波纹钢腹板混凝土箱梁动力特性改善研究

第29卷,第3期 中国铁道科学Vo l 29No 32008年5月 CH INA RAILWAY SCIEN CEM ay,2008文章编号:1001 4632(2008)03 0029 05波纹钢腹板混凝土箱梁动力特性改善研究刘保东1,陈海波1,任红伟2(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044; 2.交通部公路科学研究院,北京 100088) 摘 要:以波纹钢腹板混凝土试验箱梁为研究对象,建立有限元模型,对试验箱梁的动力特性进行计算和分析,依据其动力特性的特点制定试验方案,对其动力特性进行实测。

有限元分析结果和试验实测结果的对比分析表明:二者差别较小,证明了实测结果的正确性,也验证了有限元分析方法的精度和可行性。

实际波纹钢腹板箱梁与一般混凝土腹板箱梁动力特性的有限元分析结果表明,波纹钢腹板混凝土箱梁扭转刚度偏低。

对此提出增设横隔板改善扭转动力特性的方案。

在箱梁中不同位置增设横隔板改善效果的比较表明,在端部区域适当增设横隔板对改善其扭转动力特性的效果最优。

关键词:箱梁;波纹钢腹板;动力特性;改善;有限元分析 中图分类号:U 448 213 文献标识码:A收稿日期:2007 06 25;修订日期:2008 03 12 基金项目:交通部西部交通科技项目(200431822315)作者简介:刘保东(1967 ),男,河北廊坊人,副教授,博士。

箱形截面梁作为一种经济合理的截面形式在现代桥梁结构中应用广泛[1]。

对于一般混凝土腹板预应力箱梁,由于布置预应力钢筋的需要,腹板厚度较大,约占梁总重的25%~35%[2],加之设计、施工的不当和混凝土的收缩徐变,腹板开裂的现象较为严重[3]。

为减轻腹板的重量,减少混凝土腹板的开裂,1975年法国学者提出了用波纹钢板做腹板的一种新的钢-混凝土组合箱梁结构形式[4]。

由于波纹钢板在轴向为折叠状,当受到轴向预压力作用时能自由压缩,因而对上下混凝土板由于徐变和收缩而产生的变形约束较小,可对箱梁施加有效的体外预应力,加上波纹钢腹板的抗剪强度高,可完全代替混凝土腹板,大大减轻了梁体的重量。

至今,各国已对波纹钢腹板箱梁结构的力学性能进行了大量的研究[5 8],但对波纹钢腹板箱梁的动力性能研究很少。

结构的动力特性是研究其动力响应的基础,本文运用有限元和试验方法对波纹钢腹板箱梁进行动力特性改善研究。

1 试验梁的设计和试验方案为了研究波纹钢腹板箱梁的动力特性,根据某49m 跨度波纹钢腹板简支梁的设计方案,参考相关试验梁的设计与制作方法,设计制作了2片波纹钢腹板混凝土试验箱梁。

试验梁为全长2 5m 、跨径2 4m 的简支箱梁,梁高30cm ,顶板和底板厚4cm,顶板宽117cm,底板宽45cm,波纹钢腹板竖向倾斜角度为71 ,腹板与上下顶板采用抗剪螺栓连接。

