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系杆拱桥系统的额定载荷
摘要
“国家桥梁检查标准”要求公路部门对所有公共道路上定义为桥梁的结构进行检查、评估和确定荷载等级。桥梁的荷载额定值是为了确定结构在给定的结构条件下能够安全承受的活荷载。桥梁分为设计荷载、法定荷载和容许荷载三类，这是一项非常耗时的任务，因为它需要对不同荷载情况下的结构进行分析。目前有几种工具可用于协助桥梁工程师以持续和及时的方式进行桥梁评定。然而，这些工具支持对传统桥梁系统的评定，如板，I-梁，箱梁和桁架桥。最近，开发了几种创新的桥梁系统，例如在美国内布拉斯加州建造拉文纳和哥伦布桥梁时使用的系杆拱桥系统。本文的目的是介绍为系杆拱桥的额定载荷开发的程序和模型。这包括开发分析模型并根据AASHTO荷载和电阻因子评级规范执行评级因子计算。开发了三维有限元模型，并对主要结构部件进行了评级计算，假设各种百分比的截面损失，并使用除AASHTO活荷载之外最常见的法定和容许载荷。对其中一个吊杆完全损坏的极端事件也进行了分析和评级。
关键词 额定荷载 系杆拱 结构分析 钢管混凝土 活荷载
引言
国家桥梁检查标准（NBIS）要求国家交通部门检查，评估条件，负荷率，并保持定义为桥梁并位于所有公共道路上的结构[7]。根据“国家桥梁结构库存和评估记录和编码指南”，桥梁被评定为三种不同的应力水平，称为库存等级，运营等级和限载等级[6]。库存评级是评级中使用的车辆类型的容量等级，其将导致负载水平，可以无限期的安全地利用现有结构。库存负载水平接近正常服务条件下的设计负载水平。工作额定值将导致结构可能承受的绝对最大容许荷载水平，适用于额定值中使用的车辆类型。该等级决定了桥梁偶尔使用的能力。允许无限数量的车辆使桥梁进入运营水平将损害桥梁寿命。该值通常在评估超重许可车辆移动时使用。限载等级是在等级中使用的车辆类型的容量等级，其将导致负载水平，可以在有限的时间段内安全地利用现有结构。桥梁的限载等级基于库存水平加上库存和运营之间差异的一小部分。结构容量和载荷用于分析关键构件来确定适宜的额定载荷。这可能会导致桥梁的荷载限制或需要修复或其他修改以避免过桥的部件识别[5]
额定荷载是一项费力且耗时的任务，因为它需要在不同负载条件下对所有主要结构部件进行结构分析。开发了几种工具来帮助桥梁工程师以持续和及时的方式执行桥梁评级。桥梁分析和评级系统（BARS）是最初的美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）许可产品，用于分析和评估结构。更新版本的BARS-PC被开发并被一些州用于分析和评估桥梁，而其他州则使用不同的产品，例如VIRTIS，BRASS，LARS等。这些程序仅支持传统桥梁系统的等级，例如作为平板，I梁，箱梁和桁架桥。最近，开发了几种创新的桥梁系统，[10,13]。由于其独特的组件和复杂的分析，这些桥梁无法通过现有的商业计划进行评级。本文的目的是介绍系杆拱桥额定载荷所需的分析模型的开发，并对给定的一组载荷和截面损失百分比进行额定系数（RF）计算。系杆拱桥系统的主要结构部件将使用三维（3-D）有限元（FE）模型进行分析，并根据最新的AASHTO载荷和阻力系数等级对设计载荷，法定载荷和容许载荷进行评级。（LRFR）程序[2]。关于拉文纳和哥伦布桥的额定载荷的更详细信息可以在Morcous等人的文章里找到。[11]
系杆拱桥系统
