新型鋼混組合梁橋靜動力特性分析

李昕瑞

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

波形腹板鋼底板PC 組合箱梁作為一種新型的鋼-混凝土組合結構，在中國首次運用，國內對其相關的受力分析研究甚少，大多都是以波形鋼腹板混凝土底板作為研究對象，幾乎沒有針對波形腹板鋼底板橋梁的分析。文章以G1816 烏海-瑪沁高速景泰至中川機場段30m 鋼腹板組合箱梁橋為工程背景，介紹了30m 鋼腹板PC 組合箱梁現場試驗布置，并對試驗結果進行了分析。

1 橋梁概況

G1816 烏海-瑪沁高速景泰至中川機場段公路工程，橋跨布置自南向北依次為18 跨30m（18×30）波形鋼腹板組合簡支箱梁+一跨45m 簡支梁+4 乘50m 連續梁（4×50m）+5 乘50m 連續梁（5×50m）+3 跨30m 簡支梁（3×30m）。橋梁長度1126.46m。18 跨30m 鋼腹板組合簡支箱梁主梁寬度均為20m 等寬，采用四箱單室截面，由開口鋼箱梁和混凝土橋面板通過抗剪連接件組成，主梁結構中心線處梁高1.5m，鋼腹板高1.25m，混凝土橋面板厚0.25m.橋面設1.5%的雙向標準橫坡，箱梁頂面橫坡與橋面橫坡相同，橋面橫坡由腹板不等高調整，橋面鋪裝等厚。腹板釆用BCSW1200 型波形鋼腹板，波長1200mm、波高200mm、其厚度為10mm。

2 新型結構的優點與研究的必要性

（1）結構構造方面：使用波形鋼腹板代替傳統混凝土腹板，使用鋼底板代替傳統混凝土底板，在很大程度上達到了減輕箱梁自重的效果，使橋梁設計更加輕質化，使其下部結構的工程量大大減少。波形腹板鋼底板PC 組合箱梁由廠制作標準梁，施工方便快捷，大大縮短了施工工期。

（2）結構受力方面：鋼底板相對傳統的混凝土底板在正彎矩作用下，改進了底板需要張拉較多的預應力鋼束以及混凝土受拉開裂的現象。

（3）施工工藝方面：由于波形鋼腹板代替傳統混凝土腹板，鋼底板代替傳統混凝土底板，在很大程度上減輕了箱梁自重。相較于傳統的混凝土復雜的施工，其制作工藝更加簡單。

（4）環保方面：鋼結構是節能、環保型結構。鋼材強度高，鋼結構相對比較輕，施工安裝較便利，構件尺寸相對較小，可以更有效地利用和節約材料。當使用功能完成后還可通過再利用或回爐再生產等措施而實現循環使用，故采用鋼-混凝土結構的橋梁可大大減少“建筑垃圾”，促進了綠色、環保、節能和可持續發展。

（5）抗震方面：甘肅省境內主要有河西走廊地震帶、蘭州-天水地震帶、六盤山地震帶3 條地震帶，地震活動水平居全國第8。相對混凝土結構，鋼結構的材料性能更穩定，結構的延性較前者好，抗震性能也更好。

（6）對于黃土濕陷性方面：由于在濕陷性黃土地區，下部結構造價所占比重較大，采用重量更輕的鋼-混凝土組合結構有利于減小上部結構傳遞給基礎的荷載，從而減小下部結構的工程量和造價，減少濕陷性黃土地區結構沉降引起的工程病害。更適合于甘肅省黃土地區交通建設的較好橋型。

