特大跨径波形钢腹板连续刚构桥跨间横隔设置研究
何晓晖
【摘要】在大跨径波形钢腹板连续刚构桥的设计中，跨间横隔板的设置是该类型桥梁设计中的难点之一。与常规计算箱梁畸变应力作为控制设计的方式不同，本文通过采用建立Ansys有限元模型分析结构模态方法，分析跨间横隔间距、厚度等参数对梁桥动力特性的影响，为参数化分析结构扭转（弯扭）振型及相应的频率，提供了一种可解决确定跨间横隔板设置数量和位置的较好设计方法。
【关键词】波形钢腹板； 组合结构 ；结构模态； 横隔板； 大跨径梁桥
概述
柳州经合山至南宁高速公路上的重点工程龙马红水河特大桥方案跨径布置为100m+180m+100m，采用波形钢腹板PC连续刚构桥结构，该桥主跨跨度目前为国内同类梁式桥梁第一。桥梁箱梁总宽为26.5m，左、右双幅布置，单幅桥宽为13m，双幅桥中央预留0.5m 净距。主桥上部結构采用单箱单室波形钢腹板PC连续箱梁断面，中墩处箱梁高为11.25m，跨中及边墩点处梁高为4.2m，梁高按1.6次抛物线变。下部结构主墩采用双薄壁实体墩，单肢壁厚1.8m，肢间净距7m，基础为承台群桩基础。
波形钢腹板预PC箱梁因腹板为具有折皱效应的波形钢板，与普通混凝土箱梁相比，抗扭刚度和抗剪刚度分别降低约40%、10%。因此，为保证波形钢腹板箱梁必要的结构抗扭刚度，按规范《波形钢腹板组合梁桥技术标准》CJJ/T 272中的相关要求，该类箱梁不仅在支座处设置横隔梁，跨间也必须设置一定数量的横隔板。跨间横隔板的设置是以端横隔梁（中墩顶、边墩顶）设置为前提，墩顶横隔梁为传递支点集中荷载所必须的构造，跨间横隔板的设置一方面增大箱梁抗扭刚度，另一方面又会增加箱梁质量，这两重作用，是互为正负的。在波形钢腹板PC箱梁应用初期，因认识问题，横隔板设置较密（间距较小），在特大跨径连续刚构桥梁的设计中如何合理设置跨间横隔是一个难点。与常规计算箱梁畸变应力的作为控制设计的方式不同，本文采用结构模态分析方法，重点分析了不同跨间横隔板数量布置及厚度对波形钢腹板箱梁动力特性的影响。
图1b 波形钢腹板组合箱梁构造图
2.结构有限元分析
采用ANSYS通用有限元分析程序建立了13个计算模型，半跨内的跨间横隔板数量由0～6个依次递增，横隔厚度尺寸设置为0.3m和0.5m，分别分析每个模型的自振特性及在偏载作用下的扭转位移。混凝土顶板、底板、隔梁等均采用solid45实体单元模拟，梁体物理参数按C60混凝土取值，桥墩物理参数按C50混凝土取值。波形钢腹板采用shell63壳单元模拟，其物理参数按Q345钢材取。支座节点的约束按单双向支座布置约束相应自由度，墩底固结。波形钢腹板与混凝土顶、底板以及内衬混凝土采用共用节点的方式连接。模型总节点个数为194208个，单元个数为127916个。
2.1 隔板数量参数化模型
采用APDL语言在全桥钢腹板的平波段内设置跨间横隔板，横隔板厚度分为0.3m、0.5m两种类型，在中跨内数量由0～12片依次递增，中跨1/2跨跨间横隔板的数量及位置见下图3。
2.2桥梁结构整体自振特性分析
通过对模型进行动力特性分析，提取前10阶振型数据汇总如表1-、表2。
由上述表1、表2数据显示，桥梁扭转基频振型均出现在第3阶，其自振频率变化汇总如图5。
根据以上变化趋势分析，随着横隔板数量的增加，对自振特性有两方面的影响。一方面，跨间横隔板的增加导致桥梁质量略有增大，而横隔板的设置对桥梁的抗弯刚度几乎没有影响，这使得桥梁的竖弯、平弯振型的自振频率稍有减小，但减小的幅度非常小；另一方面，横隔板的增加导致桥梁抗扭刚度增加，横隔板半跨个数从0到1个时，桥梁的扭转振型自振频率有所增加，但之后增加横隔板个数及厚度时，扭转自振频率均为下降，增加横隔板个数及厚度而产生的扭转刚度对频率影响没有质量改变影响大。
总的来说，中横隔板的设置会改变桥梁的扭转振型的自振频率，但改变的幅度很小，并且中横隔板的设置对桥梁各种振型出现阶次顺序的影响也不大。即便是在不设中横隔的情况下，扭转振型出现的阶次也是在第3阶，也就是说即便在不设中横隔的情况下，在竖向地震作用、车辆等活载的激励作用下，桥梁上部结构的主要振动形态仍然是以竖弯为主。
2.3箱梁跨中扭转位移分析
按中跨跨中截面位移影响线进行纵桥向车道加载，桥梁位移计算如图6、图7（图中为半跨4个横隔，横隔厚度0.5m，其他模型变化趋势与此类似）。
对所有模型进行对称布置荷载、偏载布置，计算得到中跨跨中A点位置（距离梁中心3.5m处梁顶面）挠度如表3、表4。
半跨横隔板不同个数及厚度时，相对扭转刚度变化汇总图8。
由以上图表分析，随着跨间横隔板数量及厚度的增加，抗扭刚度逐渐增加，由扭转引起偏载侧的腹板竖向及扭转挠度逐渐减小。当本桥半跨设置2个以上横隔时，抗扭刚度的增加与横隔的个数基本呈线性关系，半跨设置4个以上横隔时，抗扭刚度增加变缓，横隔厚度（0.3m厚-0.5m厚）对抗扭刚度的影响不是特别大。
3.结语
3.1当本桥半跨设置2个以上横隔时，抗扭刚度的增加与横隔的个数基本呈线性关系，半跨设置4个以上横隔时，抗扭刚度增加变缓，横隔厚度（0.3m、0.5m）对抗扭刚度的影响不大。本桥半跨设置4个横隔，厚度0.3m，由偏载引起的横坡为0.05%，与桥面2.0%横坡相比很小，可以满足正常使用要求，是本桥设计中最优采用的技术方案。
3.2波形钢腹板PC箱梁横隔设置理论上可用结构扭转（弯扭）振型相应的频率与振型阶数控制。经计算，本桥中横隔设置个数及厚度的不同会改变桥梁的扭转振型的自振频率，但改变的幅度较小，中横隔板的设置对桥梁各种振型出现阶次顺序的影响不大。
3.3根据计算成果，实际工程设计中可设置整体式全钢结构的横隔板，在构件轻型化设计的同时也能进一步节约横隔板的现场施工工期。
3.4与现在常用的计算波形钢腹板组合箱梁畸变应力方法比较，本文采用结构模态分析方法能较好的反映桥梁结构力学特性，分析结果更加直观和清晰，值得进一步推广和使用。
参考文献
[1]陈宜言.波形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.
[2]刘玉擎，陈艾荣.组合折腹桥梁设计模式指南[M].北京：人民交通出版社，2015.
（作者单位：深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518029）
【中图分类号】U443
【文献标识码】A
【文章编号】1671-3362（2019）04-0054-04
