浅谈截面形式对波纹钢腹板桥梁动力特性的影响

凤跃森

摘 要：波纹钢腹板桥梁的作用日益突出，因动力特性颇为重要，成了研究的重点。截面形式与桥梁动力特性有着密切关系，主要对此进行了探究。首先阐述了波纹钢腹板桥梁的现状，然后利用有限元法，通过建立相关模型，对不同截面形式的影响进行了分析。

关键词：截面形式；波纹钢腹板；动力特性

引 言

随着桥梁建设行业的发展，材料及桥梁结构也在不断改进。波纹钢腹板箱梁是一种新桥梁结构，主要包括波纹钢腹板、预应力钢筋、混凝土顶板底板几部分。传统桥梁钢结构以平腹板H型钢为主，易出现局部变形的情况。而波纹钢腹板则是腹板为波纹形的H型钢，其承受能力及抗剪抗弯性更好，在当前备受关注。虽然相关研究较多，但集中于静力方面，对其动力特性研究不足，是今后研究的重点工作。动力性能与桥梁质量密切相关，受截面形式影响较大，所以有必要通过截面形式的变化来探究其动力特性。

1 波纹钢腹板桥梁的应用现状及动力特性

随着交通压力的增加，桥梁需承受更大的荷载，以往结构方式的弊端日益显露。波纹钢腹板箱梁桥迅速兴起并发展起来，与过去所采用的结构方式相比，具有诸多优势，可有效解决以前出现的问题。如自重较轻，使得下部结构承受的荷载大幅下降，从而施工更加方便，而且有利于节约成本。波纹钢腹板不抵抗轴向力，可使预应力有效地加载于混凝土翼缘板上，提高了预应力效率。因其结构受力及施工性能较好，为工程质量提供了重要保障，可带来显著的经济效益和社会效益。所以值得推广使用。

桥梁的动力特性对施工技术、施工进度以及最终质量都有着较大影响，可通过对动力特性的研究，及时掌握桥梁有关信息。因波纹钢腹板箱梁桥发展历史较短，理论和技术方面都尚不成熟，而目前关于此方面的研究也极其有限。所以有必要展开对动力特性的研究。

2 建立波纹钢腹板模型

世界上第一座波纹钢腹板式预应力混凝土结合箱梁桥建成于上世纪80年代中期，此技术在国外应用较多，在国内则起步较晚，发展速度也慢。在此以国内某座使用波纹钢腹板箱梁的桥梁为例，对其进行研究。主要探讨的是不同截面形式造成的不同影响，所以选择了3种形式：①普通混凝土箱梁；②单箱双室波纹钢腹板箱梁；③双箱双室波纹钢腹板箱梁。使用的是C50混凝土，波纹钢腹板为Q345钢材，厚12mm。分析方法则采用有限元的方法。

根据箱梁实际构造特点，每间隔5m就设置一道混凝土横隔板，厚度为30cm；通过有限元分析程序建立起跨度为51.2m的不同截面形式箱梁的有限元模型。波纹钢腹板为板单元，混凝土顶/底板则为实体单元。从这三种截面形式的对比分析结果来看，其质量依次为1620t、1300t、910t。可见，与普通混凝土腹板箱梁相比，波紋钢腹板箱梁的质量较轻，截面形式为单箱双室的波纹钢腹板要轻320t，有利于减轻梁体自重以及对底部的荷载。就波纹钢腹板而言，截面形式不同，自重也有差异。单箱双室较重，双箱双室则相对较轻，要轻近400t，但钢材使用量较多，远超出单箱双室的形式。所以两者的经济性能并不明显。