正是由于新型橋型相比以前的橋型具有不可忽略的優勢，所以該類橋型的靜動力特性研究顯得非常重要。

3 應變計現場布置介紹

選取K1+845 主匝道30m 簡支箱梁橋作為研究目標，選取1/4 做為研究對象，同時選取跨中最不利荷載截面自左向右進行應變計布置共計13 個。

4 有限元模型

本次采用ansys 建立有限元模型，運用3D 實體單元模擬混凝土橋面板，殼單元模擬波形鋼腹板以及鋼底板，這樣確保了模型模擬的精確度。對于波形鋼腹板和頂部混凝土板的連接，使用MPC 多點耦合接觸法來實現。先分別為實體和殼單元劃分網格，在相交區域不同單元上分別添加目標單元TARGE170 和接觸單元CONTA175，如此一來頂板和腹板可以獨立劃分網格，保證了模擬的精確度。

該橋上部結構有限元計算模型如圖1 所示，其中節點127520 個，單元110488 個。

圖1 30m 簡支梁有限元模型

5 研究結果

本次實驗通過現場值與實測值進行分析對比得出結論。

5.1 有限元模擬值

ansys 有限元建模選取1/4 跨徑應力提取值與現場實測值如表1 所示。

表1 測點應力值 單位：MPa

5.2 數據對比

通過對30m 簡支新型鋼混組合梁橋上部結構在二期恒載作用下各測試截面應力實測結果與相應的理論計算結果進行對比分析后，可以得到以下結論：（1）上部結構在二期恒載作用下各測試截面應力的實測計算值小于混凝土抗拉設計值，說明結構混凝土表面本身完好。（2）上部結構在在二期恒載作用下各測試截面應力校驗均小于1，表明橋梁結構強度良好。數據對比分析圖如圖2 所示。

圖2 數據對比分析

由以上對應力測試結果的分析可知：新型鋼混組合梁橋30m 簡支梁橋的強度滿足設計要求。

6 動力試驗

本次動力試驗為結構自振特性試驗。根據相關要求，主匝道30m 箱梁橋左幅結構進行動載試驗測試，以確定橋梁結構的相關動力特性參數，并結合理論分析結果，綜合評定橋梁結構動力特性。

6.1 動載試驗測點布置

動載測試點布置如圖3 所示。

6.2 自振特性測試結果與分析

通過現場脈動試驗及ansys 有限元模擬，得出主匝道30m 箱梁自振頻率的實測值、理論值。ansys 有限元模擬一到五階頻率值如表2 所示。

6.3 數據對比

現場脈動試驗及ansys 有限元模擬值對比如表3所示。

圖3 30m 簡支梁拾振器測點布置圖

表2 有限元模型振型圖 單位：Hz

表3 ansys 有限元模擬值 單位：Hz

根據《城市橋梁檢測與技術評定規范》相關規定[1]：橋梁上部結構動力特性狀態指標有

式中：S 為狀態指標；fmi 為實測頻率；fdi 為理論頻率。

由表4 可以看出S ＞1，由于結構的自振頻率評定標準為1，S ＞1 表示其整體性能良好。

表4 上部結構動力特性狀態指標評定結果

7 結束語

（1）新型鋼混組合梁橋的力學性能分析結果表明，該種新型上部結構在二期恒載作用下各測試截面應力的實測計算值小于混凝土抗拉設計值，說明結構混凝土表面本身完好。由以上對應力測試結果的分析可知，新型鋼混組合梁橋30m 簡支梁橋的強度滿足設計要求。

（2）新型鋼混組合梁橋的動力性能分析結果表明，該種結構的整體性能良好。

8 啟示

這種新型結構的建筑與推廣符合國際橋梁發展趨勢和國家綠色環保發展理念，加快了國家、甘肅省鋼材行業產能的合理消化，促進了社會經濟的穩定發展，也可為甘肅省鋼-混凝土組合結構橋梁的開拓性發展和環保公路的建設奠定堅實的基礎。該種新型結構不僅豐富了該組合結構橋梁形式，而且提升了組合結構橋梁設計綜合技術水平，對促進鋼結構橋在我國的進一步發展，具有重要的理論和實際應用價值。文章用過對靜動力測試的數據進行對比，并對其結果進行分析驗證了新型結構的可靠性跟穩定性，為該種結構后期的運用與發展奠定堅實的基礎。