大跨連續波形鋼腹板組合箱梁橋的橫隔板設置研究

蓋衛明

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518029）

0 引言

波形鋼腹板組合箱梁橋是一種具有自重輕、裝配施工便捷、耐久性好、全壽命期經濟效益高、節能環保、美觀等眾多優點[1-2]的新型組合結構橋梁。近幾年，隨著國內設計與施工技術的發展，此類橋梁的建設已由較小跨徑的簡支梁橋逐漸發展到了較大跨度的連續梁橋以及部分斜拉橋。在傳統普通混凝土箱梁基礎上，用波形鋼腹板代替混凝土腹板后，箱梁截面剛度變小，特別是扭轉剛度可能削弱60%以上[1]。為了提高波形鋼腹板組合箱梁的抗扭性能，改善截面的畸變效應，大跨度的波形鋼腹板組合箱梁需要設置一定數量的橫隔板[3]。本文以一座跨徑布置為88 m+156 m+88 m的連續波形鋼腹板組合箱梁橋為工程背景，采用有限元分析方法，建立了其三維空間有限元模型，研究了不同的橫隔板布置位置對其動力特性的影響，提出了合理的橫隔板設計建議。

1 工程概況

背景工程為一座三跨連續波形鋼腹板PC箱梁橋，跨徑布置為88 m+158 m+88 m，其立面見圖1，安全等級為一級。采用單箱單室截面，箱梁高度由根部的8.9 m按2次拋物線過渡到跨中和邊墩墩頂處的3.8 m，箱梁底板厚度也由根部的1 m按2次拋物線過渡到跨中的0.3 m。橋面寬度為16.25 m，布置為0.5 m(防撞欄)+11.75 m(車行道)+4 m(人行道)。全橋除中支點0號塊梁段和邊支點20號塊梁段采用混凝土腹板外，其他梁段均采用波形鋼腹板，在0號塊外側11 m梁段內和20號塊外側4.8 m梁段內采用有內襯混凝土的組合腹板。波形鋼腹板形狀采用1 600型，厚度為12 mm～24 mm。主梁采用C60混凝土，鋼腹板采用Q345c鋼材。

圖1 橋梁立面圖（單位：m）

2 有限元模型

采用大型通用有限元軟件ANSYS建立上部結構三維板殼模型[4]，上下混凝土頂底板采用可以考慮變厚度屬性的線性層結構殼單元Shell99模擬，鋼腹板、混凝土腹板與橫隔板采用彈性殼單元Shell63模擬。頂底板、腹板與橫隔板分別建模，三者之間不共有節點，采用耦合相鄰最近節點自由度的方式模擬剛性連接。主梁模型共有單元22 400個、節點56 050個，局部有限元模型見圖2。

圖2 主梁局部有限元模型

3 模態分析

通過模態分析結果可以了解結構各向質量-剛度特性[5]。本文首先建立了沒有橫隔板的主梁有限元模型，進行模態分析，提取前8階振型和頻率（ω0），見表1。

表1 計算模型的前8階自振頻率和振型階次

從表1可以看出，前8階振型中，前3階低階振型均為豎彎模式，第一階側彎振型出現在第4階，第一階扭轉振型出現在第6階。通過振型模式的次序，可知波形鋼腹板組合箱梁的振動模式與傳統混凝土腹板箱梁類似。從自振頻率的數值看，波形鋼腹板組合箱梁的豎彎、側彎及扭轉振型的頻率值小于普通混凝土腹板箱梁的振型頻率經驗值，鑒于波形鋼腹板組合箱梁自重明顯減輕，根據頻率、剛度、質量之間的關系進一步驗證了波形鋼腹板組合箱梁各向剛度相比普通混凝土腹板箱梁有所減小的結論。

