鋼桁腹桿PC組合箱梁橋自振特性研究

方映平

（深圳市市政設計研究院有限公司,廣東深圳518029）

鋼桁腹桿PC組合箱梁橋自振特性研究

方映平

（深圳市市政設計研究院有限公司,廣東深圳518029）

為研究鋼桁腹桿預應力混凝土（P C）組合箱梁橋自振特性，以一座三跨連續波形鋼腹板P C組合箱梁橋為背景工程，將原箱梁中的波形鋼腹板用鋼桁腹桿代替，進行鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的設計。利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種分析軟件建立三維有限元模型，分析該橋型的自振特性。以橫隔板的布置為參數，研究其對鋼桁腹桿P C組合箱梁橋自振特性的影響。結果表明：鋼桁腹桿P C組合箱梁橋豎彎剛度小，抗扭剛度大；布置橫隔板對鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的豎彎剛度影響不大，對箱梁的橫彎剛度和抗扭剛度有一定影響，且當對橫隔板進行合理布置時，箱梁的抗扭剛度提高明顯。

鋼桁腹桿P C組合箱梁；自振特性；橫隔板；有限元法

0 引言

鋼桁腹桿P C組合箱梁橋作為一種新型組合橋梁結構，最早在1985年應用于法國的A r b o is橋，隨后這種橋型在日本、加拿大等國得到了一些應用[1]。這種新型組合橋梁結構的主要構造包括混凝土頂底板、鋼桁腹桿、體外和體內預應力索等，利用鋼桁腹桿代替傳統P C箱梁橋中的混凝土腹板，能夠有效減輕主梁自重，提高箱梁橋的跨越能力[2]。此外，這種箱梁結構中鋼桁腹桿節點集中，節點焊接量少，施工方便。目前，這種結構的優勢正逐漸得到國際土木工程界的廣泛認同，但總的來說，該結構還處于研究與發展階段，特別是其動力特性的研究。本文以一座三跨連續波形鋼腹板P C組合箱梁橋為背景工程，將原箱梁中的波形鋼腹板用鋼桁腹桿代替，進行鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的設計，利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種軟件建立三維有限元分析模型，分析布置橫隔板對其自振特性的影響，從而為工程設計提出相關合理的建議。

1 工程概況

本文模型為80 m+130 m+80 m的三跨連續鋼桁腹桿P C組合箱梁橋。箱梁的頂板厚度為28 c m，在頂板與鋼桁腹桿連接處設置梗腋，梗腋的厚度為80 c m；底板的初始厚度為25 c m并逐漸向跨中支座處遞增至100 c m，底板與鋼桁腹桿連接處的厚度在底板厚度的基礎上加厚30 c m；頂板寬1 265 c m，底板寬660 c m。設計的鋼腹桿P C組合箱梁橋的標準截面尺寸如圖1所示。

圖1 鋼腹桿組合箱梁橋標準截面尺寸（單位：cm）

2 有限元模型

分別利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種軟件建立三維空間有限元模型，其中A N S Y S采用實體單元模型，M id a s C i v i l采用空間梁格模型[3]，兩種軟件建立的有限元模型參數見表1，局部有限元模型和全橋有限元模型分別如圖3和圖4所示。本文中鋼桁腹桿P C組合箱梁橋模型只建了上部結構，沒有考慮下部構造的橋墩，因此在原有橋墩位置處按三跨連續梁橋的支承形式對箱梁相應節點的自由度進行約束。

圖2 鋼腹桿組合箱梁橋1/2橋長立面簡圖（單位：cm）

表1 鋼腹桿PC組合箱梁橋有限元模型參數

圖3 局部有限元模型

圖4 全橋有限元模型

3 自振特性分析

在進行鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的自振特性分析前，先進行靜力分析，驗算設計的箱梁橋整體的變形以及各構件的強度是否滿足要求[4]，從而獲得合理的構件尺寸和結構布置。靜力分析時，考慮的荷載包括箱梁的自重、二期恒載、汽車荷載、預應力以及溫度效應等。

首先在不布置橫隔板的情況下對鋼桁腹桿P C組合箱梁橋進行自振特性分析，考慮到本文僅做成橋階段的自振特性分析，因此荷載僅考慮箱梁的自重及橋面上的二期恒載。提取兩種有限元軟件自振特性分析前八階模態的振型和頻率，見表2。

表2 ANSYS與Midas Civil有限元模型自振特性對比

從表2可知，模型的第一階模態表現為豎彎，說明對于中大跨度的鋼桁腹桿組合P C箱梁連續橋，其豎向抗彎剛度較小，這與傳統的混凝土腹板箱梁橋的動力特性類似。模型在第六階模態才開始出現扭轉，說明由混凝土頂底板以及鋼桁腹桿組成的箱梁截面同樣具有較大的抗扭剛度，組合截面整體性好。