试验梁混凝土标号为C40,顶板、底板和横隔板的配筋采用直径6m m 的光圆钢筋。

2片试验梁的端隔板均设于支座处,区别在于中部横隔板的设置,1片设2道横隔板,另1片跨中再增设1道横隔板,即共3道横隔板。

本文以跨中设置3道横隔板的试验梁为研究对象,其构造如图1和图2所示。

波纹钢板采用Q235优质钢板,厚2mm,水平面板宽20mm,折叠角度为37 ,波高12mm,波长72m m,如图3所示。

图3 试验梁波纹钢腹板构造详图(单位:mm)根据试验梁刚度较大的特点,选用自振法(瞬态激振法)测量其动力特性[9]。

本试验采用力锤敲击法加载。

为激起梁体的整体振动,加载时,应正确选择冲击荷载的大小和作用位置。

冲击荷载应施加在梁的主要受力构件上且足够大。

冲击荷载的作用位置可按结构的振型确定,根据本试验梁扭转振型突出的特点,应布置多排测点,敲击点和测点的布置如图4所示。

图4 敲击点和测点的位置(单位:cm)测试所用仪器和系统主要包括力锤、高频传感器、信号放大器、数字信号采集仪和模态试验分析软件系统。

保持敲击点位置不动,测量21个不同位置处激励(力锤冲击力)信号和传感器的响应信号,得出传递关系(取3次平均)。

然后通过动力分析软件进行模态拟合,得出梁的各阶动力特性。

2 试验梁的有限元分析波纹钢腹板试验箱梁是由混凝土顶、底板和波纹钢腹板三者构成的组合结构,此时截面不再是等截面,不宜直接采用空间梁单元建模。

混凝土上下翼缘板采用实体单元,由于腹板较薄,采用板壳单元。

梁的纵向为X 轴,横向为Y 轴,Z 轴按右手螺旋法则确定。

边界条件为:在固定铰支承处,限制节点3个方向的平动位移,约束X ,Z 向的转动自由度;在活动铰支承处约束节点Y,Z 向的平动位移和X ,Z 向的转动自由度。

试验梁共划分单元3670个,其中板壳单元280个,其有限元模型示意图如图5所示。

图5 波纹钢腹板混凝土试验箱梁的有限元模型示意图按照上述有限元模型,对试验梁的动力特性进行计算,试验箱梁前5阶自振频率的有限元计算结果见表1。

表1 有限元计算频率及振型特征频率/H z振型特征169 392梁竖向弯曲 2117 864梁横向弯曲 3149 278上翼缘板翘曲4169 788梁扭曲 5178 200梁扭曲由表1可以看出,该试验梁整体刚度较大,但由于波纹钢腹板较薄及上翼缘板挑出较大,扭转刚度相对较低,上翼缘板翘曲和扭转振型出现较早。

3 试验梁动力特性的试验结果和有限元分析结果对比由于横向支承条件的不确定性,试验中很难取得精确的横向频率和振型,因此本试验主要测得了竖向和扭转1阶振型。

实测结果与有限元分析结果对比见表2。

表2 试验梁自振频率实测值与有限元分析值的对比阶次有限元分析值/H z试验实测值/H z 差异/%竖向1阶69 39259 94013 621扭转1阶169 788167 9201 110图6和图7分别为有限元分析所得竖向1阶振型和扭转1阶振型,图8和图9分别为试验实测的图6 有限元分析竖向1阶振型图30中 国 铁 道 科 学 第29卷竖向1阶振型和扭转1阶振型。

由表2和图6 图9可以看出,试验结果和有限元分析结果基本吻合。

误差产生的原因主要是结构有限元模型隐含了理想化的假定和简化,还有试验梁混凝土的弹性模量、截面尺寸以及约束条件的影响。

由于本试验的模型梁尺寸较小,施工中产生尺寸误差在所难免;又由于截面较小,往往微小的误差就能使梁的动力特性发生较大的变化,同时由于支座的实际约束条件往往与有限元分析时的理想情况也有一定差别,因此试验结果和有限元分析结果产生一定的误差是可以接受的。

剔除这些原因,对比结果证明,本文的试验结果可信,本文采用的有限元分析方法具有较高的精度和可行性。

4 波纹钢腹板箱梁动力特性的特点为了进一步揭示波纹钢腹板混凝土箱梁动力特性的特点,选取青海三道河桥49m跨实际波纹钢腹板简支箱梁为研究对象,箱梁的纵立面和横截面如图10和图11所示。

梁高250cm,顶板宽1200 cm,底板宽700cm,梁体混凝土标号为C50。

波纹钢腹板竖向倾斜角度为71,波纹钢板厚12 mm,水平面板宽250m m,折叠角度为37,波高150mm,采用Q235优质钢。

为了对比分析波纹钢腹板箱梁与一般混凝土腹板箱梁的动力特性,参考一般混凝土腹板箱梁的设计要求,取混凝土腹板厚度40cm,其他尺寸同波纹钢腹板混凝土箱梁,利用前面所述的方法分别建立波纹钢腹板箱梁与一般混凝土腹板箱梁的有限元模型,由计算可知,波纹钢腹板箱梁重767 331t,一般混凝土腹板箱梁重1018 775t,可见,采用波纹钢腹板可以减小自重约24 6%,明显对抗震有利。

