大跨度波形钢腹板连续刚构桥自振特性分析

肖雄黄志霜

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

大跨度波形钢腹板连续刚构桥自振特性分析

肖雄黄志霜

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

通过对某双幅单箱单室波形钢腹板连续刚构桥进行有限元分析，得出该波形钢腹板连续刚构桥的自振特性，并依据承载能力等效原则，建立了相应的PC连续刚构桥有限元模型进行对比，分析了桩土效应、墩柱系梁及波形钢腹板几何形状参数等因素对桥梁自振特性的影响，得出了一些有价值的结论。

连续刚构桥，波形钢腹板，自振特性，桩土效应

0 引言

波形钢腹板PC组合箱梁是一种新型的钢—混凝土组合结构，由混凝土顶底板、预应力筋和波形钢腹板三部分组成[1]。该结构充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板抗剪屈服强度高的优点，有效地将钢、混凝土两种材料结合起来，扬长避短，提高了材料的使用效率，是一种经济、合理、高效的结构形式[2]。

波形钢腹板PC组合箱梁桥因其自重降低，相对于混凝土箱梁桥在抗震方面具有明显优势，因此对其动力特性的研究具有重要意义。本文就某一双幅单箱单室波形钢腹板连续刚构桥，应用有限元软件Midas Civil建立全桥空间有限元模型，主要就结构构造方面，以及不同的结构参数变化等因素对桥梁自振特性的影响进行计算分析。

1 工程概况

大桥为1座4跨波形钢腹板—混凝土组合连续刚构桥，总体跨度布置为(57+100+100+57)m，主桥分为左右两幅，单幅桥面宽度为13 m。主梁采用单箱单室截面，墩顶处梁高6.2 m，跨中合龙段梁高3.2 m，箱梁梁高按1.8次抛物线变化。波形钢腹板与混凝土顶底板垂直，在距离主梁根部一定范围内设置腹板内衬混凝土。

2 有限元模型

利用有限元软件Midas Civil建立波形钢腹板箱梁连续刚构桥有限元模型以及等效的PC箱梁连续刚构桥有限元模型。其中混凝土腹板厚度等效原则为：在剪力作用下，腹板能承受相同的剪力[3，4]。波形钢腹板箱梁连续刚构桥和PC箱梁连续刚构桥2个有限元模型除腹板不同外，其余尺寸均一致，主梁截面如图1所示。模型以顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴，有限元模型如图2所示。

通过有限元分析计算，波形钢腹板箱梁连续刚构桥和PC箱梁连续刚构桥上部结构自重分别为：2.37×105kN，2.86×105kN。波形钢腹板箱梁连续刚构桥上部结构自重相对PC箱梁连续刚构桥减少17%左右。2座桥主梁截面特性值如表1所示。由表1可知，波形钢腹板连续刚构桥主梁根截面面积(A)、绕x轴惯性矩(Ixx)、绕y轴惯性矩(Iyy)和绕z轴惯性矩(Izz)分别是PC连续刚构桥主梁的0.57倍，0.28倍，0.85倍和0.57倍；跨中截面则分别是0.8倍，0.47倍，0.92倍和0.81倍。即波形钢腹板主梁的截面刚度明显低于预应力混凝土主梁，且扭转刚度(Ixx)尤为突出。

表1 2座桥主梁截面特性值

桥型梁根截面跨中截面A/m2Ixx/m4Iyy/m4Izz/m4A/m2Ixx/m4Iyy/m4Izz/m4PC连续刚构桥20.98149.83103.40163.7610.4930.2914.81100.89波形钢腹板连续刚构桥12.0342.3887.9393.038.3914.1813.6581.74比值0.570.280.850.570.800.470.920.81

3 桥梁自振特性分析

由计算分析分别得到波形钢腹板箱梁连续刚构桥和PC箱梁连续刚构桥的前10阶自振频率和振型特征，如表2所示，波形钢腹板连续刚构桥前5阶振型图见图3。由图表可知，2座桥前5阶振型特征基本相同，波形钢腹板箱梁连续刚构桥自振频率总体上略小于PC连续刚构桥。

表2 2座桥基本动力特性

4 桩土效应对桥梁自振特性的影响

分别建立波形钢腹板连续刚构桥考虑实际“桩土效应”和不考虑“桩土效应”的空间有限元模型，分析“桩土效应”对波形钢腹板连续刚构桥自振特性的影响。由表3可知，考虑实际“桩土效应”模型的一阶自振频率相对不考虑“桩土效应”模型低10.7%左右。

