波形钢腹板连续刚构桥抗震性能

2012年12月第41卷增刊施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
波形钢腹板连续刚构桥抗震性能研究
张冠男，周建春
（华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640）
［摘要］通过Midas 对某波形钢腹板连续刚构桥建立有限元模型，用反应谱方法进行地震反应分析，并与普通混凝土腹板连续刚构进行对比。

分析结果表明：同等跨径的波形钢腹板连续刚构桥的自重要比普通混凝土连续刚构桥小70%左右；普通混凝土连续刚构桥自振频率略大于波形钢腹板连续刚构桥；在地震荷载作用下，所有控制截面的横向弯矩纵向弯矩和扭矩，混凝土箱梁均大于波形钢腹板箱梁，平均相差150%以上。

［关键词］桥梁工程；反应谱；波形钢腹板；连续刚构桥［中图分类号］
TU352［文献标识码］A
［文章编号］1002-
8498（2012）S1-0259-04Analysis on Seismic Performance of Continuous Rigid Frame Bridge with Corrugated Steel Web
Zhang Guannan ，Zhou Jianchun
（School of Civil Engineering and Transportation ，South China University of Technology ，Guangzhou ，Guangdong 510640，China ）
Abstract ：The seismic performance of continuous rigid frame bridge with corrugated steel web is analyzed through making
finite element model with Midas ，and using the response spectrum method for seismic response analysis and comparison with ordinary concrete box beam bridge．The results show that the equal span continuous rigid frame bridge small 70%，ordinary concrete continuous rigid frame bridge in frequency slightly larger than the corrugated steel webs continuous rigid frame bridge ，under seismic loads ，the transverse moment of the control section of the longitudinal bending moment and torque ，the concrete box girder is greater than the corrugated steel webs ，with an average difference of more than 150%．
Key words ：bridges ；response spectrum ；corrugated steel webs ；continuous rigid frame bridge
［收稿日期］2012-05-09［作者简介］张冠男，硕士研究生，
E-mail ：554333752@qq．com 桥梁是一个头重脚轻的结构，庞大的上部结构由支座、桥墩、基础给予支撑，因此减轻其上部结构的自重，
对于改善桥梁抗震性能有着重要的意义。

随着科学技术的进步，
出现了一种新型的桥梁———波形钢腹板组合梁桥。

波形钢腹板混凝土组合箱梁桥最早起源于欧洲，
20世纪80年代中期，法国首先将波形钢板应用于实桥，
成功地建成了全世界第1座波形钢腹板箱梁桥—
——科涅克桥。

日本于20世纪90年代将此技术引入国内，
并加以推广和开发，在公路铁路及城市轨道的高架桥建设中得到了广泛应用，
我国对波形钢腹板组合箱梁桥的研究尚处于起步阶段，但随着理论的日趋完善，国内已建成多座波形钢腹板组合箱梁桥
［3］。

波形钢腹板组合梁桥就是用波形钢腹板代替普通的混凝土腹板，与传统的普通混凝土箱梁相比，其显著特点是用10mm 厚左右的钢板取代30 80cm 厚的混凝土腹板。

采用波形钢腹板代替混凝土腹板对减轻混凝土箱梁桥自重起很大作用
［1］。

其桥梁自重与一般的混凝
土箱梁桥相比大约减轻20%，致使地震激励作用效果
显著降低，为此有必要对其进行地震响应分析。

本文分别对70m +120m +70m 的普通混凝土连续刚构桥和波形钢腹板连续刚构桥进行地震反应分析并对两者的地震效应进行比较。

1
工程概况
主桥采用70m +120m +70m 波形钢腹板混凝土连续刚构桥，
全桥跨径为260m 。

图1为桥梁的纵断面。

主桥横截面采用的是单箱单室的截面形式（见图2），跨中截面顶宽13．5m ，梁高3m ，底板宽6m ，厚0．3m ，支座处箱梁截面顶宽13．5m ，梁高7m ，波形钢腹板与混凝土顶及底板垂直，并在连接处局部加强。

波形钢腹板波长0．25m ，
波高0．15m ，厚0．01m 。

高跨比在边跨为1/12，中跨为1/12，桥面宽13．5m ，桥墩截面采用实腹式矩形截面1号桥墩跟2号桥墩，墩高都为40m ，
桥墩与基础固结。

桥梁的设计荷载等级为公路Ⅰ级按Ⅶ度设防，场地土类别：Ⅱ类场地土。

2
有限元模型及参数
通过有限元方法对结构分析静动力特性时，首先要建立合理的计算模型，本模型主梁的上顶板跟下底
板采用的混凝土强度等级为C50，容重为2500kg /m 3
，混凝土的弹性模量E =3．5ˑ104
MPa ，泊松比μ=
9
52
图1
波形钢腹板连续刚构桥纵向示意
图2横截面示意（单位：cm）
0．1667，密度ρ=2．5ˑ103kg/m3，标准抗拉强度为2．65MPa，标准抗压强度为32．4MPa。

