內襯混凝土對波紋鋼腹板連續剛構橋動力特性的影響

牟 開

（山西省交通科學研究院 太原市 030006）

內襯混凝土對波紋鋼腹板連續剛構橋動力特性的影響

牟 開

（山西省交通科學研究院 太原市 030006）

以日本本古橋為背景，采用有限元分析軟件Midas/Civil建立波紋鋼腹板連續剛構橋實體單元模型，研究內襯混凝土設置對波紋鋼腹板連續剛構橋動力特性的影響。研究結果表明：內襯混凝土的設置，使得波紋鋼腹板連續剛構橋的扭轉剛度降低，扭轉頻率減小；內襯混凝土厚度增加，扭轉剛度降低；內襯混凝土縱橋向長度增加，扭轉剛度呈現先降低后升高的趨勢。在波紋鋼腹板剛構橋設計時，不僅僅要考慮內襯混凝土對墩上塊應力傳遞的改善，而且應考慮內襯混凝土的設置對其動力特性的影響。

連續剛構橋；波紋鋼腹板；自振頻率；內襯混凝土

波紋鋼腹板組合箱梁橋是國內外新興的組合結構橋梁，具有自重小、抗震性能好、預應力效率高等優點［1-3］。它采用波紋鋼腹板代替普通混凝土腹板，箱梁自重減輕20%左右；腹板采用波紋鋼腹板，有效解決傳統混凝土箱梁腹板開裂這一病害，提高了腹板的耐久性；波紋鋼板的手風琴效應，可以提高預應力效率。

當波紋鋼腹板組合橋梁的跨徑較大時，箱梁根部截面高度相應較高，設計中一般考慮在墩頂附近波紋鋼腹板內側澆注混凝土以形成組合腹板結構，這部分混凝土被稱為內襯混凝土［4］，構造示意圖如圖1所示。

目前在波紋鋼腹板組合梁橋墩頂附近澆注內襯混凝土的方法已經被廣泛應用，對于內襯混凝土的受力性能已進行了較為深入的研究，并取得了一些研究成果［5-6］。但內襯混凝土的設置對波紋鋼腹板組合梁橋動力特性的影響鮮見相關研究。針對這種現狀，本文通過Midas/Civil建立波紋鋼腹板連續剛構橋實體單元模型研究內襯混凝土設置對波紋鋼腹板連續剛構橋動力特性的影響。

1　橋梁概況及有限元模型建立

本谷橋為日本北海道北陸汽專用公路中央位置處的波形鋼腹板組合箱梁橋，為世界第一座波形鋼腹板剛構橋，它的結構形式為3跨連續剛構，跨徑布置為：44.013m+97.202m+55.978m。主梁結構截面形式為波形鋼腹板混凝土變截面單箱單室組合箱梁（見圖2）。主要材料參數：箱梁的頂、底板混凝土采用C60混凝土，箱梁采用直腹板形式，鋼腹板采用Q345等級鋼材，厚度為8mm（見圖3）。

本文利用有限元軟件MIDAS/Civil建立波紋鋼腹板連續剛構橋實體單元模型。對橋墩單元約束底部的全部自由度，梁墩之間共節點模擬墩梁固結，邊跨兩端的邊界約束豎向位移、橫向位移及扭轉位移，縱向不約束，不考慮樁土共同作用。內襯混凝土和鋼腹板的連接在有限元中采用共節點模擬。有限元模型如圖4所示。

2 內襯混凝土設計

河南省地方標準［7］《公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范》（DB 41/T 643-2010）中規定：

（1）波形鋼腹板組合箱梁宜在橋墩臺頂橫隔梁外一定范圍內采用波形鋼腹板內襯混凝土的組合結構；

（2）對與波形鋼腹板連續梁橋和連續剛構橋，當橋梁各跨跨徑相差很大時，小跨徑可采用波形鋼腹板內襯混凝土來平衡大跨徑的內力；

（3）內襯混凝土厚度不宜小于200mm；

（4）波形鋼腹板與內襯混凝土的連接主要采用焊釘連接件。

3 內襯混凝土設置對波紋鋼腹板連續剛構橋動力特性的影響

波紋鋼腹板連續剛構橋的支點附近，要設置一段混凝土里襯，使波紋鋼腹板與墩上塊箱梁混凝土連成一體，使作用于支點截面附近的應力圓滑地向有波紋鋼腹板的截面傳遞；當波紋鋼腹板和墩上塊箱梁混凝土連成一體之后，使得波紋鋼腹板剛構橋在墩上塊附近的一體性增強，使結構的動力特性發生變化。因此本文研究內襯混凝土的設置位置、厚度t以及縱橋向長度l對波紋鋼腹板連續剛構橋動力特性的影響。

3.1內襯混凝土設置位置的影響

內襯混凝土的材料性質與頂、底板相同。保持箱梁截面不變，在兩橋墩墩上塊設置內襯混凝土，厚度為300mm、縱橋向長度為2400mm（波紋鋼板一個波長為1200mm），其設置位置分別設在墩上塊邊跨側、墩上塊中跨側、墩上塊兩側。采用有限元軟件對其進行計算，計算結果見表1。