表3 桥梁基本动力特性

5 桥墩之间系梁对桥梁自振特性的影响

分别建立左右幅桥墩之间无系梁模型、有系梁模型(实际结构)以及多系梁有限元模型，各系梁布置情况如图4所示，各方案动力特性计算结果见表4。

表4 各方案动力特性计算结果

模态阶次方案一方案二方案三频率/Hz振型特征频率/Hz振型特征频率/Hz振型特征10.4574顺桥向0.4573顺桥向0.4494顺桥向20.5079正对称横桥向0.6874正对称横桥向0.6982正对称横桥向30.5129顺桥向1.2037反对称横向+竖向1.2331反对称横向+竖向40.5270正对称横桥向1.3527反对称竖向1.3510反对称竖向51.0141反对称横桥向1.5689正对称横向1.5931正对称横向61.0290反对称横桥向1.6924正对称竖向1.6880正对称竖向71.3568反对称竖向1.7804反对称竖向1.8125反对称竖向81.4106反对称竖向1.9091正对称竖向1.9385正对称竖向91.5351正对称横桥向2.4179反对称竖向2.4143反对称竖向101.5608正对称横桥向2.4365反对称横向2.4886反对称横向

由表4可得，方案二(中墩双系梁，边墩单系梁)相对方案一(无系梁)顺桥向一阶自振频率基本相同，但横桥向一阶自振频率增大近35%，并且前10阶自振频率均有所增大，说明墩柱之间的系梁对提高结构横向刚度有重要意义；同时，对于方案三(中墩双系梁，边墩双系梁)相比方案二而言自振频率变化不大，因此方案二即中墩采用双系梁，边墩采用单系梁为最优选择。

6 波纹形状对桥梁自振特性的影响

波形钢腹板的几何形状参数包括波高h、子板宽b、折叠角α，考虑到钢板的加工需要，波形钢腹板每一子板宽度都相同[5]。因此，波形钢腹板形状参数独立变量只有两个，即子板宽b以及折叠角α。

为分析波形钢腹板的波纹形状对桥梁自振特性的影响，分别考虑两种情况：1)保持子板宽度b=430 mm不变，折叠角α=10°～50°；2)保持折叠角α=30°不变，子板宽度b=200 mm～600 mm。桥梁各方向一阶自振频率变化如图5，图6所示。

由图5，图6可知，当波形钢腹板子板宽b不变时，桥梁顺桥向、横桥向及竖向一阶自振频率均随着折叠角α在10°～50°之间增大而逐渐减小；当折叠角α不变时，桥梁顺桥向、横桥向及竖向一阶自振频率在子板宽200 mm～300 mm和400 mm～500 mm区间内逐渐减小，在子板宽300 mm～400 mm和500 mm～600 mm区间内逐渐增大。

7 结语

通过对某一双幅单箱单室波形钢腹板连续刚构桥进行自振特性分析，可得出以下结论：1)相对PC箱梁连续刚构桥而言，波形钢腹板箱梁连续刚构桥上部结构自重大大降低，即结构抗震性能得到显著提高。2)波形钢腹板连续刚构桥总体自振频率略小于等效PC连续刚构桥；2座桥前5阶振型特征基本相同。3)考虑结构“桩土效应”与否，对波形钢腹板连续刚构桥自振频率影响较大，建议在有限元模型中按实际情况模拟桩土相互作用。4)针对双幅单箱单室波形钢腹板连续刚构桥，桥墩之间的系梁对提高桥梁整体横向刚度有重要意义。5)波形钢腹板折叠角α在10°～50°之间增大，桥梁一阶自振频率逐渐减小；波形钢腹板子板宽度在不同的取值区间变化，对桥梁自振特性的影响不同，设计时建议按实际情况合理取值。

[1] 陈宜言.波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 徐强，万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 张长青,安永日,安里鹏.波形钢腹板连续刚构桥的地震响应分析[J].桥梁建设,2011(3):17-21.

[4] 孙凌岩.波形钢腹板箱梁矮塔斜拉桥结构行为研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[5] 孙晓红，贺国京，谢岚.PC波形钢腹板箱梁桥动力特性参数研究[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，在读硕士

U448.23