钢腹板采用Q345C级低合金结构钢板弯折成型，符合现行的国标《低合金高强度结构钢》GB1591—94的要求；弹性模量E=2．1ˑ105Ma，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．8ˑ103kg/m3，轴向允许应力［σ］=200MPa，弯曲允许应力［σ
v
］=210MPa，抗剪允许应力［τ］=12MPa，全桥总共113个节点，108个单元（见图3）。

为了便于比较分析，该大桥又建立了一个同等跨径的连续刚构桥，其腹板采用的是普通混凝土形式。

模型中的桥墩与主梁刚接，桥墩与基础固结。

图3波形钢腹板连续梁桥计算模型
3结构基本动力特性
结构的自振特性决定着结构的动力响应特性，是反应谱方法的基础。

结构的自振特性与结构的质量与刚度大小及分布有关，故在分析前一定要要充分考虑桥梁中各部分的质量跟刚度分布情况。

3．1两座桥的截面参数
根据Midas计算，波形钢腹板连续梁桥，和普通混凝土连续梁桥的总自重分别为104．2228kN，145．4576kN。

波形钢腹板连续梁桥总自重为普通混凝土腹板连续梁桥的71．6%，明显小于混凝土腹板连续梁桥桥。

2座桥主梁截面参数如表1所示。

由表1可知：波形钢腹板连续梁桥支座处主梁的截面面积，绕x轴的惯性矩，绕y轴的惯性矩，绕z轴的惯性矩分别是普通混凝土腹板连续梁桥的0．87，0．96，0．97，0．93倍，跨中处主梁的截面面积，及其惯性矩分别为普通混凝土连续梁桥的0．64，0．57，0．59，0．58倍。

3．2结构自振特性的计算
计算选用子空间迭代法进行了动力特性计算，并且以此动力特性为基础进行结构地震反应计算。

频率计算结果波形钢腹板箱梁模型前五阶振型的形态与普通混凝土腹板前五阶振型形态如图4，5所示。

表2给出了波形钢腹板连续梁桥和混凝土五腹板连续梁桥前十阶频率计算结果及振型特征。

表2计算模型前十阶频率及振型
阶数
波形钢腹板连续梁桥
自振周期/s振型
普通混凝土腹板连续梁桥
自振周期/s振型10．554横弯0．587横弯
20．559竖弯0．594竖弯
30．607竖弯0．623竖弯
40．685横弯0．668横弯
50．796竖弯0．802竖弯
61．003竖弯1．121竖弯
71．292竖弯1．324竖弯
81．87横弯1．922横弯
92．738扭转2．813扭转
103．442竖弯3．534
竖弯
图4波形钢腹板振型
表12座桥的主要截面参数
名称
支座处截面
A/m2I x/m4I y/m4I z/m4
跨中处截面
A/m2I x/m4I y/m4I z/m4
波形钢腹板连续梁桥7．35166．34134．58169．72．3121．269．3297．7
普通混凝土腹板连续梁桥8．37159．95138．19182．03．5937．2815．87168．5 062施工技术2012增刊
图5普通混凝土腹板振型
从两种结构的自振特性计算结果可见，波形钢腹板箱梁桥的自振频率计算结果总体上仅略小于混凝土箱梁。

前十阶振型中，两种结构的振型差别不大，第一阶振型均为面外横弯第二阶为面内竖弯，第九阶为扭转振型，因此两种结构的动力性能差别很小。

已经知道波形钢腹板箱梁桥的质量小于混凝土箱梁桥，因此从自振特性计算结果可见波形钢腹板箱梁桥的结构刚度比混凝土箱梁桥略小，波形钢腹板箱梁桥的扭转刚度略小于混凝土箱梁桥，这与一般静力分析结果的结论一致。

4结构反应谱分析
根据桥址场地的地震基本烈度为Ⅶ度，桥址所在场地为Ⅱ类场地土，不考虑近震的影响选取结构的阻尼比为5%，根据《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02—01—2008中5．2节的规定水平设计加速度反应
谱最大值S
max 由下式确定：S
max
=2．25C
i
C
s
C
d
，式中的参
数均按该细则的相关规定，并依据该桥的设计参数和所处的场地条件取值。

其中，C
i
为抗震重要性系数，取
1．0；C
s 为场地系数，取1．3；C
d
为阻尼调整系数，取
1．0；a为水平向设计基本地震动加速度峰值根据该细则3．2．2节中的规定，取0．15g。

