新型钢混组合梁桥静动力特性分析

李昕瑞

（兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

波形腹板钢底板PC 组合箱梁作为一种新型的钢-混凝土组合结构，在中国首次运用，国内对其相关的受力分析研究甚少，大多都是以波形钢腹板混凝土底板作为研究对象，几乎没有针对波形腹板钢底板桥梁的分析。文章以G1816 乌海-玛沁高速景泰至中川机场段30m 钢腹板组合箱梁桥为工程背景，介绍了30m 钢腹板PC 组合箱梁现场试验布置，并对试验结果进行了分析。

1 桥梁概况

G1816 乌海-玛沁高速景泰至中川机场段公路工程，桥跨布置自南向北依次为18 跨30m（18×30）波形钢腹板组合简支箱梁+一跨45m 简支梁+4 乘50m 连续梁（4×50m）+5 乘50m 连续梁（5×50m）+3 跨30m 简支梁（3×30m）。桥梁长度1126.46m。18 跨30m 钢腹板组合简支箱梁主梁宽度均为20m 等宽，采用四箱单室截面，由开口钢箱梁和混凝土桥面板通过抗剪连接件组成，主梁结构中心线处梁高1.5m，钢腹板高1.25m，混凝土桥面板厚0.25m.桥面设1.5%的双向标准横坡，箱梁顶面横坡与桥面横坡相同，桥面横坡由腹板不等高调整，桥面铺装等厚。腹板釆用BCSW1200 型波形钢腹板，波长1200mm、波高200mm、其厚度为10mm。

2 新型结构的优点与研究的必要性

（1）结构构造方面：使用波形钢腹板代替传统混凝土腹板，使用钢底板代替传统混凝土底板，在很大程度上达到了减轻箱梁自重的效果，使桥梁设计更加轻质化，使其下部结构的工程量大大减少。波形腹板钢底板PC 组合箱梁由厂制作标准梁，施工方便快捷，大大缩短了施工工期。

（2）结构受力方面：钢底板相对传统的混凝土底板在正弯矩作用下，改进了底板需要张拉较多的预应力钢束以及混凝土受拉开裂的现象。

（3）施工工艺方面：由于波形钢腹板代替传统混凝土腹板，钢底板代替传统混凝土底板，在很大程度上减轻了箱梁自重。相较于传统的混凝土复杂的施工，其制作工艺更加简单。

（4）环保方面：钢结构是节能、环保型结构。钢材强度高，钢结构相对比较轻，施工安装较便利，构件尺寸相对较小，可以更有效地利用和节约材料。当使用功能完成后还可通过再利用或回炉再生产等措施而实现循环使用，故采用钢-混凝土结构的桥梁可大大减少“建筑垃圾”，促进了绿色、环保、节能和可持续发展。

（5）抗震方面：甘肃省境内主要有河西走廊地震带、兰州-天水地震带、六盘山地震带3 条地震带，地震活动水平居全国第8。相对混凝土结构，钢结构的材料性能更稳定，结构的延性较前者好，抗震性能也更好。

（6）对于黄土湿陷性方面：由于在湿陷性黄土地区，下部结构造价所占比重较大，采用重量更轻的钢-混凝土组合结构有利于减小上部结构传递给基础的荷载，从而减小下部结构的工程量和造价，减少湿陷性黄土地区结构沉降引起的工程病害。更适合于甘肃省黄土地区交通建设的较好桥型。

正是由于新型桥型相比以前的桥型具有不可忽略的优势，所以该类桥型的静动力特性研究显得非常重要。

3 应变计现场布置介绍

选取K1+845 主匝道30m 简支箱梁桥作为研究目标，选取1/4 做为研究对象，同时选取跨中最不利荷载截面自左向右进行应变计布置共计13 个。

4 有限元模型

本次采用ansys 建立有限元模型，运用3D 实体单元模拟混凝土桥面板，壳单元模拟波形钢腹板以及钢底板，这样确保了模型模拟的精确度。对于波形钢腹板和顶部混凝土板的连接，使用MPC 多点耦合接触法来实现。先分别为实体和壳单元划分网格，在相交区域不同单元上分别添加目标单元TARGE170 和接触单元CONTA175，如此一来顶板和腹板可以独立划分网格，保证了模拟的精确度。

该桥上部结构有限元计算模型如图1 所示，其中节点127520 个，单元110488 个。

图1 30m 简支梁有限元模型

5 研究结果

本次实验通过现场值与实测值进行分析对比得出结论。

5.1 有限元模拟值

ansys 有限元建模选取1/4 跨径应力提取值与现场实测值如表1 所示。

表1 测点应力值 单位：MPa

5.2 数据对比

通过对30m 简支新型钢混组合梁桥上部结构在二期恒载作用下各测试截面应力实测结果与相应的理论计算结果进行对比分析后，可以得到以下结论：（1）上部结构在二期恒载作用下各测试截面应力的实测计算值小于混凝土抗拉设计值，说明结构混凝土表面本身完好。（2）上部结构在在二期恒载作用下各测试截面应力校验均小于1，表明桥梁结构强度良好。数据对比分析图如图2 所示。

图2 数据对比分析

由以上对应力测试结果的分析可知：新型钢混组合梁桥30m 简支梁桥的强度满足设计要求。

6 动力试验

本次动力试验为结构自振特性试验。根据相关要求，主匝道30m 箱梁桥左幅结构进行动载试验测试，以确定桥梁结构的相关动力特性参数，并结合理论分析结果，综合评定桥梁结构动力特性。

6.1 动载试验测点布置

动载测试点布置如图3 所示。

6.2 自振特性测试结果与分析

通过现场脉动试验及ansys 有限元模拟，得出主匝道30m 箱梁自振频率的实测值、理论值。ansys 有限元模拟一到五阶频率值如表2 所示。

6.3 数据对比

现场脉动试验及ansys 有限元模拟值对比如表3所示。

图3 30m 简支梁拾振器测点布置图

表2 有限元模型振型图 单位：Hz

表3 ansys 有限元模拟值 单位：Hz

根据《城市桥梁检测与技术评定规范》相关规定[1]：桥梁上部结构动力特性状态指标有

式中：S 为状态指标；fmi 为实测频率；fdi 为理论频率。

由表4 可以看出S ＞1，由于结构的自振频率评定标准为1，S ＞1 表示其整体性能良好。

表4 上部结构动力特性状态指标评定结果

7 结束语

（1）新型钢混组合梁桥的力学性能分析结果表明，该种新型上部结构在二期恒载作用下各测试截面应力的实测计算值小于混凝土抗拉设计值，说明结构混凝土表面本身完好。由以上对应力测试结果的分析可知，新型钢混组合梁桥30m 简支梁桥的强度满足设计要求。

（2）新型钢混组合梁桥的动力性能分析结果表明，该种结构的整体性能良好。

8 启示

这种新型结构的建筑与推广符合国际桥梁发展趋势和国家绿色环保发展理念，加快了国家、甘肃省钢材行业产能的合理消化，促进了社会经济的稳定发展，也可为甘肃省钢-混凝土组合结构桥梁的开拓性发展和环保公路的建设奠定坚实的基础。该种新型结构不仅丰富了该组合结构桥梁形式，而且提升了组合结构桥梁设计综合技术水平，对促进钢结构桥在我国的进一步发展，具有重要的理论和实际应用价值。文章用过对静动力测试的数据进行对比，并对其结果进行分析验证了新型结构的可靠性跟稳定性，为该种结构后期的运用与发展奠定坚实的基础。