新型鋼混組合梁橋靜動(dòng)力特性分析

李昕瑞

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

波形腹板鋼底板PC 組合箱梁作為一種新型的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，在中國首次運(yùn)用，國內(nèi)對其相關(guān)的受力分析研究甚少，大多都是以波形鋼腹板混凝土底板作為研究對象，幾乎沒有針對波形腹板鋼底板橋梁的分析。文章以G1816 烏海-瑪沁高速景泰至中川機(jī)場段30m 鋼腹板組合箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹了30m 鋼腹板PC 組合箱梁現(xiàn)場試驗(yàn)布置，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 橋梁概況

G1816 烏海-瑪沁高速景泰至中川機(jī)場段公路工程，橋跨布置自南向北依次為18 跨30m（18×30）波形鋼腹板組合簡支箱梁+一跨45m 簡支梁+4 乘50m 連續(xù)梁（4×50m）+5 乘50m 連續(xù)梁（5×50m）+3 跨30m 簡支梁（3×30m）。橋梁長度1126.46m。18 跨30m 鋼腹板組合簡支箱梁主梁寬度均為20m 等寬，采用四箱單室截面，由開口鋼箱梁和混凝土橋面板通過抗剪連接件組成，主梁結(jié)構(gòu)中心線處梁高1.5m，鋼腹板高1.25m，混凝土橋面板厚0.25m.橋面設(shè)1.5%的雙向標(biāo)準(zhǔn)橫坡，箱梁頂面橫坡與橋面橫坡相同，橋面橫坡由腹板不等高調(diào)整，橋面鋪裝等厚。腹板釆用BCSW1200 型波形鋼腹板，波長1200mm、波高200mm、其厚度為10mm。

2 新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與研究的必要性

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面：使用波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土腹板，使用鋼底板代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土底板，在很大程度上達(dá)到了減輕箱梁自重的效果，使橋梁設(shè)計(jì)更加輕質(zhì)化，使其下部結(jié)構(gòu)的工程量大大減少。波形腹板鋼底板PC 組合箱梁由廠制作標(biāo)準(zhǔn)梁，施工方便快捷，大大縮短了施工工期。

（2）結(jié)構(gòu)受力方面：鋼底板相對傳統(tǒng)的混凝土底板在正彎矩作用下，改進(jìn)了底板需要張拉較多的預(yù)應(yīng)力鋼束以及混凝土受拉開裂的現(xiàn)象。

（3）施工工藝方面：由于波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土腹板，鋼底板代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土底板，在很大程度上減輕了箱梁自重。相較于傳統(tǒng)的混凝土復(fù)雜的施工，其制作工藝更加簡單。

（4）環(huán)保方面：鋼結(jié)構(gòu)是節(jié)能、環(huán)保型結(jié)構(gòu)。鋼材強(qiáng)度高，鋼結(jié)構(gòu)相對比較輕，施工安裝較便利，構(gòu)件尺寸相對較小，可以更有效地利用和節(jié)約材料。當(dāng)使用功能完成后還可通過再利用或回爐再生產(chǎn)等措施而實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，故采用鋼-混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁可大大減少“建筑垃圾”，促進(jìn)了綠色、環(huán)保、節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展。

（5）抗震方面：甘肅省境內(nèi)主要有河西走廊地震帶、蘭州-天水地震帶、六盤山地震帶3 條地震帶，地震活動(dòng)水平居全國第8。相對混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的材料性能更穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)的延性較前者好，抗震性能也更好。

（6）對于黃土濕陷性方面：由于在濕陷性黃土地區(qū)，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)所占比重較大，采用重量更輕的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有利于減小上部結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)的荷載，從而減小下部結(jié)構(gòu)的工程量和造價(jià)，減少濕陷性黃土地區(qū)結(jié)構(gòu)沉降引起的工程病害。更適合于甘肅省黃土地區(qū)交通建設(shè)的較好橋型。

正是由于新型橋型相比以前的橋型具有不可忽略的優(yōu)勢，所以該類橋型的靜動(dòng)力特性研究顯得非常重要。

3 應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場布置介紹

選取K1+845 主匝道30m 簡支箱梁橋作為研究目標(biāo)，選取1/4 做為研究對象，同時(shí)選取跨中最不利荷載截面自左向右進(jìn)行應(yīng)變計(jì)布置共計(jì)13 個(gè)。

