何曉暉

【摘要】在大跨徑波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計中，跨間橫隔板的設(shè)置是該類型橋梁設(shè)計中的難點之一。與常規(guī)計算箱梁畸變應(yīng)力作為控制設(shè)計的方式不同，本文通過采用建立Ansys有限元模型分析結(jié)構(gòu)模態(tài)方法，分析跨間橫隔間距、厚度等參數(shù)對梁橋動力特性的影響，為參數(shù)化分析結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)（彎扭）振型及相應(yīng)的頻率，提供了一種可解決確定跨間橫隔板設(shè)置數(shù)量和位置的較好設(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】波形鋼腹板； 組合結(jié)構(gòu) ；結(jié)構(gòu)模態(tài)； 橫隔板； 大跨徑梁橋

概述

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路上的重點工程龍馬紅水河特大橋方案跨徑布置為100m+180m+100m，采用波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)，該橋主跨跨度目前為國內(nèi)同類梁式橋梁第一。橋梁箱梁總寬為26.5m，左、右雙幅布置，單幅橋?qū)挒?3m，雙幅橋中央預(yù)留0.5m 凈距。主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁斷面，中墩處箱梁高為11.25m，跨中及邊墩點處梁高為4.2m，梁高按1.6次拋物線變。下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙薄壁實體墩，單肢壁厚1.8m，肢間凈距7m，基礎(chǔ)為承臺群樁基礎(chǔ)。

波形鋼腹板預(yù)PC箱梁因腹板為具有折皺效應(yīng)的波形鋼板，與普通混凝土箱梁相比，抗扭剛度和抗剪剛度分別降低約40%、10%。因此，為保證波形鋼腹板箱梁必要的結(jié)構(gòu)抗扭剛度，按規(guī)范《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標準》CJJ/T 272中的相關(guān)要求，該類箱梁不僅在支座處設(shè)置橫隔梁，跨間也必須設(shè)置一定數(shù)量的橫隔板。跨間橫隔板的設(shè)置是以端橫隔梁（中墩頂、邊墩頂）設(shè)置為前提，墩頂橫隔梁為傳遞支點集中荷載所必須的構(gòu)造，跨間橫隔板的設(shè)置一方面增大箱梁抗扭剛度，另一方面又會增加箱梁質(zhì)量，這兩重作用，是互為正負的。在波形鋼腹板PC箱梁應(yīng)用初期，因認識問題，橫隔板設(shè)置較密（間距較?。谔卮罂鐝竭B續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計中如何合理設(shè)置跨間橫隔是一個難點。與常規(guī)計算箱梁畸變應(yīng)力的作為控制設(shè)計的方式不同，本文采用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法，重點分析了不同跨間橫隔板數(shù)量布置及厚度對波形鋼腹板箱梁動力特性的影響。

圖1b 波形鋼腹板組合箱梁構(gòu)造圖

2.結(jié)構(gòu)有限元分析

采用ANSYS通用有限元分析程序建立了13個計算模型，半跨內(nèi)的跨間橫隔板數(shù)量由0～6個依次遞增，橫隔厚度尺寸設(shè)置為0.3m和0.5m，分別分析每個模型的自振特性及在偏載作用下的扭轉(zhuǎn)位移。混凝土頂板、底板、隔梁等均采用solid45實體單元模擬，梁體物理參數(shù)按C60混凝土取值，橋墩物理參數(shù)按C50混凝土取值。波形鋼腹板采用shell63殼單元模擬，其物理參數(shù)按Q345鋼材取。支座節(jié)點的約束按單雙向支座布置約束相應(yīng)自由度，墩底固結(jié)。波形鋼腹板與混凝土頂、底板以及內(nèi)襯混凝土采用共用節(jié)點的方式連接。模型總節(jié)點個數(shù)為194208個，單元個數(shù)為127916個。

2.1 隔板數(shù)量參數(shù)化模型

采用APDL語言在全橋鋼腹板的平波段內(nèi)設(shè)置跨間橫隔板，橫隔板厚度分為0.3m、0.5m兩種類型，在中跨內(nèi)數(shù)量由0～12片依次遞增，中跨1/2跨跨間橫隔板的數(shù)量及位置見下圖3。

2.2橋梁結(jié)構(gòu)整體自振特性分析

通過對模型進行動力特性分析，提取前10階振型數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?-、表2。