表1　內襯混凝土設置在不同位置時波紋鋼腹板剛構橋的動力特性

由表1可以看出無論是在哪側設置內襯混凝土，都表明：加設內襯混凝土后會降低箱梁的扭轉振動頻率和縱橋向頻率，提高其豎向振動頻率；在邊跨側設置以及兩側均設內襯混凝土時，橫向頻率會增大，而設置在中跨測時，橫向頻率降低；內襯混凝土的加設位置影響到箱梁的扭轉振動頻率，在邊跨側和中跨側均設置內襯混凝土時，扭轉頻率最低。

3.2內襯混凝土厚度的影響

內襯混凝土的材料性質與頂、底板相同。保持箱梁截面不變，在兩橋墩墩上塊設置內襯混凝土，縱橋向長度為2400mm，最小厚度t依次取為300mm、400mm、500mm、600mm，其設置位置設在墩上塊兩側。采用有限元軟件對其進行計算，計算結果見表2。

從表2可以看出，隨著內襯混凝土厚度t的增加，波紋鋼腹板剛構橋的扭轉頻率逐漸減小，橫向頻率和縱橋向頻率也隨之減小，但豎向頻率逐漸增大。也就是說雖然采用適當厚度的內襯混凝土能夠使墩上塊應力有效地向腹板傳遞，但隨著厚度的增加，箱梁的扭轉剛度逐漸降低，減小箱梁的扭轉頻率。

表2　厚度　t不同時波紋鋼腹板剛構橋的動力特性

3.3內襯混凝土縱橋向長度的影響

內襯混凝土的材料性質與頂、底板相同。保持箱梁截面不變，在兩橋墩墩上塊設置內襯混凝土，內襯混凝土厚度為300mm，縱橋向長度l依次取為1200mm、2400mm、3600mm、4800mm，其設置位置設在墩上塊兩側。采用有限元軟件對其進行計算，計算結果見表3。

表3　縱橋向長度　l不同時波紋鋼腹板剛構橋的動力特性

由表3可以看出，隨著內襯混凝土縱橋向長度l的增加，橫向頻率和縱橋向頻率逐漸減小，豎向頻率增大；箱梁的扭轉頻率先減小后增大，因為隨著內襯混凝土縱橋向長度增加，波紋鋼腹板箱梁也逐漸向混凝土腹板箱梁發展，扭轉剛度增加。

4 結語

依據現有相關規范規定，通過改變內襯混凝土的設置位置、內襯混凝土最小厚度和內襯混凝土縱橋向長度，研究波紋鋼腹板連續剛構橋在不同內襯混凝土設置下的動力特性。主要結論有：

（1）波紋鋼腹板連續剛構橋的支點附近，設置一段混凝土里襯，使波紋鋼腹板與墩上塊箱梁混凝土腹板連成一體，使得作用于支點截面附近的應力圓滑地向有波紋鋼腹板的截面傳遞。

（2）內襯混凝土的設置，使得波紋鋼腹板連續剛構橋的扭轉剛度降低，扭轉頻率減小。并且隨著內襯混凝土厚度的增加，扭轉剛度也隨之降低；而內襯混凝土在縱橋向的長度的增加，扭轉剛度呈現先降低后升高的趨勢。

（3）在波紋鋼腹板剛構橋設計時，不僅僅要考慮內襯混凝土對墩上塊應力傳遞的改善，而且應考慮內襯混凝土的設置對其動力特性的影響。

［1］ 劉磊，錢冬生.波紋鋼腹板預應力結合梁橋［J］.國外公路，1999，19（1）：26-30.

［2］ 宋建永，王彤，張樹仁.波紋鋼腹板體外預應力混凝土組合梁橋［J］.東北公路，2002，25（1）：38-40.

［3］ 波形鋼腹板PC組合箱梁橋的施工［J］.山西交通科技，2007（5）：54-56.

［4］ 陳宜言，王用中.波紋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.

［5］ 劉朵，楊丙文，張建東，萬水.波形鋼腹板組合橋梁內襯混凝土抗剪性能研究［J］.世界橋梁，2013，41（6）.

［6］ 波形鋼腹板PC組合箱梁橋內襯混凝土鋼混組合段抗剪驗算［J］.公路，2013，12（12）：91-96.

［7］ 河南省地方標準.DB41/T 643-2010公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范［S］：鄭州：河南省質量技術監督局，2010.

Influence of Lining Concrete on Dynamic Properties of Continuous Rigid Frame Bridge with Corrugated Steel Web

MU Kai

（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China）

Taking an ancient bridge in Japan as the background，a solid element model of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is built by adopting a software of finite element analysis Midas/Civil，so asto study the influence of setup of lining concrete on dynamic properties of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web.The research result shows that：the torsional rigidity of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is reduced and the torsional frequency is decreased due to the setup of lining concrete；the thickness of lining concrete is increased，and the torsional rigidity is reduced；the longitudinal length of lining concrete is increased，and the torsional rigidity presents a tendency of first decreased and then increased.When performing the design on continuous rigid frame bridge with corrugated steel web，we should consider not only the improvement of lining concrete on stress transfer of block on the pier，but also the influence of setup of lining concrete on its dynamic properties.

Continuous rigid frame bridge；Corrugated steel web；Natural frequency of vibration；Lining concrete

U441

A

1673-6052（2016）01-0029-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.007