4 橫隔板位置對箱梁剛度的影響分析

在前面有限元模型的基礎上添加一道混凝土橫隔板，橫隔板厚度取固定值0.5 m，上下左右與箱梁混凝土頂底板和波形鋼腹板或混凝土腹板固結。采用ANSYS APDL語言編寫參數化控制程序，控制橫隔板的位置從橋頭逐漸移動到橋尾，移動間距為0.8 m，在每個位置進行一次模態分析，并提取結構的第一階豎彎、橫彎和扭轉頻率（ωH），計算與無橫隔板模型相應計算結果的比值，得到橫隔板對組合箱梁豎彎、橫彎和扭轉基頻影響效應的影響線，見圖3，橫坐標表示橫隔板的設置位置，以主梁示意圖作參考，縱坐標表示添加橫隔板對主梁振動基頻的縮放系數（ωH/ω）0。

圖3 橫隔板對組合箱梁豎彎、橫彎和扭轉基頻影響效應的影響線

從計算結果和圖3可以看出：橫隔板的設置對主梁動力特性存在明顯的影響。不僅會改變不同模態振型出現的順序，而且會改變同一振型的頻率大小，同時對豎彎、橫彎和扭轉三種基本振動模式基頻的影響存在明顯的差異。從影響效果來看，添加橫隔板并不一定會提高結構的振型頻率，在某些區域會降低結構的基頻，例如在邊跨距離梁段24～66 m區間和中跨跨中兩側48 m區間內設置橫隔板會減小主梁豎彎基頻，在中跨跨中兩側46 m區間內設置橫隔板會減小主梁橫彎基頻，在邊跨距離梁端46～70 m區間內布置橫隔板會減小主梁扭轉基頻。從影響效應峰值來看，當橫隔板設置在邊支座截面處時，最大可以提高主梁豎彎基頻5.5%；當橫隔板設置在中跨距離中支座12 m處，對橫彎和扭轉基頻影響效應同時達到最大值，分別為3.4%和8.0%。可見合理的設計橫隔板的位置能更有效地提高此大跨連續組合箱梁的振動基頻，其中以對扭轉基頻的改善效果最為明顯。

5 結論

為了研究橫隔板對大跨度連續波形鋼腹板組合箱梁橋動力特性的影響，為此類橋梁的橫隔板構造設計提供參考，利用有限元軟件ANSYS為一座三跨連續波形鋼腹板組合箱梁橋建立了三維有限元模型，進行了以橫隔板位置為參數的動力特性分析，通過對計算結果的對比分析得出如下結論：

（1）此組合箱梁橋的低階振型以豎彎模式為主，第一階側彎振型和第一階扭轉振型出現較晚，這與大部分傳統混凝土腹板箱梁動力特性類似。

（2）橫隔板的位置對此橋豎彎、橫彎和扭轉三種基本振動模式基頻的影響存在明顯的差異。將橫隔板設置在邊支座截面處可以最大提高主梁的豎彎基頻5.5%，而設置在其他位置對豎彎基頻的影響在±1%以內；將橫隔板設置在邊跨距中支座18 m至中跨距中支座48 m區間內，可以有效提高主梁的橫彎與扭轉基頻，當橫隔板設置在中跨距離中支座12 m處時，對橫彎和扭轉基頻影響效應同時達到最大值，分別為3.4%和8.0%。

（3）通過設置橫隔板的方式改善此類大跨度連續波形鋼腹板組合箱梁橋動力特性時，應優先設置在梁端和中支座附近，避免將橫隔板設置在跨中附近，必要時應進行參數優化分析確定最佳的橫隔板的間距與數量，同時需要綜合考慮體內束的轉向構造要求。

[1]陳宜言.波形鋼腹板預應力混凝土橋設計與施工[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]袁愛民,戴航,董毓利.波形鋼腹板一混凝土組合橋梁研究的新進展[J].青島理工大學學報,2008,29(4):30-35.

[3]劉保東,陳海波,任紅偉.波紋鋼腹板混凝土箱梁動力特性改善研究[J].中國鐵道科學,2008,29(3):29-33.

[4]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]陳宜言,蓋衛明,姜瑞娟,等.波形鋼腹板PC箱梁橋基本抗震性能的比較研究[J].哈爾濱工業大學學報,2012,44(1):325-330.