新型混合式鋼箱梁橋動力性能研究

李尚

（浙江浙交檢測技術有限公司，浙江 杭州 310015）

隨著經濟發展、城市擴張和路網交通的快速擴張覆蓋，高強度的交通運輸對于道路橋梁的結構性能也有了更高的需求。以混凝土為主材的預應力混凝土橋梁具備了造價低、剛度大、穩定性和整體性優良的優點，但其隨跨徑的增大，自重仍是阻礙跨越能力提高的主要因素；鋼結構橋梁以其跨越能力強、承載能力高、模塊化裝配等優勢普遍應用于公路、鐵路橋梁中，但鋼結構橋梁構件穩定性較差，且其造價高昂。綜合考慮預應力混凝土橋梁及鋼結構橋梁的各自優缺點，并發揮各自性能，混合梁結構就此得到了發展[1]。

針對橋梁的動力特性分析是隨著火車與汽車的大規模應用而逐漸發展進步的。在橋梁的實際使用中，車橋振動是一個極其復雜的過程，但隨著計算機的發展進步，學者們可以通過設計不同的有限元計算軟件以滿足對橋梁動力性能的模擬計算。許世杰采用振動模態的方法建立車—橋系統動力方程，進行數值分析計算。肖盛燮計算分析了不同車速、不同車輛質量作用時的連續梁橋結構動力反應變化[2]。Paultre 等[3]針對公路橋梁的實驗方法和數據處理技術，發展完善了一套通用的標準測試程序方法，并驗證了試驗對于有限元模型的驗證可靠性。Nassif 等[4]采用車輛動態稱重系統測量橋梁動力反應及對應的移動荷載，發現隨著車輛質量的增加沖擊系數不斷減小。Burdet 等[5]通過分析多座橋梁跨徑與其自振頻率的關系，發現橋梁自振頻率隨著其跨徑的增加不斷減小，并結合車輛動力荷載試驗的結果分析，發現橋梁剛度與自振頻率之間有著密切相關性。

本研究以長興金溪大橋為研究對象，系統研究了在車輛移動荷載作用下的鋼混結合段應力情況及各分離式鋼箱梁的動力性能。

1 工程概況

本文研究內容依托于長興金溪大橋，主橋結構為65m+40m+65m 的單箱砼—多箱鋼混合梁連續梁橋，金溪大橋整體結構如圖1 所示?；炷料淞簽閱蜗淙医Y構，箱梁頂面寬18.75m，兩側翼緣長為2.5m，底面寬為13.75m。金溪大橋主橋鋼箱梁長為40m，其斷面寬度與混凝土箱梁一致，但鋼箱梁采用的是四箱單室設計，鋼箱梁頂面總寬為18.75m，兩側翼緣長為2.5m，底面總寬為13.79m。

圖1 金溪大橋立面圖（單位：cm）

2 有限元模型

2.1 主梁模型

金溪大橋中跨鋼箱梁采用ABAQUS 軟件的殼單元進行構建。在各分離式鋼箱內頂板、底板、腹板設置縱向加勁肋；在鋼箱之間沿縱向每隔1.5m 設置有大小橫隔梁；同時在鋼混結合段按照圖紙尺寸建立有承壓板、PBL板、剪力釘及混凝土格室。在鋼混結合段部分，結合段的鋼箱梁部分（剪力釘、PBL 板及鋼箱梁端部）內嵌于預應力混凝土部分，且預應力鋼筋與鋼箱梁端部承壓板相連。

2.2 車輛模型

本文根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）[6]簡化標準五軸車輛模型，該模型包含由彈簧、軸質量塊和阻尼設備連接的剛體，用以模擬車輛的垂直、俯仰和滾動運動。切向行為的摩擦系數被指定為0.2。表1 列出了車輛模型機械和幾何的詳細參數，包括尺寸、軸載荷、懸架剛度和阻尼。通過在邊界條件中選擇均勻速度來模擬車輛速度。

