特大跨徑波形鋼腹板連續剛構橋跨間橫隔設置研究

何曉暉

【摘要】在大跨徑波形鋼腹板連續剛構橋的設計中，跨間橫隔板的設置是該類型橋梁設計中的難點之一。與常規計算箱梁畸變應力作為控制設計的方式不同，本文通過采用建立Ansys有限元模型分析結構模態方法，分析跨間橫隔間距、厚度等參數對梁橋動力特性的影響，為參數化分析結構扭轉（彎扭）振型及相應的頻率，提供了一種可解決確定跨間橫隔板設置數量和位置的較好設計方法。

【關鍵詞】波形鋼腹板； 組合結構 ；結構模態； 橫隔板； 大跨徑梁橋

概述

柳州經合山至南寧高速公路上的重點工程龍馬紅水河特大橋方案跨徑布置為100m+180m+100m，采用波形鋼腹板PC連續剛構橋結構，該橋主跨跨度目前為國內同類梁式橋梁第一。橋梁箱梁總寬為26.5m，左、右雙幅布置，單幅橋寬為13m，雙幅橋中央預留0.5m 凈距。主橋上部結構采用單箱單室波形鋼腹板PC連續箱梁斷面，中墩處箱梁高為11.25m，跨中及邊墩點處梁高為4.2m，梁高按1.6次拋物線變。下部結構主墩采用雙薄壁實體墩，單肢壁厚1.8m，肢間凈距7m，基礎為承臺群樁基礎。

波形鋼腹板預PC箱梁因腹板為具有折皺效應的波形鋼板，與普通混凝土箱梁相比，抗扭剛度和抗剪剛度分別降低約40%、10%。因此，為保證波形鋼腹板箱梁必要的結構抗扭剛度，按規范《波形鋼腹板組合梁橋技術標準》CJJ/T 272中的相關要求，該類箱梁不僅在支座處設置橫隔梁，跨間也必須設置一定數量的橫隔板。跨間橫隔板的設置是以端橫隔梁（中墩頂、邊墩頂）設置為前提，墩頂橫隔梁為傳遞支點集中荷載所必須的構造，跨間橫隔板的設置一方面增大箱梁抗扭剛度，另一方面又會增加箱梁質量，這兩重作用，是互為正負的。在波形鋼腹板PC箱梁應用初期，因認識問題，橫隔板設置較密（間距較小），在特大跨徑連續剛構橋梁的設計中如何合理設置跨間橫隔是一個難點。與常規計算箱梁畸變應力的作為控制設計的方式不同，本文采用結構模態分析方法，重點分析了不同跨間橫隔板數量布置及厚度對波形鋼腹板箱梁動力特性的影響。

圖1b 波形鋼腹板組合箱梁構造圖

2.結構有限元分析

采用ANSYS通用有限元分析程序建立了13個計算模型，半跨內的跨間橫隔板數量由0～6個依次遞增，橫隔厚度尺寸設置為0.3m和0.5m，分別分析每個模型的自振特性及在偏載作用下的扭轉位移。混凝土頂板、底板、隔梁等均采用solid45實體單元模擬，梁體物理參數按C60混凝土取值，橋墩物理參數按C50混凝土取值。波形鋼腹板采用shell63殼單元模擬，其物理參數按Q345鋼材取。支座節點的約束按單雙向支座布置約束相應自由度，墩底固結。波形鋼腹板與混凝土頂、底板以及內襯混凝土采用共用節點的方式連接。模型總節點個數為194208個，單元個數為127916個。

2.1 隔板數量參數化模型

采用APDL語言在全橋鋼腹板的平波段內設置跨間橫隔板，橫隔板厚度分為0.3m、0.5m兩種類型，在中跨內數量由0～12片依次遞增，中跨1/2跨跨間橫隔板的數量及位置見下圖3。