3 波纹钢腹板桥梁动力特性

3.1 比 较

选取桥的前四阶振型依次对这3种形式的桥进行计算，根据计算结果分析各自的自振特性：①普通混凝土。第一阶振型的自振频率为2.324Hz，形状为竖向弯曲振动；第二阶、第三阶和第四阶振型的自振频率依次为6.532Hz、7.316Hz、8.895Hz。振型形状分别为水平平动、竖向二阶弯曲振动和扭转振动；②单箱双室波纹钢腹板箱梁。第一阶振型的自振频率为2.365Hz，形状为竖向弯曲振动；第二阶、第三阶和第四阶振型的自振频率依次为6.602Hz、6.782Hz、7.244Hz。振型形状分别为水平平动、竖向二阶弯曲振动、扭转振动；③双箱双室波纹钢腹板箱梁。第一阶振型的自振频率为2.942H，形状为竖向弯曲振动；第二阶、第三阶和第四阶振型的自振频率依次为6.537Hz、8.635Hz、8.922HzHz。振型形状分别为扭转振动、竖向二阶弯曲振动、水平平动。

3.2 结果分析

（1）如果没有横隔板，普通混凝土箱梁在第4阶振型发生纵向扭转，而波纹钢腹板则在第2阶振型发生纵向扭转。说明前者的抗扭刚度比后者高。而设置横隔板可使梁的抗扭刚度有所增加，所以在此每隔5m就设置有横隔板。从前面的分析可知，与普通混凝土箱梁相比，波纹钢腹板的自重较轻。这一优势使得地震发生时箱梁对底墩的作用力大大减小。

（2）设置横隔板后，截面形式相同而箱梁结构不同的情况下，普通混凝土和波纹钢腹板单箱双室的自振形状大致相同。在第4阶扭转振动时，两者的自振频率有差距，普通混凝土箱梁的自振频率为8.895，而波纹钢腹板单箱双室箱梁的自振频率较低，为7.244。这就意味着在截面形式相同时，就扭转刚度而言，波纹管腹板箱梁相对较弱，不如普通混凝土箱梁。

（3）设置横隔板后，截面形式不相同的情况下，自振特性呈现出明显的差异性。单箱双室和双箱双室的基频形状比较接近，但后者的竖向刚度较大，所以其基频数值要高于前者。就扭转振型而言，单箱双室波纹钢腹板在第4阶出现，而双箱双室波纹钢腹板出现在第2阶，且前者的扭转频率比后者要高。这意味着双箱双室截面的扭转刚度不如单箱双室，其整体性较差。

4 钢腹板参数与桥梁厚度之间的关系

在试验分析中还发现，钢腹板的厚度、水平长度等参数同样影响着桥梁的动力特性。就其厚度来说，钢腹板越厚，箱梁的竖向和横向振动频率以及扭转振动频率越高。当钢腹板厚度达到一定值时，扭转频率不再上升且呈现出下降趋势。这表明在一定的范围内，随着板厚度的增加，箱梁强度会有所增长；一旦超出了此范围，箱梁刚度会随之减少。

从钢腹板的水平面板长度来说，水平面板越长，箱梁的竖向和横向振动频率、扭转振动频率越高，同时钢腹板的外刚度会逐渐增加。同样在增加到一定的值后，开始出现下降的趋势。所以要适当控制水平面长度，对其范围进行优化。

从钢腹板折角来看，对桥梁的动力特性也影响较深，随着折角的逐渐变大，箱梁竖向振动频率会越来越少。但面外刚度会有所加强，所以箱梁的抗扭刚度也会提高。

5 结束语

现代化桥梁施工工艺较为复杂，对其质量要求更高，在不断创新改进中，波纹钢腹板箱梁桥结构应用越来越多。其动力特性关系重大，与截面形式密切相关，在此分析了几种不同的截面形式带来的不同影响。虽然波纹钢腹板桥梁具有诸多优势，但其抗扭刚度不如普通混凝土桥梁。在实际设计时，需重视动力特性，特别是扭转性能。

参考文献

[1]李鹏飞，刘保东，肖英楠.截面形式对波纹钢腹板桥梁动力特性的影响[J].北京交通大学学报，2010，20（3）：132～133.

[2]李家承.浅析波纹钢腹板桥梁的配筋设计[J].城市建筑，2013，22（14）：109～110.

[3]李玉华.桥跨比对波纹钢腹板组合箱梁桥动力特性的影响[J].山西建筑，2014，25（12）：182～184.

[4]张健，周烨.腹板几何参数对波纹钢腹板桥梁动力特性的影响[J].北方交通，2011，20（7）：176～178.