二者动力特性分析结果见表3。

表3 波纹钢腹板混凝土箱梁与一般混凝土腹板箱梁自振特性对比阶次波纹钢腹板箱梁自振频率/Hz振型特征一般混凝土腹板箱梁自振频率/H z振型特征12 32竖向一阶 2 68竖向一阶25 75竖向二阶 7 75横向一阶35 91扭转一阶 8 79竖向二阶47 98横向一阶 10 67扭转一阶59 23竖向三阶 14 96竖向三阶+平动611 37扭转二阶 19 49竖向三阶713 24竖向四阶+平动19 72扭转二阶 由表3可以看出,波纹钢腹板箱梁的竖向1阶自振频率有一定降低,约13%,但竖向高阶自振频率降低较大;横向1阶自振频率与一般混凝土腹板箱梁相差不大;扭转自振频率降低较多,1阶和2阶分别降低46%和42%。

主要是因为波纹钢腹板箱梁的竖向和横向刚度决大部分由混凝土顶板和底板提供,而波纹钢腹板箱梁腹板较薄,抗扭时框架效应没有一般混凝土腹板箱梁明显,导致其扭转刚度偏低。

波纹钢腹板箱梁扭转刚度偏低,可以通过适当增加横隔板加以改善。

在上述试验梁的跨中增设1道横隔板后,实测扭转1阶频率由159 251H z上升到169 788H z,增加约7%。

下面结合49m跨度实际波纹钢腹板简支梁,考虑以下5种增加横隔板方案。

31第3期 波纹钢腹板混凝土箱梁动力特性改善研究方案1:在原梁支座至第1道横隔板中间,距2边支座6m处各增加1道横隔板,质量增加到784 717t。

方案2:在方案1的基础上,在原梁中部2道横隔板中间,距2边支座18m处各增加1道横隔板,质量增加到802 649t。

方案3:在方案2的基础上,原梁支座至第1道横隔板中间,改为各增加2道横隔板,分别距2边支座4和8m,质量增加到819 525t。

方案4:在方案3的基础上,原梁中部2道横隔板中间,改为各增加2道横隔板,分别距支座16m和20m,质量增加到836 947t。

方案5:在方案3的基础上,原梁支座至第1道横隔板中间,改为各增加3道横隔板,分别距2边支座3,6和9m,质量与方案4相同,也增加到836 947t。

根据上述方法建立有限元模型并计算,结果表明,增加横隔板没有改变箱梁的振型排序,5种方案的扭转频率与原梁相比的改善效果见表4。

表4 增加横隔板对波纹钢腹板混凝土箱梁扭转频率改善效果阶次原梁频率/H z方案1频率/H z改善效果方案2频率/Hz改善效果方案3频率/H z改善效果方案4频率/H z改善效果方案5频率/Hz改善效果扭转1阶5 916 113 4%6 164 2%6 388 0%6 367 6%6 5611 0%扭转2阶11 3711 652 5%12 348 5%12 5610 5%12 6611 3%12 7211 9%从表4可以看出:按方案1在2端各增加1道横隔板后,扭转1阶和2阶频率都有所改善,分别增加3 4%和2 5%,但由于横隔板增加较少,效果不明显;按方案2在中部再增加2道横隔板,扭转2阶频率得到进一步改善,增加8 5%,可见中部增加横隔板对改善扭转2阶频率有利;按方案3在2端改为各增加2道横隔板后,扭转1阶和2阶频率改善都较为明显,分别增加8 0%和10 5%,可见端部增加横隔板改善效果较好;按方案4中部改为增加4道横隔板后,扭转1阶频率反而有所下降,这是由于自重增加而刚度增加较小,因此再在中部增加横隔板的效果不好;方案5与方案4增加的横隔板数量相同,即自重增加相同,但增设的2道横隔板位置改在端部,其改善效果更加明显,扭转1阶和2阶频率分别增加11 0%和11 9%。