）橫隔板設(shè)置數(shù)量的增加與波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋一階振動(dòng)周期的變化呈正比。

（3）橫隔板設(shè)置數(shù)量的增加對(duì)波形鋼腹板鋼-混組合連續(xù)剛構(gòu)橋振動(dòng)周期的影響幅度隨振動(dòng)階數(shù)的增大呈減小趨勢(shì)。

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