内衬混凝土对波纹钢腹板连续刚构桥动力特性的影响

牟 开

（山西省交通科学研究院 太原市 030006）

内衬混凝土对波纹钢腹板连续刚构桥动力特性的影响

牟 开

（山西省交通科学研究院 太原市 030006）

以日本本古桥为背景，采用有限元分析软件Midas/Civil建立波纹钢腹板连续刚构桥实体单元模型，研究内衬混凝土设置对波纹钢腹板连续刚构桥动力特性的影响。研究结果表明：内衬混凝土的设置，使得波纹钢腹板连续刚构桥的扭转刚度降低，扭转频率减小；内衬混凝土厚度增加，扭转刚度降低；内衬混凝土纵桥向长度增加，扭转刚度呈现先降低后升高的趋势。在波纹钢腹板刚构桥设计时，不仅仅要考虑内衬混凝土对墩上块应力传递的改善，而且应考虑内衬混凝土的设置对其动力特性的影响。

连续刚构桥；波纹钢腹板；自振频率；内衬混凝土

波纹钢腹板组合箱梁桥是国内外新兴的组合结构桥梁，具有自重小、抗震性能好、预应力效率高等优点［1-3］。它采用波纹钢腹板代替普通混凝土腹板，箱梁自重减轻20%左右；腹板采用波纹钢腹板，有效解决传统混凝土箱梁腹板开裂这一病害，提高了腹板的耐久性；波纹钢板的手风琴效应，可以提高预应力效率。

当波纹钢腹板组合桥梁的跨径较大时，箱梁根部截面高度相应较高，设计中一般考虑在墩顶附近波纹钢腹板内侧浇注混凝土以形成组合腹板结构，这部分混凝土被称为内衬混凝土［4］，构造示意图如图1所示。

目前在波纹钢腹板组合梁桥墩顶附近浇注内衬混凝土的方法已经被广泛应用，对于内衬混凝土的受力性能已进行了较为深入的研究，并取得了一些研究成果［5-6］。但内衬混凝土的设置对波纹钢腹板组合梁桥动力特性的影响鲜见相关研究。针对这种现状，本文通过Midas/Civil建立波纹钢腹板连续刚构桥实体单元模型研究内衬混凝土设置对波纹钢腹板连续刚构桥动力特性的影响。

1　桥梁概况及有限元模型建立

本谷桥为日本北海道北陆汽专用公路中央位置处的波形钢腹板组合箱梁桥，为世界第一座波形钢腹板刚构桥，它的结构形式为3跨连续刚构，跨径布置为：44.013m+97.202m+55.978m。主梁结构截面形式为波形钢腹板混凝土变截面单箱单室组合箱梁（见图2）。主要材料参数：箱梁的顶、底板混凝土采用C60混凝土，箱梁采用直腹板形式，钢腹板采用Q345等级钢材，厚度为8mm（见图3）。

本文利用有限元软件MIDAS/Civil建立波纹钢腹板连续刚构桥实体单元模型。对桥墩单元约束底部的全部自由度，梁墩之间共节点模拟墩梁固结，边跨两端的边界约束竖向位移、横向位移及扭转位移，纵向不约束，不考虑桩土共同作用。内衬混凝土和钢腹板的连接在有限元中采用共节点模拟。有限元模型如图4所示。

2 内衬混凝土设计

河南省地方标准［7］《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》（DB 41/T 643-2010）中规定：

（1）波形钢腹板组合箱梁宜在桥墩台顶横隔梁外一定范围内采用波形钢腹板内衬混凝土的组合结构；

（2）对与波形钢腹板连续梁桥和连续刚构桥，当桥梁各跨跨径相差很大时，小跨径可采用波形钢腹板内衬混凝土来平衡大跨径的内力；

（3）内衬混凝土厚度不宜小于200mm；

（4）波形钢腹板与内衬混凝土的连接主要采用焊钉连接件。

3 内衬混凝土设置对波纹钢腹板连续刚构桥动力特性的影响

波纹钢腹板连续刚构桥的支点附近，要设置一段混凝土里衬，使波纹钢腹板与墩上块箱梁混凝土连成一体，使作用于支点截面附近的应力圆滑地向有波纹钢腹板的截面传递；当波纹钢腹板和墩上块箱梁混凝土连成一体之后，使得波纹钢腹板刚构桥在墩上块附近的一体性增强，使结构的动力特性发生变化。因此本文研究内衬混凝土的设置位置、厚度t以及纵桥向长度l对波纹钢腹板连续刚构桥动力特性的影响。

3.1内衬混凝土设置位置的影响

内衬混凝土的材料性质与顶、底板相同。保持箱梁截面不变，在两桥墩墩上块设置内衬混凝土，厚度为300mm、纵桥向长度为2400mm（波纹钢板一个波长为1200mm），其设置位置分别设在墩上块边跨侧、墩上块中跨侧、墩上块两侧。采用有限元软件对其进行计算，计算结果见表1。

