・４４・ 北 方 交 通 ２０１１ 腹板几何参数对波纹钢腹板 桥梁动力特性的影响 周烨 ，张健 （１．辽宁省交通高等专科学校，沈阳１１０１２２；２．兰州交通大学土木工程学院，兰州７３００００） 摘要：采用ＡＮＳＹＳ建立波纹钢腹板空间有限元模型，分析了波纹钢腹板箱梁的动力特性的影响因素。钢腹 板板厚的增大能提高箱梁的刚度，尤其是箱梁扭转刚度的提高。但当极厚增加到一定程度时，提高箱梁刚度的程 度就会变小，应结合静力计算和经济要求选择适宜的板厚。折角变大时，箱梁的竖向振动频率会减小，箱梁的扭转 振动频率会增大。随着波高的增大，箱梁的抗扭刚度也在不断增大。水平面板长度的变化影响波纹钢腹板的面外 刚度的增大和减小。过大时，反而使梁的扭转刚度降低。因此应有其优化范围，不宜过大。 关键词：桥梁；波纹钢腹板；有限元；动力特性 中国分类号：Ｕ４４１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—６０５２（２０１１）０７—０Ｏ４４—０２ １ 引言 波纹腹板构造尺寸如图１、图２所示。 波纹钢腹板箱梁桥是２Ｏ世纪８０年代出现的一 １１Ｏ４Ｏ 种新型桥梁，它具有自重轻、可以减少下部结构的工 程量、降低工程总造价的特点。由于波纹钢腹板不 抵抗轴向力，可使预应力有效地加载于混凝土翼缘 板上，从而提高了预应力的效率。因为波纹钢腹板 混凝土箱梁桥具有如此优越的结构受力和施工性 能，可获得良好的经济效益，所以它是一种值得推广 的新型桥梁结构形式。一般认为波纹钢腹板有以下 图１ 波纹钢腹板箱梁截面尺寸（单位：ｍｍ） 几点优势： ３００ （１）利用波纹板替换混凝土腹板，使得主梁自 重大大减轻； （２）波纹钢腹板箱梁的纵向刚度几乎为零，提 高了预应力的使用效率； 图２坡纹板尺寸（单位：ｍｍ） （３）上下翼缘板不受相互约束，收缩、徐变影响 ２．２建立有限元模型 小； 按照波纹钢腹板的具体尺寸要求，采用ＡＮＳＹＳ （４）波纹钢腹板的强度较高，可以避免箱梁的 建立空间有限元模型，上下翼缘板采用实体单元，选 腹板开裂病害。 择ｓｏｌｉｄ６５，钢腹板采用板壳单元，选择ｓｈｅｌｌ６３。箱 国内对波形钢腹板箱梁桥的研究多在于静立方 梁纵向选择Ｙ轴，横向选择ｘ轴，以ＹＯＺ面为箱梁 面，而动力方面的研究比较滞后。本文以有限元软 的横截面。如图３所示。 件ＡＮＳＹＳ模拟研究波纹钢腹板箱梁桥动力特性及 其在波纹钢腹板结构几何参数方面的影响。 ２动力分析模型的建立 ２．１试验梁概况 本文选择跨径为４０ｍ的简支箱梁作为研究对 象，梁高２．５ｍ，顶板宽度１１．０４ｍ，底板宽度６．５ｍ， 图３波形钢腹板箱梁构造 波纹钢腹板厚２．５ｍｍ，波高１５０ｒａｍ，具体梁截面和 第７期 周烨等：腹板几何参数对波纹钢腹板桥梁动力特性的影响 ・４５・ ３钢腹板几何参数对桥梁动力特性的影响 有限元具有较好的分析精度，能够模拟波纹钢 腹板箱梁的动力分析。影响箱梁动力特性的因素有 很多，这里主要讨论钢腹板的构造对其动力特性的 影响¨ 。包括水平面板长ｂ、斜向面板的水平投影 长ｄ、折叠角度仅、波高ｈ和板厚ｔ，ｄ＝ｂ ＣＯＳ ｏ【，ｈ＝ ｂ ｓｉｎ 。所以地理的变量为ｂ、ｔ、 。如图４所示。 厚度ｔ 图４坡纹钢腹板结构参数 ３．１ 波纹钢腹板的板厚ｔ影响 保持钢腹板的水平面板长度ｂ＝３００ｍｍ和折 叠角度仪＝３０。不变，单独变化钢腹板的板厚ｔ＝１ —７ｍｍ。则箱梁竖向振动频率、扭转振动频率、横向 振动频率的变化情况如表１所示。 表１ 波纹钢腹板厚度ｔ改变时混凝土箱梁的振动频率 厚度／ｍｍ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ 竖向频￥／ｍ １２．１９ １３．８２ １４．３７ １５．０ｌ １５．４２ １５．５９ ｌ５．６４ 扭转频￣＜／ｒｌｚ ２２．４２ ２６．７４ ２９．３１ ３１．０６ ３２．５５ ３２．３４ ３３．０７ 垡塑塑 生 ！： ！ ！： ！： ！ ！：丝 ：竺 ！：塑 ： 由表１可知，随着钢腹板板厚ｔ的增加，箱梁的 竖向振动频率、扭转振动频率、横向振动频率都逐渐 增加。但是其中扭转频率在板厚增加到一定厚度时 速率会下降，说明在板厚增加一定程度时会增加箱 梁的刚度，而增加到一定厚度时箱梁刚度反而随之 减小。应按静力计算结果和经济要求选择适宜的板 厚。 ３．２波纹钢腹板折角仅的影响 保持钢腹板水平面板长度ｂ＝３００ｍｍ和板厚ｔ ＝２．５ｍｍ不变，单独调整钢腹板折角ｏ【＝０。～６０。。 则箱梁竖向振动频率、扭转振动频率、横向振动频率 的变化情况如表２所示。 表２ 波纹钢腹板折角ａ改变时混凝土箱梁的振动频率 折角／。