公路波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動特性的影響參數

楊 波

(中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 100000)

波形鋼腹板鋼-混組合箱梁是一種新型組合結構。該橋型用較薄的平鋼板代替了傳統的波形鋼腹板箱梁的混凝土底板，減輕了橋梁結構的自重，延長了橋梁結構的使用壽命，有效地節約全壽命周期成本。該橋型的建設可落實綠色發展理念，有效提升公路橋梁的建設品質，有利于帶動當地鋼材產業發展，化解產能過剩等問題。

目前，國內外的研究者已經對波形鋼腹板組合梁橋剪力滯效應、彎曲性能、扭轉畸變、屈曲性能、振動特性以及波形鋼腹板的手風琴效應等進行了大量的研究。馬馳等研究了剪力滯效應對波形鋼腹板組合箱梁靜力和動力的問題的影響[1-2]；ELGAALY等對波形鋼腹板的彎曲性能和剪切強度進行了研究[3-4]；周聰等對波形鋼腹板組合梁的扭轉和畸變效應進行了研究[5-7]；陳水生等通過有限元模擬的方法對波形鋼腹板組合梁的振動頻率進行了研究[8-9]；林夢凱等對波形鋼腹板工字型的手風琴效應進行了試驗研究[10]。

通過對國內外研究文獻的分析，發現對波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動特性的研究還相對較少。因此，筆者以某波形鋼腹板組合簡支梁為工程背景，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，采用理論公式對有限元模型的正確性進行了驗證，隨后，分析了波形鋼腹板的類型、鋼底板的厚度以及波形鋼腹板的厚度對振動特性的影響。該研究為波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的合理設計提供了有利的依據。

1 工程概況

某公路大橋共設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簡支梁波形鋼腹板鋼-混組合箱梁進行研究，其截面形式由2片主梁構成，單片箱梁的混凝土頂板寬度為5 m，懸臂板長度為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。混凝土和鋼材的屬性如表1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支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的三維模型，如圖1所示。簡支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的計算跨徑為29.22 m，箱梁的混凝土頂板采用實體單元進行建模，波形鋼腹板和鋼底板以及橫隔板采用板殼單元進行建模。波形鋼腹板那和鋼底板的連接方式采用共節點的連接方式，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支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動頻率，列于表2中，前5階自由振動的振型圖如圖2所示。

圖2 前五階振型

表2 利用ANSYS有限元計算的簡支波形鋼腹板

3 理論公式驗證ANSYS模型的正確性

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

(1)

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

表3 理論公式(1)與ANSYS有限元結果對比

從表3中可以看出，ANSYS有限元模型的分析結果和Timoshenko理論的彎曲自振頻率計算公式的計算結果很接近，前兩階彎曲振動頻率的誤差在4.76 %以內，說明筆者建立的ANSYS有限元分析模型是正確的。

4 結構參數對振動特性的影響

4.1 波形鋼腹板的類型對振動特性的影響

假設波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的截面的尺寸和計算跨徑保持不變，僅僅改變波形鋼腹板的類型。目前國內外的類型有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，計算的波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動頻率如表4所示。

表4 不同波形鋼腹板類型計算的振動頻率值 Hz

從表4中可以看出，簡支波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的振動頻率受波形鋼腹板的類型的影響不大，可以將其忽略不計。

4.2 波形鋼腹板的厚度對自振頻率的影響

為了研究波形鋼腹板的厚度對振動頻率的影響，保持其他參數不變，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，計算的波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動頻率如表5所示。

表5 不同波形鋼腹板厚度計算的振動頻率值 Hz

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

4.3 鋼底板厚度對振動頻率的影響

為了研究鋼底板的厚度對振動頻率的影響，保持其他參數不變，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，計算的波形鋼腹板鋼-混組合箱梁的前5階振動頻率如表6所示。

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

5 結論

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

表6 不同鋼底板厚度計算的振動頻率值 Hz

(2)通過研究波形鋼腹板的類型，波形鋼腹板的厚度以及鋼底板的厚度對波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動頻率的影響可知，波形鋼腹板的類型對波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動頻率的影響較小，波形鋼腹板鋼-混組合箱梁振動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)工程實際中，應當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-混組合箱梁的動力分析提供一定的參考依據。