前八階模態，除了扭轉振型的振動頻率差值大于10%以外，其他各階模態的頻率差值均在10%左右，這種差值的原因可能來自三方面：一是兩種分析軟件建模時分別采用不同的單元類型；二是頂底板與鋼腹桿的連接處理存在差異；三是兩種分析軟件建立的有限元模型的約束條件不完全一致。總的來說，A N S Y S與M id a s C i v i l自振分析得到的前八階模態的振型和頻率基本相近，說明所建立的鋼腹桿P C組合箱梁橋的有限元模型基本正確。

4 橫隔板布置對箱梁自振特性的影響

為研究橫隔板布置位置對鋼桁腹桿P C組合箱梁橋自振特性的影響規律，下面采用A N S Y S A P D L語言編寫參數化控制程序進行分析[5]。在上述有限元模型的基礎上，布置一道與頂底板固結的混凝土橫隔板，橫隔板厚度為0.4 m，除支座處墩上截面橫隔板移動間距稍小外，其他位置橫隔板的移動間距為4.8 m。分析時控制橫隔板的位置從橋的一端移動到另一端，在每道橫隔板位置進行一次模態分析，并從分析結果提取第一階豎彎、橫彎以及扭轉振型的振動頻率ω，繪制橫隔板位置對鋼腹桿P C組合箱梁橋第一階豎彎、橫彎以及扭轉振型影響效應的影響線。如圖5所示，橫坐標以箱梁全橋為參照，表示移動橫隔板的布置位置，縱坐標對應表示每道橫隔板對箱梁橋振動基頻影響的縮放系數（其中ω0表示原模型對應基頻的頻率）。

圖5 橫隔板對鋼腹桿箱梁橋豎彎、橫彎及扭轉基頻影響效應影響線

從圖5的影響線可以看出，布置橫隔板對鋼腹桿P C組合箱梁連續橋的自振特性有一定的影響：對于豎彎基頻而言，在支座附近的墩上截面處布置橫隔板，豎彎基頻基本沒有變化，而在箱梁跨內其他位置布置橫隔板，箱梁豎彎基頻反而有所下降，說明布置橫隔板對箱梁橋的豎彎剛度基本沒影響；當橫隔板布置在邊跨跨中兩側50 m以及中跨跨中兩側90 m左右區間內，橫彎基頻稍有下降，而在其他位置布置橫隔板，頻率增大，越靠近兩端支座位置，增幅越大，最大增幅為2.0%；布置橫隔板對鋼腹桿P C組合箱梁橋的扭轉基頻有一定的影響，當橫隔板布置在支座附近的墩上截面時，箱梁橋的扭轉頻率增大，而當橫隔板布置在跨內位置時，對箱梁橋的扭轉頻率影響不大。由自振特性分析可知，第一階扭轉振型為全橋扭轉，且扭轉成分主要發生在第三跨（210～290 m范圍），因此當橫隔板布置在第三跨支座附近的墩上截面時，效果最佳，此時頻率的提高幅度為4.4%。說明當需要通過布置橫隔板提高箱梁的扭轉剛度時，橫隔板宜布置在支座附近的墩上截面，且需結合扭轉振型的振動情況進行合理布置。

5 結語

本文利用有限元分析軟件建立了三跨連續的鋼桁腹桿P C組合箱梁橋有限元模型，對模型進行了自振分析，并以橫隔板位置為參數研究了橫隔板布置對該類結構體系的箱梁橋自振特性的影響，得出以下結論：

（1）本文利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種軟件建立有限元模型進行自振特性分析，兩種軟件的分析結果接近，說明建立的鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的有限元模型基本正確。

（2）鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的動力特性與普通P C組合箱梁橋類似，豎彎剛度小，抗扭剛度大，箱梁整體性能好。

（3）布置橫隔板對鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的豎彎剛度影響不大，對箱梁的橫彎剛度和抗扭剛度有一定影響。當橫隔板布置在靠近支座附近的墩上截面時，可有效提高抗扭剛度，但需結合扭轉振型的振動情況進行合理布置。

[1]張建東，劉釗，陳揚，等.桁腹-混凝土組合梁橋的發展與應用[C]//2010年全國橋梁會議論文集.南京，2010:144-147.

[2]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]黃華琪，張建東，劉釗.鋼桁腹式混凝土組合箱梁橋的空間梁格模型[J].現代交通技術，2011,8（6）:27-30.

[4]J T G D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]蓋衛明.大跨度波形鋼腹板組合箱梁橋的橫隔板設置研究[J].城市道橋與防洪，2014（7）:135-136.

U441

A

1009-7716（2017）06-0092-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.026

2017-03-06

方映平（1990-），男，廣東揭陽人，助理工程師，從事橋梁結構設計工作。