波紋鋼腹板連續梁橋動力特性及抗震性能分析

楊源源

摘要：波紋鋼腹板連續梁橋是一種新型的橋梁結構形式，具有受力合理、施工方便、經濟指標好的優點，具有很好的發展前景。我國波紋鋼腹板連續梁橋的設計、研究、制造等正處于起步階段，積累不充分，有較多的問題未解決，如剪力滯效應、腹板抗震剪性能以及地震響應特性等。本文介紹了波紋鋼腹板連續梁橋的設計方法，通過動力時程分析了波紋鋼腹板連續梁橋動力特性及抗震性能。

關鍵詞：波紋鋼腹板；抗震性能；動力時程分析

波紋鋼腹板橋梁符合現代橋梁“輕質、高強、大跨徑”的發展趨勢，在國內越來越被關注。在梁橋、矮塔斜拉橋等橋型上，波紋鋼腹板梁的優勢可以使其成為設計者一個優秀的選擇。在法、日等國已有多座波紋鋼腹板橋梁的建成，國內也已初現發展應用前景，但已建成或者在建的橋梁卻寥寥無幾，在理論積累和實踐積仍顯不足。

一、波紋鋼腹板連續梁橋的設計

表1列出了國內部分已建成通車的波紋鋼腹板梁橋，在建的大跨度波紋鋼腹板梁橋有南京滁河大橋和鄄城黃河公路大橋等。國內在建的大跨度波紋鋼腹板梁橋有南京滁河大橋和鄄城黃河公路大橋等。目前已建成的橋梁基本都屬于試驗探索性小跨徑橋梁，施工方式幾乎都采用支架現澆。而在建的國內外大跨度波紋鋼腹板梁橋都與成熟高效的懸臂施工或頂推施工方式相結合，使得其適用性大大擴展。另外該橋型克服了目前混凝土腹板容易出現病害的隱患，并具有施工速度快、減小下部結構規模和造價的優勢。正是基于以上優點，并結合橋址建設條件，南京長江第四大橋項目中的滁河大橋采用了三跨變截面波紋鋼腹板連續梁的結構形式，橋跨布置為 53m + 96m + 53m，橋寬16.75m，單箱單室截面。跨中梁高3m，根部梁高 6.5m，以 1.6 次拋物線過渡。腹板采用直腹板形式，中心間距為 7.5m，波長1600mm，波高220mm。預應力配束采用體內體外混合配束。

波紋鋼腹板橋梁的設計，與常規橋梁的設計流程類似，但也有其特殊的地方。其設計主要包括四個部分，總體設計（結構一般構造等）、細節設計（連接與局部受力等）、深入設計（動力特性等）和耐久性設計。

波紋鋼腹板橋梁的特殊性，就在于其波折腹板的 風琴效應，以及與混凝土頂、底板組成的截面拉、壓、彎、剪、扭特性，同時其鋼混連接部位的強度、疲勞、耐 久性等也是需要特別重視的地方。

設計過程中還要兼顧施工的可行性，如波紋鋼腹板架設時開口截面的抗扭臨時支撐的設置等。懸臂施工、頂推等不同的施工方法也會造成總體設計和構造細節上的不同。

二、波紋鋼腹板連續梁橋動力時程分析法

在強震作用下，結構常處于彈塑性的狀態，同時產生很大的塑性變形，人們由此開始意識到在抗震中結構延性的重要性。動力時程分析法首先需要輸入適當的地震動，其中考慮了結構、土和深基礎相互作用、地震波相位差及不同地震波多分量多點輸入等因素，這是因素都是反應譜理論不能反應出來的，同時采用多節點多自由度的結構有限元動力計算模型建立地震振動方程，然后利用數學計算方法即逐步積分法來求解方程，計算地震過程中結構的瞬時位移、瞬時速度及加速度反應，從而得出地震作用下，結構在彈性和非彈性階段的內力變化以及構件從開裂到嚴重損壞最后倒塌的全過程。動力時程分析的計算結果比其它方法更加接近震害的實際情況，因此，相對反應譜法，該方法是公認的更為精細的一種分析方法。

三、波紋鋼腹板連續梁橋抗震分析

波紋鋼腹板連續梁橋是一種經濟、高效、施工簡便的新型橋梁形式。自從1988年ACSI協會將波紋鋼腹板連續梁橋作為橋梁結構進行介紹后，世界各國均圍繞這一新的結構進行研究。

黃小國和胡大林等以一四跨連續鋼構橋為工程背景，研究地震波的輸入組合方式對橋梁抗震的影響，組合方式采用各方向的單波與三向波正交，主梁和橋墩的內力增大，墩地位移減小。竹曉華以工程實例某三跨雙線連續鋼構橋為背景，研究發現可以通過控制橋墩截面的配筋率來滿足規范要求的設防標準，即“小震不壞，大震不倒”。

1990年，德國大學的對波紋鋼腹板箱梁截面進行了理論和有限元分析，發現其抗扭常數不同于平腹板箱梁的抗扭常數，波紋鋼腹板箱梁截面的抗扭常數不受翼緣板屈曲的影響，是它的截面翅曲常數比平面腹板箱梁的要高，并且沿著翼緣板的縱向翅曲減小。

1997年，英國大學的教授對波紋鋼腹板的腹板進行了幾何優化，他對試驗梁進行了純彎、彎剪組合荷載作用下的試驗，并與所建立的有限元模型進行對比計算，推導了計算波紋鋼腹板有效剪切模量的公式

2008年，北京交通大學的劉保東等人制作了實體波紋鋼腹板試驗箱梁進行了動力試驗，推導了波紋鋼腹板箱梁扭轉振動的計算方法，并考慮了有橫隔板和無橫隔板的情況，進行了有限元分析對比，表明推導的理論方法具有良好的精度，并提出在跨內合理的增設橫隔板可以提高波紋鋼腹板箱梁橋的抗扭剛度并改善其動力性能的結論。同年，其又對比分析了試驗數據和有限元模型進行對比分析，對于波紋鋼腹板箱梁抗扭剛度比較小的特點，提出了可以增加橫隔板來增加抗扭剛度的方法，發現在波紋鋼腹板簡支箱梁橋的端部附近適當的增設橫隔板對改善其抗扭剛度的動力特性效果最明顯。

地震動的隨機性和地面運動在空間上顯著變化決定了橋梁地震反應分析必須采用空間有限元分析模式。通過對橋墩，橋面系和邊界條件進行大量的簡化，采用梁單元或桿單元來建立二維或是三維的有限元模型。計算模式的模擬著重于結構的剛度、質量和邊界條件的模擬：剛度的模擬主要是指桿件的軸向剛度、彎曲剛度、剪切剛度、扭轉剛度的模擬等；質量的模擬只要是指桿件的平動質量和轉動慣量的模擬。邊界條件的模擬應和結構的支撐條件相符合。

結束語：

近年來，我國地震頻發，作為生命線工程的橋梁結構如在地震作用力下發生破壞，將導致嚴重的次生災害，危害人民群眾的生命和財產安全。因此對這種新型橋梁，研究其動力特性和地震反應特點，探討其在地震作用下的薄弱環節，為建立合理的抗震結構體系提供科學依據，這些都具有重要的現實意義。

參考文獻：

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