采用抗震基本设防烈度为7度地区的设计反应谱作为对该桥的抗震验算值，场地卓越周期为0．2s，综合性影响系数0．2，计算相应的设计反应谱［2］。

地震响应分析的计算模型假定各结构处于弹性状态，初始状态为桥梁恒载作用下的内力平衡状态，地震激励采用横桥向和顺桥向两种方式。

由于地震的发生在时间上和空间上的随机性，因此要确定一种使结构产生最大反应的地震荷载方向是困难的。

因此对结果进行荷载组合是有必要的，本结果采用两种组合方式。

第1种荷载组合方式：杆件上每一主轴方向的地震力和弯矩是由100%纵向地震分析所产生的杆件弹性地震力和弯矩的绝对值加上30%横向地震分析所产生的弹性地震力和弯矩。

第2种组合方式：杆件上每一主轴方向的地震力和弯矩将为100%在横向的地震分析所产生的弹性地震力和弯矩的绝对值加上30%的纵向分析所得到的弹性地震力和弯矩，这两种荷载组合作用下波形钢腹板混凝土连续刚构桥和普通混凝土腹板连续刚构桥的内力如表3，4所示，两种桥型的弯矩包络图如图6，7所示。

从以上计算结果可见，两种结构各控制截面的横向弯矩、纵向弯矩和扭矩相比两种结构的桥型在根部弯矩都远大于其他控制截面，但整体看来，在所有控制截面的横向弯矩纵向弯矩和扭矩，混凝土箱梁均大于波形钢腹板箱梁，平均相差150%以上，表明波形钢腹板箱梁的结构性能要优于混凝土箱梁。

由图可知，无论是普通混凝土腹板连续刚构桥还是波形钢腹板连续刚构桥，在地震荷载作用下，主梁纵弯矩基本为零。

两种桥型在两种荷载组合1作用下，墩梁固结处的主梁根部反应比跨中大，在荷载组合2的作用下，主梁跨中的反应比主梁的根部大，因此，在连续刚构体系中，地震反应的控制截面位置在主梁根
表3两种桥型截面弯矩计算结果（组合1）kN·m
位置
波形钢腹板连续刚构桥
横向弯矩M x纵向弯矩M y扭矩M z
普通混凝土腹板连续刚构桥
横向弯矩M x纵向弯矩M y扭矩M z
1-1（边跨1跨中）1．641111．72625．2548．232276．63622．56
2-2（边跨1主梁根部）18．153642．352321．21110．137782．402571．07 3-3（中跨跨中）42．91414．582668．62579．921401．15895．71
4-4（边跨2主梁根部）63．32438．492710．81588．789147．561087．62 5-5（边跨2跨中）21．281471．441398．0230．52985．28522．32
表4两种桥型截面弯矩计算结果（组合2）kN·m
位置
波形钢腹板连续刚构桥
横向弯矩M x纵向弯矩M y扭矩M z
普通混凝土腹板连续刚构桥
横向弯矩M x纵向弯矩M y扭矩M z
1-1（边跨1跨中）38．81333．52625．25160．78682．992075．19 2-2（边跨1主梁根部）60．491092．712321．21367．112334．728570．24 3-3（中跨跨中）143．02124．372668．621938．07420．352983．91 4-4（边跨2主梁根部）210．99731．552710．811962．602744．273625．39 5-5（边跨2跨中）70．94441．431398．02101．66895．951741．05162
2012增刊张冠男等：波形钢腹板连续刚构桥抗震性能研究
图6波形钢腹板弯矩包络图
部和跨中截面。

但两种组合作用下波形钢腹板连续刚构桥反应都小于普通混凝土连续刚桥。

5结语
1）同等跨径的波形钢腹板连续刚构桥的自重要比普通混凝土连续刚构桥小70%左右，抗震性能大大提高。

2）波形钢腹板连续刚构桥的自振频率小于普通混凝土连续刚构桥。

3）所有控制截面的横向弯矩、纵向弯矩和扭矩，混凝土箱梁均大于波形钢腹板箱梁，平均相差150%以上。

图7普通混凝土腹板弯矩包络图
4）对于地震波作用下两种桥型在组合1作用下，墩梁固结的主梁根部反应比跨中大，组合2作用下主梁的跨中反应比根部大。

参考文献：
［1］张长青，安永日，安里鹏．波形钢腹板连续刚构桥的地震响应分析［J］．桥梁建设，2011（3）：17-21．
［2］陈礼榕．大跨矮墩连续刚构地震响应分析［J］．四川建筑，2010（3）：122-123．
［3］尹海军，李子青，郭琦，等．大跨高墩连续刚构桥动力特性研究［J］．西安建筑科技大学学报：自然科学版，2010（5）：663．［4］吴文清，叶见曙，万水，等．波形钢腹板-混凝土组合箱梁截面变形的拟平截面假定及其应用研究［J］．工程力学，2005，22
（5）：177-178．
262施工技术2012增刊。