大跨度波形鋼腹板連續剛構橋自振特性分析

肖 雄 黃志霜

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

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大跨度波形鋼腹板連續剛構橋自振特性分析

肖 雄 黃志霜

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

通過對某雙幅單箱單室波形鋼腹板連續剛構橋進行有限元分析，得出該波形鋼腹板連續剛構橋的自振特性，并依據承載能力等效原則，建立了相應的PC連續剛構橋有限元模型進行對比，分析了樁土效應、墩柱系梁及波形鋼腹板幾何形狀參數等因素對橋梁自振特性的影響，得出了一些有價值的結論。

連續剛構橋，波形鋼腹板，自振特性，樁土效應

0 引言

波形鋼腹板PC組合箱梁是一種新型的鋼—混凝土組合結構，由混凝土頂底板、預應力筋和波形鋼腹板三部分組成[1]。該結構充分利用了混凝土抗壓，波形鋼腹板抗剪屈服強度高的優點，有效地將鋼、混凝土兩種材料結合起來，揚長避短，提高了材料的使用效率，是一種經濟、合理、高效的結構形式[2]。

波形鋼腹板PC組合箱梁橋因其自重降低，相對于混凝土箱梁橋在抗震方面具有明顯優勢，因此對其動力特性的研究具有重要意義。本文就某一雙幅單箱單室波形鋼腹板連續剛構橋，應用有限元軟件Midas Civil建立全橋空間有限元模型，主要就結構構造方面，以及不同的結構參數變化等因素對橋梁自振特性的影響進行計算分析。

1 工程概況

大橋為1座4跨波形鋼腹板—混凝土組合連續剛構橋，總體跨度布置為(57+100+100+57)m，主橋分為左右兩幅，單幅橋面寬度為13 m。主梁采用單箱單室截面，墩頂處梁高6.2 m，跨中合龍段梁高3.2 m，箱梁梁高按1.8次拋物線變化。波形鋼腹板與混凝土頂底板垂直，在距離主梁根部一定范圍內設置腹板內襯混凝土。

2 有限元模型

利用有限元軟件Midas Civil建立波形鋼腹板箱梁連續剛構橋有限元模型以及等效的PC箱梁連續剛構橋有限元模型。其中混凝土腹板厚度等效原則為：在剪力作用下，腹板能承受相同的剪力[3，4]。波形鋼腹板箱梁連續剛構橋和PC箱梁連續剛構橋2個有限元模型除腹板不同外，其余尺寸均一致，主梁截面如圖1所示。模型以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸，有限元模型如圖2所示。

通過有限元分析計算，波形鋼腹板箱梁連續剛構橋和PC箱梁連續剛構橋上部結構自重分別為：2.37×105kN，2.86×105kN。波形鋼腹板箱梁連續剛構橋上部結構自重相對PC箱梁連續剛構橋減少17%左右。2座橋主梁截面特性值如表1所示。由表1可知，波形鋼腹板連續剛構橋主梁根截面面積(A)、繞x軸慣性矩(Ixx)、繞y軸慣性矩(Iyy)和繞z軸慣性矩(Izz)分別是PC連續剛構橋主梁的0.57倍，0.28倍，0.85倍和0.57倍；跨中截面則分別是0.8倍，0.47倍，0.92倍和0.81倍。即波形鋼腹板主梁的截面剛度明顯低于預應力混凝土主梁，且扭轉剛度(Ixx)尤為突出。

表1 2座橋主梁截面特性值

橋型梁根截面跨中截面A/m2Ixx/m4Iyy/m4Izz/m4A/m2Ixx/m4Iyy/m4Izz/m4PC連續剛構橋20.98149.83103.40163.7610.4930.2914.81100.89波形鋼腹板連續剛構橋12.0342.3887.9393.038.3914.1813.6581.74比值0.570.280.850.570.800.470.920.81

3 橋梁自振特性分析

由計算分析分別得到波形鋼腹板箱梁連續剛構橋和PC箱梁連續剛構橋的前10階自振頻率和振型特征，如表2所示，波形鋼腹板連續剛構橋前5階振型圖見圖3。由圖表可知，2座橋前5階振型特征基本相同，波形鋼腹板箱梁連續剛構橋自振頻率總體上略小于PC連續剛構橋。

表2 2座橋基本動力特性

4 樁土效應對橋梁自振特性的影響

分別建立波形鋼腹板連續剛構橋考慮實際“樁土效應”和不考慮“樁土效應”的空間有限元模型，分析“樁土效應”對波形鋼腹板連續剛構橋自振特性的影響。由表3可知，考慮實際“樁土效應”模型的一階自振頻率相對不考慮“樁土效應”模型低10.7%左右。