表1 車輛模型參數

2.3 荷載工況

本文主要對移動車輛作用下的新型單箱砼- 多鋼箱混合梁橋的動力性能進行研究分析，其中車輛行駛速度、車輛不同車道行駛偏載情況及車輛軸重等均會對橋梁的動力性能產生影響，其中車道位置與鋼箱對應關系如圖2 所示。

圖2 車道布置圖

3 動力特性分析

3.1 沖擊系數

橋梁設計中需要考慮的重要因素是移動車輛的沖擊效應，一般表述為動態放大。在本研究中，沖擊系數定義為μ=(Rd-Rs)/Rs，其中Rs和Rd分別表示移動車輛荷載作用下橋梁上部結構的最大靜態和動態響應。結構撓度常被用作評估沖擊系數的代表性響應之一。

3.2 不同影響因素下的沖擊系數分析

3.2.1 車道及車速對沖擊系數的影響

圖3 分別為標準車輛以不同速度行駛于左、中、右車道時以各分離式鋼箱控制點的撓度為動力效應值計算得到的沖擊系數變化曲線。結果表明，在該新型混合梁橋結構中各分離式鋼箱的沖擊系數與行駛速度并不是完全的正相關，隨著車輛行駛速度的增加，各分離式鋼箱沖擊系數呈波動性上升趨勢；車輛作用于不同車道時，各分離式鋼箱系數變化趨勢基本一致，位移沖擊系數及應變沖擊系數均在速度達到50km/h 后出現下降趨勢，隨后在速度達70km/h 后沖擊系數出現大幅增加，隨后又呈現下降趨勢。

圖3 不同速度鋼箱梁位移沖擊系數

3.2.2 軸重對沖擊系數的影響

圖4 分別為不同軸重車輛以40km/h 的速度行駛于中車道時以各分離式鋼箱控制點的撓度、縱向應變為動力效應值計算得到的沖擊系數變化曲線。

圖4 不同軸重鋼箱梁位移沖擊系數

根據不同軸重情況的沖擊系數變化曲線圖，可以分析得出以下結論：

（1）各分離式鋼箱梁的沖擊系數隨著車輛軸重的增加而逐漸減小，但其在車輛荷載達到48t 時，沖擊系數減小，隨著車輛荷載的繼續增大，沖擊系數趨于穩定。

（2）其中A 點和B 點所在的鋼箱沖擊系數數值及變化趨勢均比較一致，其中當車輛在中車道行駛時，車輛荷載主要作用位置也是邊鋼箱和中鋼箱，說明邊鋼箱與中鋼箱整體協同受力性能較好。

4 結論

根據有限元模擬計算結果分析了新型單箱砼- 多箱鋼混合梁橋結構中分離式鋼箱在不同車道、不同車速及不同軸重的加載情況下的撓度應變情況及動力性能，結論如下：

4.1 隨著車速的增加，鋼箱梁的動力響應值出現不同的變化，但各分離式鋼箱的動力響應值變化情況基本一致，說明其整體的橫向協同受力性能良好；隨著車道變化，車輛移動荷載的偏載情況對于中鋼箱的動力響應值影響不大，說明分離式鋼箱在偏載情況下的結構性能穩定。

4.2 在不同軸重移動車輛荷載作用下，各鋼箱的動力響應值變化趨勢一致，主要變化的是其幅值，說明其承載能力較強，且對于不同軸重車輛的動力性能表現比較穩定，結構性能良好。

4.3 各分離式鋼箱的沖擊系數與行駛速度并不是完全的正相關，隨著車輛行駛速度的增加，各分離式鋼箱沖擊系數呈波動性上升趨勢。

4.4 各分離式鋼箱梁的沖擊系數隨著車輛軸重的增加而逐漸減小，各分離式鋼箱梁的沖擊系數隨著車輛軸重的增加而逐漸減小，但其在車輛荷載達到48t 時，沖擊系數增大。