大跨连续波形钢腹板组合箱梁桥的横隔板设置研究

盖卫明

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518029）

0 引言

波形钢腹板组合箱梁桥是一种具有自重轻、装配施工便捷、耐久性好、全寿命期经济效益高、节能环保、美观等众多优点[1-2]的新型组合结构桥梁。近几年，随着国内设计与施工技术的发展，此类桥梁的建设已由较小跨径的简支梁桥逐渐发展到了较大跨度的连续梁桥以及部分斜拉桥。在传统普通混凝土箱梁基础上，用波形钢腹板代替混凝土腹板后，箱梁截面刚度变小，特别是扭转刚度可能削弱60%以上[1]。为了提高波形钢腹板组合箱梁的抗扭性能，改善截面的畸变效应，大跨度的波形钢腹板组合箱梁需要设置一定数量的横隔板[3]。本文以一座跨径布置为88 m+156 m+88 m的连续波形钢腹板组合箱梁桥为工程背景，采用有限元分析方法，建立了其三维空间有限元模型，研究了不同的横隔板布置位置对其动力特性的影响，提出了合理的横隔板设计建议。

1 工程概况

背景工程为一座三跨连续波形钢腹板PC箱梁桥，跨径布置为88 m+158 m+88 m，其立面见图1，安全等级为一级。采用单箱单室截面，箱梁高度由根部的8.9 m按2次抛物线过渡到跨中和边墩墩顶处的3.8 m，箱梁底板厚度也由根部的1 m按2次抛物线过渡到跨中的0.3 m。桥面宽度为16.25 m，布置为0.5 m(防撞栏)+11.75 m(车行道)+4 m(人行道)。全桥除中支点0号块梁段和边支点20号块梁段采用混凝土腹板外，其他梁段均采用波形钢腹板，在0号块外侧11 m梁段内和20号块外侧4.8 m梁段内采用有内衬混凝土的组合腹板。波形钢腹板形状采用1 600型，厚度为12 mm～24 mm。主梁采用C60混凝土，钢腹板采用Q345c钢材。

图1 桥梁立面图（单位：m）

2 有限元模型

采用大型通用有限元软件ANSYS建立上部结构三维板壳模型[4]，上下混凝土顶底板采用可以考虑变厚度属性的线性层结构壳单元Shell99模拟，钢腹板、混凝土腹板与横隔板采用弹性壳单元Shell63模拟。顶底板、腹板与横隔板分别建模，三者之间不共有节点，采用耦合相邻最近节点自由度的方式模拟刚性连接。主梁模型共有单元22 400个、节点56 050个，局部有限元模型见图2。

图2 主梁局部有限元模型

3 模态分析

通过模态分析结果可以了解结构各向质量-刚度特性[5]。本文首先建立了没有横隔板的主梁有限元模型，进行模态分析，提取前8阶振型和频率（ω0），见表1。

表1 计算模型的前8阶自振频率和振型阶次

从表1可以看出，前8阶振型中，前3阶低阶振型均为竖弯模式，第一阶侧弯振型出现在第4阶，第一阶扭转振型出现在第6阶。通过振型模式的次序，可知波形钢腹板组合箱梁的振动模式与传统混凝土腹板箱梁类似。从自振频率的数值看，波形钢腹板组合箱梁的竖弯、侧弯及扭转振型的频率值小于普通混凝土腹板箱梁的振型频率经验值，鉴于波形钢腹板组合箱梁自重明显减轻，根据频率、刚度、质量之间的关系进一步验证了波形钢腹板组合箱梁各向刚度相比普通混凝土腹板箱梁有所减小的结论。

4 横隔板位置对箱梁刚度的影响分析

在前面有限元模型的基础上添加一道混凝土横隔板，横隔板厚度取固定值0.5 m，上下左右与箱梁混凝土顶底板和波形钢腹板或混凝土腹板固结。采用ANSYS APDL语言编写参数化控制程序，控制横隔板的位置从桥头逐渐移动到桥尾，移动间距为0.8 m，在每个位置进行一次模态分析，并提取结构的第一阶竖弯、横弯和扭转频率（ωH），计算与无横隔板模型相应计算结果的比值，得到横隔板对组合箱梁竖弯、横弯和扭转基频影响效应的影响线，见图3，横坐标表示横隔板的设置位置，以主梁示意图作参考，纵坐标表示添加横隔板对主梁振动基频的缩放系数（ωH/ω）0。

图3 横隔板对组合箱梁竖弯、横弯和扭转基频影响效应的影响线

从计算结果和图3可以看出：横隔板的设置对主梁动力特性存在明显的影响。不仅会改变不同模态振型出现的顺序，而且会改变同一振型的频率大小，同时对竖弯、横弯和扭转三种基本振动模式基频的影响存在明显的差异。从影响效果来看，添加横隔板并不一定会提高结构的振型频率，在某些区域会降低结构的基频，例如在边跨距离梁段24～66 m区间和中跨跨中两侧48 m区间内设置横隔板会减小主梁竖弯基频，在中跨跨中两侧46 m区间内设置横隔板会减小主梁横弯基频，在边跨距离梁端46～70 m区间内布置横隔板会减小主梁扭转基频。从影响效应峰值来看，当横隔板设置在边支座截面处时，最大可以提高主梁竖弯基频5.5%；当横隔板设置在中跨距离中支座12 m处，对横弯和扭转基频影响效应同时达到最大值，分别为3.4%和8.0%。可见合理的设计横隔板的位置能更有效地提高此大跨连续组合箱梁的振动基频，其中以对扭转基频的改善效果最为明显。

5 结论

为了研究横隔板对大跨度连续波形钢腹板组合箱梁桥动力特性的影响，为此类桥梁的横隔板构造设计提供参考，利用有限元软件ANSYS为一座三跨连续波形钢腹板组合箱梁桥建立了三维有限元模型，进行了以横隔板位置为参数的动力特性分析，通过对计算结果的对比分析得出如下结论：

（1）此组合箱梁桥的低阶振型以竖弯模式为主，第一阶侧弯振型和第一阶扭转振型出现较晚，这与大部分传统混凝土腹板箱梁动力特性类似。

（2）横隔板的位置对此桥竖弯、横弯和扭转三种基本振动模式基频的影响存在明显的差异。将横隔板设置在边支座截面处可以最大提高主梁的竖弯基频5.5%，而设置在其他位置对竖弯基频的影响在±1%以内；将横隔板设置在边跨距中支座18 m至中跨距中支座48 m区间内，可以有效提高主梁的横弯与扭转基频，当横隔板设置在中跨距离中支座12 m处时，对横弯和扭转基频影响效应同时达到最大值，分别为3.4%和8.0%。

（3）通过设置横隔板的方式改善此类大跨度连续波形钢腹板组合箱梁桥动力特性时，应优先设置在梁端和中支座附近，避免将横隔板设置在跨中附近，必要时应进行参数优化分析确定最佳的横隔板的间距与数量，同时需要综合考虑体内束的转向构造要求。

[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,2008.

[2]袁爱民,戴航,董毓利.波形钢腹板一混凝土组合桥梁研究的新进展[J].青岛理工大学学报,2008,29(4):30-35.

[3]刘保东,陈海波,任红伟.波纹钢腹板混凝土箱梁动力特性改善研究[J].中国铁道科学,2008,29(3):29-33.

[4]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]陈宜言,盖卫明,姜瑞娟,等.波形钢腹板PC箱梁桥基本抗震性能的比较研究[J].哈尔滨工业大学学报,2012,44(1):325-330.