2.2橋梁結構整體自振特性分析

通過對模型進行動力特性分析，提取前10階振型數據匯總如表1-、表2。

由上述表1、表2數據顯示，橋梁扭轉基頻振型均出現在第3階，其自振頻率變化匯總如圖5。

根據以上變化趨勢分析，隨著橫隔板數量的增加，對自振特性有兩方面的影響。一方面，跨間橫隔板的增加導致橋梁質量略有增大，而橫隔板的設置對橋梁的抗彎剛度幾乎沒有影響，這使得橋梁的豎彎、平彎振型的自振頻率稍有減小，但減小的幅度非常小；另一方面，橫隔板的增加導致橋梁抗扭剛度增加，橫隔板半跨個數從0到1個時，橋梁的扭轉振型自振頻率有所增加，但之后增加橫隔板個數及厚度時，扭轉自振頻率均為下降，增加橫隔板個數及厚度而產生的扭轉剛度對頻率影響沒有質量改變影響大。

總的來說，中橫隔板的設置會改變橋梁的扭轉振型的自振頻率，但改變的幅度很小，并且中橫隔板的設置對橋梁各種振型出現階次順序的影響也不大。即便是在不設中橫隔的情況下，扭轉振型出現的階次也是在第3階，也就是說即便在不設中橫隔的情況下，在豎向地震作用、車輛等活載的激勵作用下，橋梁上部結構的主要振動形態仍然是以豎彎為主。

2.3箱梁跨中扭轉位移分析

按中跨跨中截面位移影響線進行縱橋向車道加載，橋梁位移計算如圖6、圖7（圖中為半跨4個橫隔，橫隔厚度0.5m，其他模型變化趨勢與此類似）。

對所有模型進行對稱布置荷載、偏載布置，計算得到中跨跨中A點位置（距離梁中心3.5m處梁頂面）撓度如表3、表4。

半跨橫隔板不同個數及厚度時，相對扭轉剛度變化匯總圖8。

由以上圖表分析，隨著跨間橫隔板數量及厚度的增加，抗扭剛度逐漸增加，由扭轉引起偏載側的腹板豎向及扭轉撓度逐漸減小。當本橋半跨設置2個以上橫隔時，抗扭剛度的增加與橫隔的個數基本呈線性關系，半跨設置4個以上橫隔時，抗扭剛度增加變緩，橫隔厚度（0.3m厚-0.5m厚）對抗扭剛度的影響不是特別大。

3.結語

3.1當本橋半跨設置2個以上橫隔時，抗扭剛度的增加與橫隔的個數基本呈線性關系，半跨設置4個以上橫隔時，抗扭剛度增加變緩，橫隔厚度（0.3m、0.5m）對抗扭剛度的影響不大。本橋半跨設置4個橫隔，厚度0.3m，由偏載引起的橫坡為0.05%，與橋面2.0%橫坡相比很小，可以滿足正常使用要求，是本橋設計中最優采用的技術方案。

3.2波形鋼腹板PC箱梁橫隔設置理論上可用結構扭轉（彎扭）振型相應的頻率與振型階數控制。經計算，本橋中橫隔設置個數及厚度的不同會改變橋梁的扭轉振型的自振頻率，但改變的幅度較小，中橫隔板的設置對橋梁各種振型出現階次順序的影響不大。

3.3根據計算成果，實際工程設計中可設置整體式全鋼結構的橫隔板，在構件輕型化設計的同時也能進一步節約橫隔板的現場施工工期。

3.4與現在常用的計算波形鋼腹板組合箱梁畸變應力方法比較，本文采用結構模態分析方法能較好的反映橋梁結構力學特性，分析結果更加直觀和清晰，值得進一步推廣和使用。

參考文獻

[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，2009.

[2]劉玉擎，陳艾榮.組合折腹橋梁設計模式指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

（作者單位：深圳市市政設計研究院有限公司，深圳 518029）

【中圖分類號】U443

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）04-0054-04