波纹钢腹板钢箱组合梁动力特性及参数分析.pdf
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1、第1 8卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月中 国 科 技 论 文C H I N AS C I E N C E P A P E RV o l.1 8N o.1 0O c t.2 0 2 3波纹钢腹板钢箱组合梁动力特性及参数分析田林杰,赫中营,孙鹏辉(河南大学土木建筑学院,河南开封4 7 5 0 0 4)摘 要:为研究波纹钢腹板钢箱组合梁(s t e e l b o xc o m p o s i t eg i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b,S B C S W)这一新型结构的动力特性,结合兰州某S B C S W工程实例,以截面等
2、效换算法为原则,采用有限元软件A B A Q U S建立S B C S W、波纹钢腹板混凝土组合梁(c o n c r e t eb o x c o m p o s i t e g i r d e rw i t h c o r r u g a t e d s t e e lw e b,C B C S W)和混凝土箱梁(c o n c r e t e b o xg i r d e r,C B G)的计算模型,对比研究3种截面类型组合梁的动力特性,并将有限元模拟结果与理论计算值进行对比,验证有限元模拟的精确性。选取组合梁的顶板厚度、腹板厚度和底板厚度为分析指标,以单片梁、简支梁、连续梁和刚构梁为分
3、析对象,研究不同参数对不同类型S B C S W动力特性的影响,为S B C S W的设计及动力分析提供参考。关键词:波纹钢腹板钢箱组合梁;动力特性;参数分析;有限元模拟中图分类号:U 4 4 1 文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 2 7 8 3(2 0 2 3)1 0 1 1 2 2 0 6开放科学(资源服务)标识码(O S I D):D y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n dp a r a m e t e r a n a l y s i s o f s t e e l b o x c o m p o s i t eg i r d
4、 e rw i t hc o r r u g a t e d s t e e lw e bT I A NL i n j i e,H EZ h o n g y i n g,S U NP e n g h u i(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,H e n a nU n i v e r s i t y,K a i f e n g,H e n a n4 7 5 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sw o r ka i m e da t t h e
5、 s t u d y o n t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a n e wt y p e o f s t r u c t u r e,s t e e l b o x c o m p o s i t e g i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b(S B C S W).Ac a l c u l a t i o nm o d e f o r t h e S B C S W,t h e c o n c r e t e b o x c o m p o s i t e
6、 g i r d e rw i t h c o r r u g a t e d s t e e lw e b(C B C S W)a n d c o n c r e t e b o xg i d e r(C B G)w a s e s t a b l i s h e db y f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r eA B A Q U Sb a s e do n t h e p r i n c i p l e o f s e c t i o n e-q u i v a l e n t c o n v e r s i o nm e t h o d,t a
7、 k i n gt h eS B C S We n g i n e e r i n gi nL a n z h o ua sa ne x a m p l e.T h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e et y p e so f c o m p o s i t e g i r d e r sw e r e c o m p a r e d,a n d t h e f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n r e s u l t sw e r e c o m p a r e d
8、w i t h t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t s t ov e r i f y t h e a c c u r a c yo f t h e f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n.T h e t h i c k n e s s o f t o pp l a t e,w e bp l a t e a n db o t t o mp l a t e o f t h e c o m-p o s i t eg i r d e rw e r e t a k e