4 有限元模型

本次采用ansys 建立有限元模型，運(yùn)用3D 實(shí)體單元模擬混凝土橋面板，殼單元模擬波形鋼腹板以及鋼底板，這樣確保了模型模擬的精確度。對于波形鋼腹板和頂部混凝土板的連接，使用MPC 多點(diǎn)耦合接觸法來實(shí)現(xiàn)。先分別為實(shí)體和殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，在相交區(qū)域不同單元上分別添加目標(biāo)單元TARGE170 和接觸單元CONTA175，如此一來頂板和腹板可以獨(dú)立劃分網(wǎng)格，保證了模擬的精確度。

該橋上部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖1 所示，其中節(jié)點(diǎn)127520 個(gè)，單元110488 個(gè)。

圖1 30m 簡支梁有限元模型

5 研究結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)通過現(xiàn)場值與實(shí)測值進(jìn)行分析對比得出結(jié)論。

5.1 有限元模擬值

ansys 有限元建模選取1/4 跨徑應(yīng)力提取值與現(xiàn)場實(shí)測值如表1 所示。

表1 測點(diǎn)應(yīng)力值 單位：MPa

5.2 數(shù)據(jù)對比

通過對30m 簡支新型鋼混組合梁橋上部結(jié)構(gòu)在二期恒載作用下各測試截面應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與相應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析后，可以得到以下結(jié)論：（1）上部結(jié)構(gòu)在二期恒載作用下各測試截面應(yīng)力的實(shí)測計(jì)算值小于混凝土抗拉設(shè)計(jì)值，說明結(jié)構(gòu)混凝土表面本身完好。（2）上部結(jié)構(gòu)在在二期恒載作用下各測試截面應(yīng)力校驗(yàn)均小于1，表明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好。數(shù)據(jù)對比分析圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)對比分析

由以上對應(yīng)力測試結(jié)果的分析可知：新型鋼混組合梁橋30m 簡支梁橋的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

6 動(dòng)力試驗(yàn)

本次動(dòng)力試驗(yàn)為結(jié)構(gòu)自振特性試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)要求，主匝道30m 箱梁橋左幅結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)測試，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)力特性參數(shù)，并結(jié)合理論分析結(jié)果，綜合評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

6.1 動(dòng)載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

動(dòng)載測試點(diǎn)布置如圖3 所示。

6.2 自振特性測試結(jié)果與分析

通過現(xiàn)場脈動(dòng)試驗(yàn)及ansys 有限元模擬，得出主匝道30m 箱梁自振頻率的實(shí)測值、理論值。ansys 有限元模擬一到五階頻率值如表2 所示。

6.3 數(shù)據(jù)對比

現(xiàn)場脈動(dòng)試驗(yàn)及ansys 有限元模擬值對比如表3所示。

圖3 30m 簡支梁拾振器測點(diǎn)布置圖

表2 有限元模型振型圖 單位：Hz

表3 ansys 有限元模擬值 單位：Hz

根據(jù)《城市橋梁檢測與技術(shù)評(píng)定規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[1]：橋梁上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性狀態(tài)指標(biāo)有

式中：S 為狀態(tài)指標(biāo)；fmi 為實(shí)測頻率；fdi 為理論頻率。

由表4 可以看出S ＞1，由于結(jié)構(gòu)的自振頻率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為1，S ＞1 表示其整體性能良好。

表4 上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性狀態(tài)指標(biāo)評(píng)定結(jié)果

7 結(jié)束語

（1）新型鋼混組合梁橋的力學(xué)性能分析結(jié)果表明，該種新型上部結(jié)構(gòu)在二期恒載作用下各測試截面應(yīng)力的實(shí)測計(jì)算值小于混凝土抗拉設(shè)計(jì)值，說明結(jié)構(gòu)混凝土表面本身完好。由以上對應(yīng)力測試結(jié)果的分析可知，新型鋼混組合梁橋30m 簡支梁橋的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）新型鋼混組合梁橋的動(dòng)力性能分析結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)的整體性能良好。

8 啟示

這種新型結(jié)構(gòu)的建筑與推廣符合國際橋梁發(fā)展趨勢和國家綠色環(huán)保發(fā)展理念，加快了國家、甘肅省鋼材行業(yè)產(chǎn)能的合理消化，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，也可為甘肅省鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的開拓性發(fā)展和環(huán)保公路的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該種新型結(jié)構(gòu)不僅豐富了該組合結(jié)構(gòu)橋梁形式，而且提升了組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)綜合技術(shù)水平，對促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋在我國的進(jìn)一步發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。文章用過對靜動(dòng)力測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并對其結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了新型結(jié)構(gòu)的可靠性跟穩(wěn)定性，為該種結(jié)構(gòu)后期的運(yùn)用與發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。