波纹钢腹板连续梁桥动力特性及抗震性能分析

杨源源

摘要：波纹钢腹板连续梁桥是一种新型的桥梁结构形式，具有受力合理、施工方便、经济指标好的优点，具有很好的发展前景。我国波纹钢腹板连续梁桥的设计、研究、制造等正处于起步阶段，积累不充分，有较多的问题未解决，如剪力滞效应、腹板抗震剪性能以及地震响应特性等。本文介绍了波纹钢腹板连续梁桥的设计方法，通过动力时程分析了波纹钢腹板连续梁桥动力特性及抗震性能。

关键词：波纹钢腹板；抗震性能；动力时程分析

波纹钢腹板桥梁符合现代桥梁“轻质、高强、大跨径”的发展趋势，在国内越来越被关注。在梁桥、矮塔斜拉桥等桥型上，波纹钢腹板梁的优势可以使其成为设计者一个优秀的选择。在法、日等国已有多座波纹钢腹板桥梁的建成，国内也已初现发展应用前景，但已建成或者在建的桥梁却寥寥无几，在理论积累和实践积仍显不足。

一、波纹钢腹板连续梁桥的设计

表1列出了国内部分已建成通车的波纹钢腹板梁桥，在建的大跨度波纹钢腹板梁桥有南京滁河大桥和鄄城黄河公路大桥等。国内在建的大跨度波纹钢腹板梁桥有南京滁河大桥和鄄城黄河公路大桥等。目前已建成的桥梁基本都属于试验探索性小跨径桥梁，施工方式几乎都采用支架现浇。而在建的国内外大跨度波纹钢腹板梁桥都与成熟高效的悬臂施工或顶推施工方式相结合，使得其适用性大大扩展。另外该桥型克服了目前混凝土腹板容易出现病害的隐患，并具有施工速度快、减小下部结构规模和造价的优势。正是基于以上优点，并结合桥址建设条件，南京长江第四大桥项目中的滁河大桥采用了三跨变截面波纹钢腹板连续梁的结构形式，桥跨布置为 53m + 96m + 53m，桥宽16.75m，单箱单室截面。跨中梁高3m，根部梁高 6.5m，以 1.6 次抛物线过渡。腹板采用直腹板形式，中心间距为 7.5m，波长1600mm，波高220mm。预应力配束采用体内体外混合配束。

波纹钢腹板桥梁的设计，与常规桥梁的设计流程类似，但也有其特殊的地方。其设计主要包括四个部分，总体设计（结构一般构造等）、细节设计（连接与局部受力等）、深入设计（动力特性等）和耐久性设计。

波纹钢腹板桥梁的特殊性，就在于其波折腹板的 风琴效应，以及与混凝土顶、底板组成的截面拉、压、弯、剪、扭特性，同时其钢混连接部位的强度、疲劳、耐 久性等也是需要特别重视的地方。

设计过程中还要兼顾施工的可行性，如波纹钢腹板架设时开口截面的抗扭临时支撑的设置等。悬臂施工、顶推等不同的施工方法也会造成总体设计和构造细节上的不同。

二、波纹钢腹板连续梁桥动力时程分析法

在强震作用下，结构常处于弹塑性的状态，同时产生很大的塑性变形，人们由此开始意识到在抗震中结构延性的重要性。动力时程分析法首先需要输入适当的地震动，其中考虑了结构、土和深基础相互作用、地震波相位差及不同地震波多分量多点输入等因素，这是因素都是反应谱理论不能反应出来的，同时采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程，然后利用数学计算方法即逐步积分法来求解方程，计算地震过程中结构的瞬时位移、瞬时速度及加速度反应，从而得出地震作用下，结构在弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件从开裂到严重损坏最后倒塌的全过程。动力时程分析的计算结果比其它方法更加接近震害的实际情况，因此，相对反应谱法，该方法是公认的更为精细的一种分析方法。

三、波纹钢腹板连续梁桥抗震分析

波纹钢腹板连续梁桥是一种经济、高效、施工简便的新型桥梁形式。自从1988年ACSI协会将波纹钢腹板连续梁桥作为桥梁结构进行介绍后，世界各国均围绕这一新的结构进行研究。

黄小国和胡大林等以一四跨连续钢构桥为工程背景，研究地震波的输入组合方式对桥梁抗震的影响，组合方式采用各方向的单波与三向波正交，主梁和桥墩的内力增大，墩地位移减小。竹晓华以工程实例某三跨双线连续钢构桥为背景，研究发现可以通过控制桥墩截面的配筋率来满足规范要求的设防标准，即“小震不坏，大震不倒”。

1990年，德国大学的对波纹钢腹板箱梁截面进行了理论和有限元分析，发现其抗扭常数不同于平腹板箱梁的抗扭常数，波纹钢腹板箱梁截面的抗扭常数不受翼缘板屈曲的影响，是它的截面翅曲常数比平面腹板箱梁的要高，并且沿着翼缘板的纵向翅曲减小。

1997年，英国大学的教授对波纹钢腹板的腹板进行了几何优化，他对试验梁进行了纯弯、弯剪组合荷载作用下的试验，并与所建立的有限元模型进行对比计算，推导了计算波纹钢腹板有效剪切模量的公式

2008年，北京交通大学的刘保东等人制作了实体波纹钢腹板试验箱梁进行了动力试验，推导了波纹钢腹板箱梁扭转振动的计算方法，并考虑了有横隔板和无横隔板的情况，进行了有限元分析对比，表明推导的理论方法具有良好的精度，并提出在跨内合理的增设横隔板可以提高波纹钢腹板箱梁桥的抗扭刚度并改善其动力性能的结论。同年，其又对比分析了试验数据和有限元模型进行对比分析，对于波纹钢腹板箱梁抗扭剛度比较小的特点，提出了可以增加横隔板来增加抗扭刚度的方法，发现在波纹钢腹板简支箱梁桥的端部附近适当的增设横隔板对改善其抗扭刚度的动力特性效果最明显。

地震动的随机性和地面运动在空间上显著变化决定了桥梁地震反应分析必须采用空间有限元分析模式。通过对桥墩，桥面系和边界条件进行大量的简化，采用梁单元或杆单元来建立二维或是三维的有限元模型。计算模式的模拟着重于结构的刚度、质量和边界条件的模拟：刚度的模拟主要是指杆件的轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度、扭转刚度的模拟等；质量的模拟只要是指杆件的平动质量和转动惯量的模拟。边界条件的模拟应和结构的支撑条件相符合。

结束语：

近年来，我国地震频发，作为生命线工程的桥梁结构如在地震作用力下发生破坏，将导致严重的次生灾害，危害人民群众的生命和财产安全。因此对这种新型桥梁，研究其动力特性和地震反应特点，探讨其在地震作用下的薄弱环节，为建立合理的抗震结构体系提供科学依据，这些都具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 李贵勋.波纹钢腹板PC组合连续箱梁桥动力特性与地震反应研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2008.

[2]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.

[3]陈海波.波纹钢腹板混凝土箱梁动力特性研究[D]. 北京：北京交通大学硕士学位论文，2006.