9、 na s t h e a n a l y s i s i n d e x e s,a n dt h es i n g l eg i r d e r,t h es i m p l ys u p p o r t e dg i r d e r,t h ec o n t i n u o u sg i r d e r,a n dt h e r i g i d f r a m eg i r d e rw e r e t a k e na s t h e a n a l y s i s o b j e c t s.T h e i n f l u e n c e s o f d i f f e r e n
10、t p a r a m e t e r s o n t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o fd i f f e r e n t t y p e so f S B C S Ww e r e s t u d i e d,w h i c hc o u l dp r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h ed e s i g na n dd y n a m i c a n a l y s i so f S B C S W.K e y w o r d s:s t e e l b o x c o m
11、 p o s i t e g i r d e rw i t h c o r r u g a t e d s t e e lw e b(S B C S W);d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s;p a r a m e t e r a n a l y s i s;f i n i t e e l-e m e n t s i m u l a t i o n收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 7基金项目:甘肃省科技计划项目(1 9 Z D 2 G A 0 0 2);河南省科技计划项目(1 8 2 3 0 0 4 1 0 1 5 0);河南省科技厅科技
12、攻关项目(1 6 2 1 0 2 2 1 0 1 7 3)第一作者:田林杰(1 9 9 2),男,副教授,主要研究方向为钢-混凝土组合结构通信作者:赫中营,副教授,主要研究方向为钢-混凝土组合结构,h e z h y 8 9 h e n u.e d u.c n C B C S W由混凝土顶板、波纹钢腹板和混凝土底板等组成,是对传统混凝土箱梁的一种改进1-2。近年来,C B C S W因自重轻、预应力效率高、抗震性能好和结构美观等特点而在桥梁工程中得到广泛应用3-4。为进一步减轻结构自重、优化结构受力、减轻混凝土底板浇筑困难等问题,N i e等5提出用带肋钢板代替C B C S W中的混凝土底板
13、,形成S B C S W。与C B C S W相比,S B C S W的自重更小,跨越能力更强,施工工期更短。同时,位于受拉区的钢板可充分发挥其抗拉特性,提高组合梁的承载能力,避免梁体裂缝的出现,提高结构的耐久性6-9。目前,关于S B C S W静力性能的研究较多。聂鑫等1 0通过对4个S B C S W的静力试验研究,证明了其在抗裂性、刚度和承载能力等方面的优势,且研究表明,当其运用到连续梁时,表现出良好的经济效益。李建辉1 1进行了横向荷载作用下的S B C S W试验,得到了其破坏形态、裂缝发展规律和荷载-位移曲线等弯曲特性,并得到了其弯剪临界破坏的曲线表达式。樊健生等1 2对S B
14、C S W和混凝土桥墩所组成刚构桥的负弯矩区力学性能开展了研究,结果表明,其具有良好的延性、耗能能力和变形恢复能力。以上研究表明,S B C S W具有良好的弯曲力学特性和经济效益指标,具有广阔的发展前景。关于波纹钢腹板组合梁动力性能的研究集中在波纹钢腹板混凝土箱梁方面。相关学者对C B C S W进行了缩尺试验,推导了弯曲振动频率的解析解1 3-1 5,拟合了竖向基频公式1 6,分析了体外预应力对C B C S W自振特性的影响1 7,得出了不同参数对C B C S W自振频率的影响1 8。罗奎1 9和胡世浩2 0编写了S B C S W的弯曲自振频率和振型求解程序,并 第1 0期田林杰,等
15、:波纹钢腹板钢箱组合梁动力特性及参数分析对规范中给出的简支梁桥的弯曲自振频率公式进行了修正。综合上述研究可知,S B C S W作为一种新型结构桥梁,具有诸多的结构优势和一定的应用前景。目前,其静力方面的研究较多,而关于其动力特性的研究还相对较少,因此,有必要开展S B C S W动力特性分析。本文以兰州某S B C S W结构为工程实例,通过A B A QU S有限元软件,对比分析3种不同截面类型桥梁的动力特性。选取顶板厚度、腹板厚度和底板厚度为分析指标,研究不同参数对S B C S W动力特性的影响,以期为S B C S W的动力响应研究提供借鉴,以及为S B C S W的设计提供参考。1
16、 S B C S W动力特性分析为研究S B C S W的动力特性,以兰州某S B C S W结构为工程实例,按照截面刚度等效的计算原则,将梁体钢板和混凝土板进行等效换算,采用A B A QU S有限元软件建立计算模型,对比研究S B C S W、C B C-S W和C B G这3种截面类型简支梁的动力特性。1.1 工程背景兰州某S B C S W结构的主梁截面采用4箱单室箱梁截面,顶板采用C 5 0混凝土,厚度为2 5 0mm;腹板采用Q 3 4 5 D的1 2 0 0型波纹钢,厚度为1 2mm;带加劲肋的钢底板采用Q 3 9 0 E钢,设2道纵向加劲肋和6道横向加劲肋,底板厚度为1 6mm
17、,加劲肋厚度为1 2mm;主梁两端设置混凝土配重,顺桥向长8 4 0mm;单箱内每隔4.8m设置1道横隔板,横隔板厚度为1 2mm。由于S B C S W钢底板带有加劲肋,首先,根据刚度等效原则,将纵向及横向加劲肋板的刚度等效进直底板刚度中。然后,由于简支梁桥中顶底板主要承受弯矩,根据抗弯刚度相等的原则(式(1)计算等效后的C B C S W混凝土板厚度,从而确定C B C S W的换算截面。E1I1=E2I2。(1)式中,E、I分别为截面弹性模量和抗弯惯性矩。C B C S W与C B G按照在剪力作用下腹板抗剪强度一致的原则进行等效换算,并假定混凝土直腹板及波纹钢腹板均达到抗剪强度设计值,