由上述表1、表2數(shù)據(jù)顯示，橋梁扭轉(zhuǎn)基頻振型均出現(xiàn)在第3階，其自振頻率變化匯總?cè)鐖D5。

根據(jù)以上變化趨勢分析，隨著橫隔板數(shù)量的增加，對自振特性有兩方面的影響。一方面，跨間橫隔板的增加導(dǎo)致橋梁質(zhì)量略有增大，而橫隔板的設(shè)置對橋梁的抗彎剛度幾乎沒有影響，這使得橋梁的豎彎、平彎振型的自振頻率稍有減小，但減小的幅度非常?。涣硪环矫?，橫隔板的增加導(dǎo)致橋梁抗扭剛度增加，橫隔板半跨個數(shù)從0到1個時，橋梁的扭轉(zhuǎn)振型自振頻率有所增加，但之后增加橫隔板個數(shù)及厚度時，扭轉(zhuǎn)自振頻率均為下降，增加橫隔板個數(shù)及厚度而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度對頻率影響沒有質(zhì)量改變影響大。

總的來說，中橫隔板的設(shè)置會改變橋梁的扭轉(zhuǎn)振型的自振頻率，但改變的幅度很小，并且中橫隔板的設(shè)置對橋梁各種振型出現(xiàn)階次順序的影響也不大。即便是在不設(shè)中橫隔的情況下，扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)的階次也是在第3階，也就是說即便在不設(shè)中橫隔的情況下，在豎向地震作用、車輛等活載的激勵作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)的主要振動形態(tài)仍然是以豎彎為主。

2.3箱梁跨中扭轉(zhuǎn)位移分析

按中跨跨中截面位移影響線進行縱橋向車道加載，橋梁位移計算如圖6、圖7（圖中為半跨4個橫隔，橫隔厚度0.5m，其他模型變化趨勢與此類似）。

對所有模型進行對稱布置荷載、偏載布置，計算得到中跨跨中A點位置（距離梁中心3.5m處梁頂面）撓度如表3、表4。

半跨橫隔板不同個數(shù)及厚度時，相對扭轉(zhuǎn)剛度變化匯總圖8。

由以上圖表分析，隨著跨間橫隔板數(shù)量及厚度的增加，抗扭剛度逐漸增加，由扭轉(zhuǎn)引起偏載側(cè)的腹板豎向及扭轉(zhuǎn)撓度逐漸減小。當(dāng)本橋半跨設(shè)置2個以上橫隔時，抗扭剛度的增加與橫隔的個數(shù)基本呈線性關(guān)系，半跨設(shè)置4個以上橫隔時，抗扭剛度增加變緩，橫隔厚度（0.3m厚-0.5m厚）對抗扭剛度的影響不是特別大。

3.結(jié)語

3.1當(dāng)本橋半跨設(shè)置2個以上橫隔時，抗扭剛度的增加與橫隔的個數(shù)基本呈線性關(guān)系，半跨設(shè)置4個以上橫隔時，抗扭剛度增加變緩，橫隔厚度（0.3m、0.5m）對抗扭剛度的影響不大。本橋半跨設(shè)置4個橫隔，厚度0.3m，由偏載引起的橫坡為0.05%，與橋面2.0%橫坡相比很小，可以滿足正常使用要求，是本橋設(shè)計中最優(yōu)采用的技術(shù)方案。

3.2波形鋼腹板PC箱梁橫隔設(shè)置理論上可用結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)（彎扭）振型相應(yīng)的頻率與振型階數(shù)控制。經(jīng)計算，本橋中橫隔設(shè)置個數(shù)及厚度的不同會改變橋梁的扭轉(zhuǎn)振型的自振頻率，但改變的幅度較小，中橫隔板的設(shè)置對橋梁各種振型出現(xiàn)階次順序的影響不大。

3.3根據(jù)計算成果，實際工程設(shè)計中可設(shè)置整體式全鋼結(jié)構(gòu)的橫隔板，在構(gòu)件輕型化設(shè)計的同時也能進一步節(jié)約橫隔板的現(xiàn)場施工工期。

3.4與現(xiàn)在常用的計算波形鋼腹板組合箱梁畸變應(yīng)力方法比較，本文采用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法能較好的反映橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，分析結(jié)果更加直觀和清晰，值得進一步推廣和使用。

參考文獻

[1]陳宜言.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計與施工[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]劉玉擎，陳艾榮.組合折腹橋梁設(shè)計模式指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

（作者單位：深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，深圳 518029）

【中圖分類號】U443

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）04-0054-04