钢桁腹杆PC组合箱梁桥自振特性研究

2017-06-26方映平

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：基频隔板箱梁

方映平

（深圳市市政设计研究院有限公司,广东深圳518029）

钢桁腹杆PC组合箱梁桥自振特性研究

方映平

（深圳市市政设计研究院有限公司,广东深圳518029）

为研究钢桁腹杆预应力混凝土（P C）组合箱梁桥自振特性，以一座三跨连续波形钢腹板P C组合箱梁桥为背景工程，将原箱梁中的波形钢腹板用钢桁腹杆代替，进行钢桁腹杆P C组合箱梁桥的设计。利用A N S Y S和M id a s C i v i l两种分析软件建立三维有限元模型，分析该桥型的自振特性。以横隔板的布置为参数，研究其对钢桁腹杆P C组合箱梁桥自振特性的影响。结果表明：钢桁腹杆P C组合箱梁桥竖弯刚度小，抗扭刚度大；布置横隔板对钢桁腹杆P C组合箱梁桥的竖弯刚度影响不大，对箱梁的横弯刚度和抗扭刚度有一定影响，且当对横隔板进行合理布置时，箱梁的抗扭刚度提高明显。

钢桁腹杆P C组合箱梁；自振特性；横隔板；有限元法

0 引言

钢桁腹杆P C组合箱梁桥作为一种新型组合桥梁结构，最早在1985年应用于法国的A r b o is桥，随后这种桥型在日本、加拿大等国得到了一些应用[1]。这种新型组合桥梁结构的主要构造包括混凝土顶底板、钢桁腹杆、体外和体内预应力索等，利用钢桁腹杆代替传统P C箱梁桥中的混凝土腹板，能够有效减轻主梁自重，提高箱梁桥的跨越能力[2]。此外，这种箱梁结构中钢桁腹杆节点集中，节点焊接量少，施工方便。目前，这种结构的优势正逐渐得到国际土木工程界的广泛认同，但总的来说，该结构还处于研究与发展阶段，特别是其动力特性的研究。本文以一座三跨连续波形钢腹板P C组合箱梁桥为背景工程，将原箱梁中的波形钢腹板用钢桁腹杆代替，进行钢桁腹杆P C组合箱梁桥的设计，利用A N S Y S和M id a s C i v i l两种软件建立三维有限元分析模型，分析布置横隔板对其自振特性的影响，从而为工程设计提出相关合理的建议。

1 工程概况

本文模型为80 m+130 m+80 m的三跨连续钢桁腹杆P C组合箱梁桥。箱梁的顶板厚度为28 c m，在顶板与钢桁腹杆连接处设置梗腋，梗腋的厚度为80 c m；底板的初始厚度为25 c m并逐渐向跨中支座处递增至100 c m，底板与钢桁腹杆连接处的厚度在底板厚度的基础上加厚30 c m；顶板宽1 265 c m，底板宽660 c m。设计的钢腹杆P C组合箱梁桥的标准截面尺寸如图1所示。

图1 钢腹杆组合箱梁桥标准截面尺寸（单位：cm）

2 有限元模型

分别利用A N S Y S和M id a s C i v i l两种软件建立三维空间有限元模型，其中A N S Y S采用实体单元模型，M id a s C i v i l采用空间梁格模型[3]，两种软件建立的有限元模型参数见表1，局部有限元模型和全桥有限元模型分别如图3和图4所示。本文中钢桁腹杆P C组合箱梁桥模型只建了上部结构，没有考虑下部构造的桥墩，因此在原有桥墩位置处按三跨连续梁桥的支承形式对箱梁相应节点的自由度进行约束。

图2 钢腹杆组合箱梁桥1/2桥长立面简图（单位：cm）

表1 钢腹杆PC组合箱梁桥有限元模型参数

图3 局部有限元模型

图4 全桥有限元模型

3 自振特性分析

在进行钢桁腹杆P C组合箱梁桥的自振特性分析前，先进行静力分析，验算设计的箱梁桥整体的变形以及各构件的强度是否满足要求[4]，从而获得合理的构件尺寸和结构布置。静力分析时，考虑的荷载包括箱梁的自重、二期恒载、汽车荷载、预应力以及温度效应等。

