橫隔板對鋼-混組合連續剛構橋動力性能的影響

高寧

【摘要】為研究橫隔板對鋼-混組合連續剛構橋動力性能的影響規律，文章以跨徑為（57.8 m+3×100 m+57.8 m）的某高速公路鋼-混組合連續剛構橋為工程背景，采用MIDAS有限元分析軟件建立了該橋的有限元模型，分析了橫隔板數量對鋼-混組合連續剛構橋自振周期的影響。研究結果表明：在動荷載作用下，縱橋向和橫橋向的位移變形大于扭轉變形;一階振動周期的增加與橫隔板設置數量呈正比;橫隔板設置數量的增加對橋梁振動周期的影響幅度隨振動階數的增大呈減小趨勢。

【關鍵詞】橋梁工程; 鋼-混組合連續剛構; 動力性能; 橫隔板; 有限元

【中國分類號】U441+.3【文獻標志碼】A

波形鋼腹板混凝土組合箱梁連續剛構橋因其跨越能力強、抗震性能好和環保優越性高等特點，受到了橋梁設計師的青睞[1]。

李立峰等[2]考慮波形鋼腹板組合箱梁橋梁底線形變化，推導了變截面波形鋼腹板組合箱梁橋腹板剪應力的計算公式，并通過有限元值驗證了所推導公式的正確性;曾勇等[3]通過三維有限元模型對比了傳統變截面箱梁和波形鋼腹板PC連續梁橋的腹板剪切、混凝土收縮徐變及預應力損失等因素對兩橋的影響;趙國虎等[4]較為全面的論證了波形鋼腹板-PC組合梁橋較傳統混凝土橋、鋼橋在施工、受力特性及經濟上的優勢;唐楊等[5]通過Midas FEA分析了波形腹板變波高布置對波形鋼腹板箱梁扭轉性能的影響，研究發現增加波形鋼腹板的波高同時降低厚度，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波形鋼腹板箱梁橋的動力特性的影響，研究結果表明橫向約束方式對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]對波形鋼腹板箱梁橋在內襯混凝土、預應力、單板寬度等因素影響下的受力性能進行了分析研究。

通過以上研究成果可看出，國內對于波形鋼腹板組合梁橋的研究大都集中于簡支梁橋和連續梁橋的受力性能分析，而針對波形鋼腹板組合箱梁連續剛構橋的研究較少，尤其是橫隔板對波形鋼腹板鋼-混組合連續剛構橋動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建立了某計算跨度為416 m的波形鋼腹板鋼-混組合連續剛構橋的有限元模型，研究了橫隔板對該橋梁動力特性的影響，研究所得結論可為同類型橋梁的設計提供理論依據。

1 工程概況

本項目以某高速公路（57.8 m+3×100 m+57.8 m）鋼-混組合連續剛構橋為工程背景，該橋為變截面5跨預應力波形腹板鋼箱-連續鋼構梁橋，橋梁分左、右兩幅，主橋全寬24.5 m（0.5 m混凝土護欄+10.75 m行車道+0.75 m波形護欄+0.5 m中央分隔帶+0.75 m波形護欄+10.75 m行車道+0.5 m混凝土護欄），設計荷載為公路-I級，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2 %的單向橫坡設計。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，全橋采用梁單元進行模擬，共建立174個節點和165個單元。為準確模擬下部結構的樁土效應，采用集中質量法和m法相結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階振動頻率中累計參與的質量如圖3所示。

3 橫隔板優化

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較小的扭轉剛度，因此為了保證箱梁在懸臂施工期間及運營期間有較好的穩定性，該橋型應設置足夠數量的橫隔板，以提高施工及運營時期的結構剛度。波形鋼腹板組合梁因設置有體外預應力索，需要有轉向構件，考慮到預應索的變化范圍較大，所以也需要設計橫隔板來進行預應力轉向。如果橫隔板設置數量過多，則梁體自重將會大大增加，也給施工帶來不便，與混凝土箱梁相比自重輕的優勢會就得不到體現;如果橫隔板設置較少，箱梁整體穩定不易保證。于是根據波形鋼腹板組合箱梁結構現有的研究成果，橫隔板不僅影響結構的抗彎、抗扭性能，也會影響結構的力學特性。因而，波形鋼腹板組合梁橋橫隔板的設置需要進行優化設計。

3.1 自振模態對結構位移變形的影響

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連續剛構梁橋的前2階振型為縱向移動及側向彎曲，且它們的周期非常接近，所以橋梁在這兩個方向的動力變形較容易，變形量較大。側向彎曲和豎向彎曲的自振模態形式很多，所以這兩個方向的動力變形形式很復雜，但波形腹板鋼箱-連續鋼構梁橋由于抗扭剛度較大，在動力作用下難以發生扭轉變形。

從圖4可以看出，從波形腹板鋼箱-連續鋼構梁橋的自振模態來看，結構在動力作用下，較容易發生縱橋向及橫橋向位移變形，其次是豎向位移變形，但一般不會發生較大的扭轉變形。

3.2 橫隔板對結構自振周期影響對比分析

只改變波形鋼腹板PC連續剛構橋的橫隔板的數量，其他條件保持不變，將其自振周期進行對比分析，如表2所示。

從表2可以看出：隨著波形鋼腹板PC連續剛構梁橋設置橫隔板數量增加，整體結構各階自振周期均有一定程度增加。最大增幅在第一階;設兩橫隔板時，比不設置時自振周期增大0.027 5 s，增大1.03 %;而主孔設十道橫隔板時，比不設置時自振周期增大0.093 9 s，相對增大3.5 %;所有橫隔板設置方式結構到第3階時，隨著隔板數的增加，結構自振周期相對前兩階大幅減少，如主孔設十道橫隔板較不設置時增加0.06 s，但與這階模態相對應的自振周期增加比例為4.7 %，也在減小;隨著模態階數的增加，橫隔板增加的效應會越來越小，最后幾乎不影響。

4 結論

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

（2）橫隔板設置數量的增加與波形鋼腹板鋼-混組合連續剛構橋一階振動周期的變化呈正比。

（3）橫隔板設置數量的增加對波形鋼腹板鋼-混組合連續剛構橋振動周期的影響幅度隨振動階數的增大呈減小趨勢。

參考文獻

[1] 宋隨弟， 祝兵， 陳克堅. 蘭州小砂溝大橋設計[J]. 橋梁建設， 2014， 44（3）： 98-103.

[2] 李立峰， 陳今東， 馮威， 等. 變截面波形鋼腹板組合箱梁剪應力計算研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 2019， 16（12）： 3024-3032.

[3] 曾勇， 鐘華棟， 譚紅梅， 等. 波形鋼腹板剛構橋和普通PC剛構橋跨中下撓對比分析[J]. 公路工程， 2020， 45（4）： 1-12+35.

[4] 趙國虎， 付佰勇， 周登燕. 波形鋼腹板組合梁橋的特性及應用[J]. 公路， 2017， 62（7）： 120-124.

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[7] 賀君， 劉玉擎， 呂展， 等. 內襯混凝土對波形鋼腹板組合梁橋力學性能的影響[J]. 橋梁建設， 2017， 47（4）： 54-59.

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