公路波形钢腹板钢-混组合箱梁振动特性的影响参数

2021-03-31杨波

四川建筑 2021年1期

杨波

(中铁十四局集团房桥有限公司，北京 100000)

波形钢腹板钢-混组合箱梁是一种新型组合结构。该桥型用较薄的平钢板代替了传统的波形钢腹板箱梁的混凝土底板，减轻了桥梁结构的自重，延长了桥梁结构的使用寿命，有效地节约全寿命周期成本。该桥型的建设可落实绿色发展理念，有效提升公路桥梁的建设品质，有利于带动当地钢材产业发展，化解产能过剩等问题。

目前，国内外的研究者已经对波形钢腹板组合梁桥剪力滞效应、弯曲性能、扭转畸变、屈曲性能、振动特性以及波形钢腹板的手风琴效应等进行了大量的研究。马驰等研究了剪力滞效应对波形钢腹板组合箱梁静力和动力的问题的影响[1-2]；ELGAALY等对波形钢腹板的弯曲性能和剪切强度进行了研究[3-4]；周聪等对波形钢腹板组合梁的扭转和畸变效应进行了研究[5-7]；陈水生等通过有限元模拟的方法对波形钢腹板组合梁的振动频率进行了研究[8-9]；林梦凯等对波形钢腹板工字型的手风琴效应进行了试验研究[10]。

通过对国内外研究文献的分析，发现对波形钢腹板钢-混组合箱梁的振动特性的研究还相对较少。因此，笔者以某波形钢腹板组合简支梁为工程背景，利用ANSYS有限元分析软件建立了波形钢腹板钢-混组合箱梁的三维有限元模型，采用理论公式对有限元模型的正确性进行了验证，随后，分析了波形钢腹板的类型、钢底板的厚度以及波形钢腹板的厚度对振动特性的影响。该研究为波形钢腹板钢-混组合箱梁的合理设计提供了有利的依据。

1 工程概况

某公路大桥共设1条主匝道及9条一般匝道，采用波形钢腹板钢-混组合箱梁桥。选取30 m简支梁波形钢腹板钢-混组合箱梁进行研究，其截面形式由2片主梁构成，单片箱梁的混凝土顶板宽度为5 m，悬臂板长度为1.175 m，混凝土顶板的厚度为0.25 m；钢底板的宽度为3 m，厚度为16 mm，波形钢腹板的厚度为10 mm。混凝土和钢材的属性如表1所示。

表1 混凝土和钢材的材料属性

2 建立波形钢腹板钢-混组合箱梁有限元模型

采用ANSYS有限元分析软件建立了简支波形钢腹板钢-混组合箱梁的三维模型，如图1所示。简支波形钢腹板钢-混组合箱梁的计算跨径为29.22 m，箱梁的混凝土顶板采用实体单元进行建模，波形钢腹板和钢底板以及横隔板采用板壳单元进行建模。波形钢腹板那和钢底板的连接方式采用共节点的连接方式，波形钢腹板和混凝土顶板采用刚性连接。边界条件为一端采用固定铰支座，另一端采用活动铰支座。

图1 波形钢腹板钢-混组合箱梁模型

由有限元分析得到简支波形钢腹板钢-混组合箱梁的前5阶振动频率，列于表2中，前5阶自由振动的振型图如图2所示。

图2 前五阶振型

表2 利用ANSYS有限元计算的简支波形钢腹板

3 理论公式验证ANSYS模型的正确性

根据文献[10]采用Timoshenko理论的弯曲自振频率计算公式(1)，计算简支波形钢腹板钢-混组合箱梁的弯曲自振频率。

(1)

由于波形钢腹板主要承担剪力，将发生很大的剪切变形，剪切变形对波形钢腹板钢-混组合箱梁的振动频率的影响较大，而Timoshenko理论的弯曲自振频率考虑了箱梁的剪切变形效应，这与波形钢腹板钢-混组合箱梁的实际受力更加符合。Timoshenko理论的弯曲自振频率计算结果与ANSYS有限元模型分析结果比较接近，将两者的对比列于表3中。