表3 橋梁基本動力特性

5 橋墩之間系梁對橋梁自振特性的影響

分別建立左右幅橋墩之間無系梁模型、有系梁模型(實際結構)以及多系梁有限元模型，各系梁布置情況如圖4所示，各方案動力特性計算結果見表4。

表4 各方案動力特性計算結果

模態階次方案一方案二方案三頻率/Hz振型特征頻率/Hz振型特征頻率/Hz振型特征10.4574順橋向0.4573順橋向0.4494順橋向20.5079正對稱橫橋向0.6874正對稱橫橋向0.6982正對稱橫橋向30.5129順橋向1.2037反對稱橫向+豎向1.2331反對稱橫向+豎向40.5270正對稱橫橋向1.3527反對稱豎向1.3510反對稱豎向51.0141反對稱橫橋向1.5689正對稱橫向1.5931正對稱橫向61.0290反對稱橫橋向1.6924正對稱豎向1.6880正對稱豎向71.3568反對稱豎向1.7804反對稱豎向1.8125反對稱豎向81.4106反對稱豎向1.9091正對稱豎向1.9385正對稱豎向91.5351正對稱橫橋向2.4179反對稱豎向2.4143反對稱豎向101.5608正對稱橫橋向2.4365反對稱橫向2.4886反對稱橫向

由表4可得，方案二(中墩雙系梁，邊墩單系梁)相對方案一(無系梁)順橋向一階自振頻率基本相同，但橫橋向一階自振頻率增大近35%，并且前10階自振頻率均有所增大，說明墩柱之間的系梁對提高結構橫向剛度有重要意義；同時，對于方案三(中墩雙系梁，邊墩雙系梁)相比方案二而言自振頻率變化不大，因此方案二即中墩采用雙系梁，邊墩采用單系梁為最優選擇。

6 波紋形狀對橋梁自振特性的影響

波形鋼腹板的幾何形狀參數包括波高h、子板寬b、折疊角α，考慮到鋼板的加工需要，波形鋼腹板每一子板寬度都相同[5]。因此，波形鋼腹板形狀參數獨立變量只有兩個，即子板寬b以及折疊角α。

為分析波形鋼腹板的波紋形狀對橋梁自振特性的影響，分別考慮兩種情況：1)保持子板寬度b=430 mm不變，折疊角α=10°～50°；2)保持折疊角α=30°不變，子板寬度b=200 mm～600 mm。橋梁各方向一階自振頻率變化如圖5，圖6所示。

由圖5，圖6可知，當波形鋼腹板子板寬b不變時，橋梁順橋向、橫橋向及豎向一階自振頻率均隨著折疊角α在10°～50°之間增大而逐漸減??；當折疊角α不變時，橋梁順橋向、橫橋向及豎向一階自振頻率在子板寬200 mm～300 mm和400 mm～500 mm區間內逐漸減小，在子板寬300 mm～400 mm和500 mm～600 mm區間內逐漸增大。

7 結語

通過對某一雙幅單箱單室波形鋼腹板連續剛構橋進行自振特性分析，可得出以下結論：1)相對PC箱梁連續剛構橋而言，波形鋼腹板箱梁連續剛構橋上部結構自重大大降低，即結構抗震性能得到顯著提高。2)波形鋼腹板連續剛構橋總體自振頻率略小于等效PC連續剛構橋；2座橋前5階振型特征基本相同。3)考慮結構“樁土效應”與否，對波形鋼腹板連續剛構橋自振頻率影響較大，建議在有限元模型中按實際情況模擬樁土相互作用。4)針對雙幅單箱單室波形鋼腹板連續剛構橋，橋墩之間的系梁對提高橋梁整體橫向剛度有重要意義。5)波形鋼腹板折疊角α在10°～50°之間增大，橋梁一階自振頻率逐漸減小；波形鋼腹板子板寬度在不同的取值區間變化，對橋梁自振特性的影響不同，設計時建議按實際情況合理取值。

[1] 陳宜言.波形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.

[2] 徐 強，萬 水.波形鋼腹板PC組合箱梁橋設計與應用[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 張長青,安永日,安里鵬.波形鋼腹板連續剛構橋的地震響應分析[J].橋梁建設,2011(3):17-21.

[4] 孫凌巖.波形鋼腹板箱梁矮塔斜拉橋結構行為研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[5] 孫曉紅，賀國京，謝 嵐.PC波形鋼腹板箱梁橋動力特性參數研究[J].公路工程，2013(3):123-125.

On self-vibration features of large-span corrugated steel web continuous stiff bridge

Xiao Xiong Huang Zhishuang

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

According to the finite element analysis of double-amplitude single-box and single room continuous stiff bridge, the paper concludes the self-vibration features of the corrugated steel web continuous stiff bridge, establishes respective PC continuous stiff bridge by referring to the loading capacity and undertakes the comparison of the finite element model, analyzes the influence of the bridge self-vibration features including the pile soil effect, pier column beam, and geometric shapes of the corrugated steel web, and achieves some conclusions.

continuous stiff bridge, corrugated steel web, self-vibration feature, pile soil effect

1009-6825(2016)16-0180-03

2016-03-23

肖 雄(1992- )，男，在讀碩士

U448.23

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