钢—混凝土组合简支梁桥动力特性分析与探讨
2022-06-09
1.钢--混凝土组合梁简介
1.1钢--混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式，其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构，它是通过连接件把钢筋和混凝土板连接成整体而共同工作的受弯构件。在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉，充分发挥钢材和混凝土的材料特性。该组合梁和钢筋混凝土梁相比，可以减轻结构自重，减小地震作用，减小截面尺寸，增加有效使用空间等优点。和钢梁相比，可以减小用钢量，增大稳定性和整体性，增强结构耐久性等优点。结合上述优点，近年来，钢--混凝土组合梁在我国城市立交桥梁及建筑结构中得到了越来越广泛的发展，并且正朝着大跨方向发展。
1.2组合结构的应用和研究至今已有近百年的历史。目前分析方法可以分为解析法、半解析法和有限元法。其中有限元法分为3类：（1）按空间板壳单元进行完全的三维空间分析。（2）按空间或者平面梁计算。（3）在普通梁单元基础上考虑滑移，以初等梁节点的6个自由度为基础，增加自由度以考虑组合梁界面滑移，按换算后的组合梁段单元计算。
2.工程概况简介
本论文依托于某市地铁1号线1期项目，该项目由于地域的特殊性，在某段需要跨铁路线（由于铁路线附近经常有火车行驶，固该段的震动情况较其他正常城市区间更大），固该区间设计为30米跨钢--混凝土组合简支梁结构，其结构断面如图1所示。该市地铁其余区间30米跨则采用预应力钢筋混凝土梁结构，其结构断面如图2所示。
3.计算模型的建立
利用桥梁专用有限元计算软件MIDAS/CIVIL，并结合相关设计资料，分别对典型30米钢--混凝土组合简支梁和典型30米预应力钢筋混凝土简支梁进行建模分析。其中将钢--混凝土组合简支梁离散为138个节点和128个单元，结构离散图如图3所示；将预应力钢筋混凝土简支梁离散为18个节点和15个单元，结构离散图如图4所示。
4.动力特性分析及结果
4.1特征值分析。
自振是指弹性系作用下形成的振动。桥梁结构的自振频率不仅和结构刚度、质量有关，而且还和结构形式、材料阻尼特性、边界条件有关。同时桥梁结构自振特性与结构承载能力有着一定的内在联系，自振频率与桥跨刚度结构挠度检验系数存在一定关系。结构刚度、边界条件和结构横向联系等是影响结构承载能力的直接因素，因此，还可以通过结构实测自振特性，从宏观上了解一座桥梁的现行运营状况和承载能力。本文通过MIDAS软件特征值分析，典型30米钢--混凝土组合简支梁：2.48Hz，其中自振模态如图5所示；典型30米预应力钢筋混凝土简支梁的一阶自振频率为：4.36Hz，其中自振模态如图6所示。
4.2结论。
（1）通过上诉两典型标准梁一阶频率的计算，可以得到钢--混凝土组合简支梁的自振频率较预应力钢筋混凝土简支梁的自振频率小，固可以得出，钢--混凝土组合简支梁的刚度比预应力钢筋混凝土简支梁的大。同时，钢--混凝土组合简支梁截面尺寸更小，材料用量更为节约。在跨越铁路线这些振动较大的的确较普通预应力梁更有优势。
（2）同时，钢--混凝土组合梁在我国的应用实践表明，钢--混泥土组合结构以其良好的受力性能和施工性能，广泛应用于各类建筑结构中，具有广阔的发展前景，同事钢--混凝土组合结构具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，是未来结构体系的主要发展方向之一。
参考文献
[1]范立础桥梁工程人民交通出版社2010.
[2]叶见曙结构设计原理人民交通出版社2009.
[3]邱顺冬桥梁工程软件midasCivil应用工程实例人民交通出版社2011.
[文章编号]1619-2737（2013）11-16-626
1.1钢--混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式，其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构，它是通过连接件把钢筋和混凝土板连接成整体而共同工作的受弯构件。在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉，充分发挥钢材和混凝土的材料特性。该组合梁和钢筋混凝土梁相比，可以减轻结构自重，减小地震作用，减小截面尺寸，增加有效使用空间等优点。和钢梁相比，可以减小用钢量，增大稳定性和整体性，增强结构耐久性等优点。结合上述优点，近年来，钢--混凝土组合梁在我国城市立交桥梁及建筑结构中得到了越来越广泛的发展，并且正朝着大跨方向发展。
1.2组合结构的应用和研究至今已有近百年的历史。目前分析方法可以分为解析法、半解析法和有限元法。其中有限元法分为3类：（1）按空间板壳单元进行完全的三维空间分析。（2）按空间或者平面梁计算。（3）在普通梁单元基础上考虑滑移，以初等梁节点的6个自由度为基础，增加自由度以考虑组合梁界面滑移，按换算后的组合梁段单元计算。
2.工程概况简介
本论文依托于某市地铁1号线1期项目，该项目由于地域的特殊性，在某段需要跨铁路线（由于铁路线附近经常有火车行驶，固该段的震动情况较其他正常城市区间更大），固该区间设计为30米跨钢--混凝土组合简支梁结构，其结构断面如图1所示。该市地铁其余区间30米跨则采用预应力钢筋混凝土梁结构，其结构断面如图2所示。
3.计算模型的建立
利用桥梁专用有限元计算软件MIDAS/CIVIL，并结合相关设计资料，分别对典型30米钢--混凝土组合简支梁和典型30米预应力钢筋混凝土简支梁进行建模分析。其中将钢--混凝土组合简支梁离散为138个节点和128个单元，结构离散图如图3所示；将预应力钢筋混凝土简支梁离散为18个节点和15个单元，结构离散图如图4所示。
4.动力特性分析及结果
4.1特征值分析。
自振是指弹性系作用下形成的振动。桥梁结构的自振频率不仅和结构刚度、质量有关，而且还和结构形式、材料阻尼特性、边界条件有关。同时桥梁结构自振特性与结构承载能力有着一定的内在联系，自振频率与桥跨刚度结构挠度检验系数存在一定关系。结构刚度、边界条件和结构横向联系等是影响结构承载能力的直接因素，因此，还可以通过结构实测自振特性，从宏观上了解一座桥梁的现行运营状况和承载能力。本文通过MIDAS软件特征值分析，典型30米钢--混凝土组合简支梁：2.48Hz，其中自振模态如图5所示；典型30米预应力钢筋混凝土简支梁的一阶自振频率为：4.36Hz，其中自振模态如图6所示。
4.2结论。
（1）通过上诉两典型标准梁一阶频率的计算，可以得到钢--混凝土组合简支梁的自振频率较预应力钢筋混凝土简支梁的自振频率小，固可以得出，钢--混凝土组合简支梁的刚度比预应力钢筋混凝土简支梁的大。同时，钢--混凝土组合简支梁截面尺寸更小，材料用量更为节约。在跨越铁路线这些振动较大的的确较普通预应力梁更有优势。
（2）同时，钢--混凝土组合梁在我国的应用实践表明，钢--混泥土组合结构以其良好的受力性能和施工性能，广泛应用于各类建筑结构中，具有广阔的发展前景，同事钢--混凝土组合结构具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，是未来结构体系的主要发展方向之一。
参考文献
[1]范立础桥梁工程人民交通出版社2010.
[2]叶见曙结构设计原理人民交通出版社2009.
[3]邱顺冬桥梁工程软件midasCivil应用工程实例人民交通出版社2011.
[文章编号]1619-2737（2013）11-16-626