０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ 竖向频率／Ｈｚ １５．３４ １４．８７ １４．５７ １４．４４ ｌ４．２６ １４．２１ １４．０９ 扭转频￣－／Ｈｚ １６．２３ ２３．６１ ２７．７４ ２９．２９ ２９．７７ ２９．９２ ３０．７３ 堕 塑 竺：坠 ： ！ ：！ ！： ！：！ ！：坠 ！：竺 由表２可知，随着折角的增大，箱梁的竖向振动 频率会减小。这表明折角增大，箱梁的抗弯刚度会 降低。随着折角的增大，箱梁的扭转振动频率会增 大。由于折角增加的同时也增大了波高，随之增大 了腹板的面外刚度，提高了箱梁的抗扭刚度。由于 波纹钢腹板的折叠效应，折角增大的同时箱梁的横 向振动频率也会增大，也提高了箱梁的抗扭刚度。 ３．３波纹钢腹板水平面板长度ｂ 保持钢腹板的折角０【＝３０。和板厚ｔ：２．５ｍｍ不 变，单独调整钢腹板的水平面板长度ｂ：２００～ ４００ｍｍ。则箱梁竖向振动频率、扭转振动频率、横向 振动频率的变化情况如表３所示。 表３ 波纹钢腹板水平面板长度ｂ改变时 混凝土箱梁的振动频率 由表３可知，随着水平面板长度的增加，箱梁的 竖向振动频率、扭转振动频率和横向振动频率均先 增加再减小，而波纹钢腹板的面外刚度会逐渐增大。 但水平面板长度过大时，反而使梁的扭转刚度降低。 因此，水平面板长度不宜过大，应有其优化范围。 ４结论 本文通过建立波纹钢腹板箱梁有限元模型，对 波纹钢腹板箱梁的动力特性的影响进行了分析，并 得到了以下结论： （１）钢腹板板厚的增大能提高箱梁的刚度，尤 其是箱梁扭转刚度的提高。但当板厚增加到一定程 度时，提高箱梁刚度的程度就会变小，应结合静力计 算和经济要求选择适宜的板厚。 （２）折角变大时，箱梁的竖向振动频率会减小， 箱梁的扭转振动频率会增大。随着波高的增大，箱 梁的抗扭刚度也在不断增大。 （３）水平面板长度的变化影响波纹钢腹板的面 外刚度的增大和减小。过大时，反而使梁的扭转刚 度降低。因此应有其优化范围，不宜过大。 参考文献 ［１］刘玉擎．组合结构桥梁［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５． ［２］陈海波，刘保东，任红伟．波纹钢腹板混凝土箱粱动力特性研究 ［Ｊ］．公路交通科技，２００７，２４（２）：８０—８３． ［３］蒋雪强．波形钢腹板ＰＣ组合箱梁的动力特性分析［Ｊ］．山西建 筑，２００９，３５（２５）：３２２—３２４． ［４ ３李鹏飞，刘保东，肖英楠．截面形式对波纹钢腹板桥梁动力特性 的影响［Ｊ］．北京交通大学学报，２０１０，３４（３）：１２２—１２５． ［５］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． 下转第７８页 ・７８・ 北 方 交 通 路机械与施工机械化，２００４，２１（１）：６２—６４． ２０１１ ５结束语 本文通过分析高速公路养护设备配备管理系统 的需求，明确了系统的目标，确定了系统的工作流 ［２］吴文岗．高速公路沥青路面机械化养护［Ｊ］．筑路机械与施工机 械化，２００８，２５（９）：５０—５２． ［３］张竹平．浅谈高速公路养护设备的合理配备［Ｊ］．筑路机械与施 工机化，２００２，１９（２）：４２—４３． 程，设计了公路养护设备配备管理系统的主要模块， 并对系统的安全性进行了分析设计。高速公路养护 ［４］邱序庭．浅谈筑养路机械设备管理信息化［Ｊ］．筑路机械与施工 机化，２００９，２６（９）：７９—８１． 设备配备管理系统的应用将使高速公路养护的管理 工作质量和速度明显提高，促进了养护机械化与管 理信息化的发展。 参考文献 ｒ１１樊江顺。焦生杰，惠纪庄．公路机械化养护的现状与思考［Ｊ］．筑 ［５］陈新轩，潘清水，吴彪，刘成平．高速公路沥青路面施工机械合理 配置［Ｊ］．建筑机械，２００３（６）：５５—５７． ［６］马建萍，何挺继，吕永雄．高速公路养护机械配置方案综合评估 ［Ｊ］．西安公路交通大学学报，２０００，２１（１）：９９—１０２． Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｅｂ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈｗａｙ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ， ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｗｅｂ ｔｅｅｈ－ ｎｏｌｏｇｙ，ａ Ｃ／Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ． Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎ－ ｃｅｐｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍｇ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｕｓｅｒ ｎｅｅｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｆｉｎａｌｌｙ， Ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ，ｔｈｅ ｕｓｅｒ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｄａｔａ－ ｂａｓｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｗｅｂ；Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ 上接４５页 Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ Ｗｅｂｓ Ｏｉｌ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｂｓ 、 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ ｗｉｔｈ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂｓ ａｒｅ ｎａ—ａ ｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂ ｈｉｔｃｋｎｅｓｓ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｘｔｅｎｔ．ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｈｉｃｋ－ ｎｅｓｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｈｏｓｅｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｈ ｓｔｔａｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ａｎｇｅｌ ｂｅ． ｃｏｍｅｓ ｂｉｇｇｅｒ，ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ ｗｉｌｌ ｂｅ ｌｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗａｖｅ ｈｅｉｇｈｔ．ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ ｗｉｌｌ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔｌ ｐｌａａｎｅ ｌｅｎｇｔｈ ｗｉｌｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂＢｕｔ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｔｏｏ ｈｉｇｈ， ．ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｒｉｉｇｄｉｔｙ ｏｆ ｉｒｇｄｅｒ ｗｉｌｌ ｂｅ ｌｏｗｅｒ，ＳＯ ｉｔ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｔｏｏ ｈｉｇｈ，ｂｕｔ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｏｐｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｂｒｉｄｇｅ；Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂｓ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；Ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