首先在不布置横隔板的情况下对钢桁腹杆P C组合箱梁桥进行自振特性分析，考虑到本文仅做成桥阶段的自振特性分析，因此荷载仅考虑箱梁的自重及桥面上的二期恒载。提取两种有限元软件自振特性分析前八阶模态的振型和频率，见表2。

表2 ANSYS与Midas Civil有限元模型自振特性对比

从表2可知，模型的第一阶模态表现为竖弯，说明对于中大跨度的钢桁腹杆组合P C箱梁连续桥，其竖向抗弯刚度较小，这与传统的混凝土腹板箱梁桥的动力特性类似。模型在第六阶模态才开始出现扭转，说明由混凝土顶底板以及钢桁腹杆组成的箱梁截面同样具有较大的抗扭刚度，组合截面整体性好。

前八阶模态，除了扭转振型的振动频率差值大于10%以外，其他各阶模态的频率差值均在10%左右，这种差值的原因可能来自三方面：一是两种分析软件建模时分别采用不同的单元类型；二是顶底板与钢腹杆的连接处理存在差异；三是两种分析软件建立的有限元模型的约束条件不完全一致。总的来说，A N S Y S与M id a s C i v i l自振分析得到的前八阶模态的振型和频率基本相近，说明所建立的钢腹杆P C组合箱梁桥的有限元模型基本正确。

4 横隔板布置对箱梁自振特性的影响

为研究横隔板布置位置对钢桁腹杆P C组合箱梁桥自振特性的影响规律，下面采用A N S Y S A P D L语言编写参数化控制程序进行分析[5]。在上述有限元模型的基础上，布置一道与顶底板固结的混凝土横隔板，横隔板厚度为0.4 m，除支座处墩上截面横隔板移动间距稍小外，其他位置横隔板的移动间距为4.8 m。分析时控制横隔板的位置从桥的一端移动到另一端，在每道横隔板位置进行一次模态分析，并从分析结果提取第一阶竖弯、横弯以及扭转振型的振动频率ω，绘制横隔板位置对钢腹杆P C组合箱梁桥第一阶竖弯、横弯以及扭转振型影响效应的影响线。如图5所示，横坐标以箱梁全桥为参照，表示移动横隔板的布置位置，纵坐标对应表示每道横隔板对箱梁桥振动基频影响的缩放系数（其中ω0表示原模型对应基频的频率）。

图5 横隔板对钢腹杆箱梁桥竖弯、横弯及扭转基频影响效应影响线

从图5的影响线可以看出，布置横隔板对钢腹杆P C组合箱梁连续桥的自振特性有一定的影响：对于竖弯基频而言，在支座附近的墩上截面处布置横隔板，竖弯基频基本没有变化，而在箱梁跨内其他位置布置横隔板，箱梁竖弯基频反而有所下降，说明布置横隔板对箱梁桥的竖弯刚度基本没影响；当横隔板布置在边跨跨中两侧50 m以及中跨跨中两侧90 m左右区间内，横弯基频稍有下降，而在其他位置布置横隔板，频率增大，越靠近两端支座位置，增幅越大，最大增幅为2.0%；布置横隔板对钢腹杆P C组合箱梁桥的扭转基频有一定的影响，当横隔板布置在支座附近的墩上截面时，箱梁桥的扭转频率增大，而当横隔板布置在跨内位置时，对箱梁桥的扭转频率影响不大。由自振特性分析可知，第一阶扭转振型为全桥扭转，且扭转成分主要发生在第三跨（210～290 m范围），因此当横隔板布置在第三跨支座附近的墩上截面时，效果最佳，此时频率的提高幅度为4.4%。说明当需要通过布置横隔板提高箱梁的扭转刚度时，横隔板宜布置在支座附近的墩上截面，且需结合扭转振型的振动情况进行合理布置。