表1　内衬混凝土设置在不同位置时波纹钢腹板刚构桥的动力特性

由表1可以看出无论是在哪侧设置内衬混凝土，都表明：加设内衬混凝土后会降低箱梁的扭转振动频率和纵桥向频率，提高其竖向振动频率；在边跨侧设置以及两侧均设内衬混凝土时，横向频率会增大，而设置在中跨测时，横向频率降低；内衬混凝土的加设位置影响到箱梁的扭转振动频率，在边跨侧和中跨侧均设置内衬混凝土时，扭转频率最低。

3.2内衬混凝土厚度的影响

内衬混凝土的材料性质与顶、底板相同。保持箱梁截面不变，在两桥墩墩上块设置内衬混凝土，纵桥向长度为2400mm，最小厚度t依次取为300mm、400mm、500mm、600mm，其设置位置设在墩上块两侧。采用有限元软件对其进行计算，计算结果见表2。

从表2可以看出，随着内衬混凝土厚度t的增加，波纹钢腹板刚构桥的扭转频率逐渐减小，横向频率和纵桥向频率也随之减小，但竖向频率逐渐增大。也就是说虽然采用适当厚度的内衬混凝土能够使墩上块应力有效地向腹板传递，但随着厚度的增加，箱梁的扭转刚度逐渐降低，减小箱梁的扭转频率。

表2　厚度　t不同时波纹钢腹板刚构桥的动力特性

3.3内衬混凝土纵桥向长度的影响

内衬混凝土的材料性质与顶、底板相同。保持箱梁截面不变，在两桥墩墩上块设置内衬混凝土，内衬混凝土厚度为300mm，纵桥向长度l依次取为1200mm、2400mm、3600mm、4800mm，其设置位置设在墩上块两侧。采用有限元软件对其进行计算，计算结果见表3。

表3　纵桥向长度　l不同时波纹钢腹板刚构桥的动力特性

由表3可以看出，随着内衬混凝土纵桥向长度l的增加，横向频率和纵桥向频率逐渐减小，竖向频率增大；箱梁的扭转频率先减小后增大，因为随着内衬混凝土纵桥向长度增加，波纹钢腹板箱梁也逐渐向混凝土腹板箱梁发展，扭转刚度增加。

4 结语

依据现有相关规范规定，通过改变内衬混凝土的设置位置、内衬混凝土最小厚度和内衬混凝土纵桥向长度，研究波纹钢腹板连续刚构桥在不同内衬混凝土设置下的动力特性。主要结论有：

（1）波纹钢腹板连续刚构桥的支点附近，设置一段混凝土里衬，使波纹钢腹板与墩上块箱梁混凝土腹板连成一体，使得作用于支点截面附近的应力圆滑地向有波纹钢腹板的截面传递。

（2）内衬混凝土的设置，使得波纹钢腹板连续刚构桥的扭转刚度降低，扭转频率减小。并且随着内衬混凝土厚度的增加，扭转刚度也随之降低；而内衬混凝土在纵桥向的长度的增加，扭转刚度呈现先降低后升高的趋势。

（3）在波纹钢腹板刚构桥设计时，不仅仅要考虑内衬混凝土对墩上块应力传递的改善，而且应考虑内衬混凝土的设置对其动力特性的影响。

［1］ 刘磊，钱冬生.波纹钢腹板预应力结合梁桥［J］.国外公路，1999，19（1）：26-30.

［2］ 宋建永，王彤，张树仁.波纹钢腹板体外预应力混凝土组合梁桥［J］.东北公路，2002，25（1）：38-40.

［3］ 波形钢腹板PC组合箱梁桥的施工［J］.山西交通科技，2007（5）：54-56.

［4］ 陈宜言，王用中.波纹钢腹板预应力混凝土桥设计与施工［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［5］ 刘朵，杨丙文，张建东，万水.波形钢腹板组合桥梁内衬混凝土抗剪性能研究［J］.世界桥梁，2013，41（6）.

［6］ 波形钢腹板PC组合箱梁桥内衬混凝土钢混组合段抗剪验算［J］.公路，2013，12（12）：91-96.

［7］ 河南省地方标准.DB41/T 643-2010公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范［S］：郑州：河南省质量技术监督局，2010.

Influence of Lining Concrete on Dynamic Properties of Continuous Rigid Frame Bridge with Corrugated Steel Web

MU Kai

（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China）

Taking an ancient bridge in Japan as the background，a solid element model of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is built by adopting a software of finite element analysis Midas/Civil，so asto study the influence of setup of lining concrete on dynamic properties of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web.The research result shows that：the torsional rigidity of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is reduced and the torsional frequency is decreased due to the setup of lining concrete；the thickness of lining concrete is increased，and the torsional rigidity is reduced；the longitudinal length of lining concrete is increased，and the torsional rigidity presents a tendency of first decreased and then increased.When performing the design on continuous rigid frame bridge with corrugated steel web，we should consider not only the improvement of lining concrete on stress transfer of block on the pier，but also the influence of setup of lining concrete on its dynamic properties.

Continuous rigid frame bridge；Corrugated steel web；Natural frequency of vibration；Lining concrete

U441

A

1673-6052（2016）01-0029-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.007