18、等效公式如下:t2=12t1。(2)式中,t、分别为腹板截面厚度和容许抗剪强度。S B C S W的结构布置和经截面刚度等效换算后的C B C S W、C B G横截面如图1所示。图1 3种截面类型桥梁尺寸F i g.1 D i m e n s i o nd r a w i n g so f b r i d g e sw i t h t h r e e s e c t i o n t y p e s3211中 国 科 技 论 文第1 8卷 1.2 有限元模型根据箱梁构造特征,选取A B A QU S内实体、壳及梁单元进行模拟,各部件单元及单元类型见表1。模型 支 座 选 用 弹 簧 阻 尼 器
19、,腹 板 接 缝 处 选 取A B A QU S的t i e约束,建立自由度约束方程,选择主从节点形成刚性连接,选取腹板单元表面作为主表面,体单元表面作为从表面。有限元模型的边界:左端(1#墩)为固定支座,即对S B C S W主梁端部箱底支座对应节点的纵向、横向及竖向位移进行约束;右端(2#墩)为活动铰支座,即对S B C S W主梁另一端部箱底支座对应节点的横向和竖向位移进行约束。3种截面类型桥梁模型如图2所示。表1 部件网格单元选择T a b l e 1 G r i dc e l l s e l e c t i o no f t h ep a r t s部件单元单元类型混凝土顶板C 3
20、D 8 R八节点线性六面体单元钢(混凝土)底板C 3 D 8 R八节点线性六面体单元混凝土配重C 3 D 8 R八节点线性六面体单元波纹钢(混凝土)腹板S 4 R(C 3 D 8 R)四节点曲面薄壳或厚壳箱间横梁S 4 R(C 3 D 8 R)四节点曲面薄壳或厚壳横隔板S 4 R(C 3 D 8 R)四节点曲面薄壳或厚壳加劲肋S 4 R四节点曲面薄壳或厚壳桥墩B 3 1两节点空间线性单元图2 3种截面类型桥梁模型F i g.2 B r i d g em o d e l d i a g r a mo f t h r e e s e c t i o n t y p e s1.3 结构动力特性分析及
21、有限元模型验证将3种截面类型桥梁的前5阶振型特征(主梁竖弯、主梁扭转、主梁反对称竖弯、主梁翼板翘曲、主梁反对称竖弯)汇总,如图3所示。可知,3种截面类型桥梁的前5阶振型相似,但频率不同,S B C S W的频率最高,而C B G的频率最低。从S B C S W到C B C S W再到C B G,频率均呈现减小的趋势,且前4阶频率减小幅度较小,第5阶频率减小幅度较大。图3 3种截面类型桥梁前5阶频率对比F i g.3 C o m p a r i s o no f t h e f i r s t f i v eo r d e r f r e q u e n c i e so f t h r e e
22、 t y p e so f b r i d g e s e c t i o n s罗奎等1 9,2 1给出了S B C S W竖向弯曲振动频率的解析式:fn=1+5D b21 1 2nl 2E Imnl 22 1+E IGbAbnl 2+5D b21 4nl 2+5D E I b21 1 2GbAbnl 4。(3)经典欧拉梁理论忽略了S B C S W的剪切变形,弯曲振动频率可按式(4)1 9计算:fn=n22l2E Im。(4)铁木辛柯梁理论考虑了S B C S W的剪切变形对其弯曲振动频率的影响,表达式2 2为fn=n22l2E Im1+E IGbAbnl 2。(5)式中:E I=ErIr
23、+EfIf;D=E I/(GrIr+GbIb);Er、Ef、Gr、Gf、Ir、If、Gb、Ab、l、m、n、b分别为顶板弹性模量、底板弹性模量、顶板剪切模量、底板剪切模量、顶板惯性矩、底板惯性矩、腹板有效剪切模量、腹板截面面积、计算跨径、箱梁跨中截面单位长度质量、竖向频率阶数、箱内长度的一半。将A B A QU S模拟S B C S W的前3阶竖向弯曲自振频率和不同理论公式计算结果对比,结果见表2。表2 S B C S W竖向弯曲频率对比T a b l e 2 C o m p a r i s o no f t h ev e r t i c a l b e n d i n gf r e q u
24、e n c yo f S B C S WH z振型A B A Q U S模拟值式(3)计算值式(4)计算值式(5)计算值估算公式计算值1阶竖弯3.9 5 54.0 6 44.3 6 94.2 4 54.3 6 92阶反对称竖弯1 5.3 4 71 4.8 4 1 1 7.4 7 5 1 5.7 1 73阶正对称竖弯2 6.6 2 02 6.7 5 8 3 9.3 1 8 3 1.7 7 1 注:估算公式为 公路桥涵设计通用规范(J T GD 6 02 0 1 5)2 3中简支梁竖向弯曲基频的估算公式。4211 第1 0期田林杰,等:波纹钢腹板钢箱组合梁动力特性及参数分析 由表2可以看出:A B
25、 A QU S模拟值与多种理论下的计算值吻合良好,验证了A B A QU S模型的正确性,表明本文的有限元模型可用于S B C S W动力特性分析。2 S B C S W动力特性参数分析结合已建S B C S W工程实例,研究顶板、腹板和底板厚度对3 0m单片梁、3 0m简支梁、33 0m连续梁和3 3 0m刚构梁4种模型动力特性的影响规律,确定主梁截面参数集的合理范围。为便于可视化分析,对单片梁及简支梁前4阶(桥梁纵飘、主梁竖弯、桥梁横弯及桥梁扭转)频率变化规律进行分析;对连续梁及刚构梁的1阶纵飘、1阶竖弯及1阶扭转变化规律进行数据分析。2.1 顶板厚度对S B C S W动力特性的影响顶板
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