该系统为与铁路立交桥和水道交叉的建设相关的若干挑战提供了独特的解决方案，例如限制的垂直间隙，中间桥墩的不合需要或不切实际的布置，以及施工期间极其有限的交通控制。在该系统中，主要部件是预制的，组装的，然后放置在现场，这加速了施工并消除了在现场和主要铁路线路上工作的限制。系杆拱系统的结构效率和长细比是通过结合高性能钢和混凝土材料，并通过钢管和混凝土填充物的协同相互作用识别钢管混凝土的强度和延性来实现的[12]。
系杆拱桥系统的主要结构部件是：（1）拱门;（2）吊杆;（3）系杆;（4）楼板梁;（5）具有系杆和楼板梁的组合桥面。拱门是系统的主要压缩成员。每个拱形具有圆形轮廓，由两个等距离排列的钢管混凝土组成，以提供足够的抵抗面外屈曲的能力，并且不需要横向支撑，从美观角度和提供无限的净空高度来说很令人满意。而且，拱管之间的距离提供了足够的空间来连接吊杆，吊杆是用于以恒定间距连接拱和系带的垂直拉伸构件。吊杆由高强度螺纹杆制成，可以很容易地调节长度来提供所需的轮廓。系杆是该系统的主要受拉杆件。每个系杆由混凝土填充钢箱组成，其可在端部处增加深度来提供与拱管的充分连接。在用混凝土填充拉杆箱之前，先在箱内放置后张紧管道，然后再用混凝土填充拉杆箱，穿线架并施加后张紧力，后张紧之后对拉杆箱进行灌浆。泵送高流动性自固结混凝土（SCC）来填充拱形和系杆的钢管，而无需机械振动。通过提供更大的有效面积来维持后张力，混凝土填充物使后张拉更有效。混凝土芯的抗压强度和延性通过钢管提供的横向约束增加，而钢管的局部屈曲受到混凝土填充物的限制。楼板梁是简支的轧制/组合钢构件，连接吊杆处的系杆。楼板梁和系杆具有锚栓，以实现与现浇混凝土桥面在一个剖面上。组合桥面采用预留金属模板，纵向后张，采用无粘结单钢绞线。施加在桥面上的重力荷载（车辆，行人，栏杆，桥面铺张等）由楼板梁传递到支撑系杆上，使得拱，系杆和吊杆构件承受主要轴向载荷。由于连接拱和系杆构件的吊架位置离散且具有灵活性，拱和系杆构件中也存在弯矩和剪力。
该系统的结构效率主要由于：（1）通过使用拱形和系杆显著减少弯矩;（2）约束对受压构件的混凝土承载力的影响;（3）采用后张拉消除系杆中的拉应力;（4）与全宽桥面板的复合作用，增强楼板梁和系梁的抗弯承载力。该系统的经济效益主要是由于：（1）不同材料（即钢和混凝土）的优化利用;（2）系杆拱的预加工和金属板的预装配，大大节省了施工时间，使更换项目能够在最小的交通中断的情况下完成。此外，该系统还使设计一种能够提供所需的桥下和桥上的净空高度，并增加桥梁美观性成为可能。
评级程序
2008年AASHTO桥梁评估手册第6A.4条规定了三种与载荷和阻力系数理念一致的载荷评定程序，用于在役桥梁的载荷能力评估：
bull; HL-93和HS-20活荷载的设计载荷等级（第一级评估）。
bull; N3，N3S2，N3-3和3-3L活荷载的法定荷载等级（第二级评估）。
bull; SP1，SP2，SP3，SP4和SP5活荷载的容许荷载等级（第三级评估）。
有关轴载荷和每个活载荷间距的信息，请参阅Morcous等著作。
每个程序都适用于具有特殊校准载荷因子的特定活载模型，为了在所有评估中保持一致和可接受的可靠性水平。荷载额定值通常表示为特定活荷载模型的额定因数，使用AASHTO LRFR 6A.4.2.1-1中提供的一般额定载荷公式。强度是额定荷载的极限状态。根据本手册的规定选择性地使用正常使用和疲劳极限状态。拉文纳和哥伦布桥的主要结构构件的载荷等级采用预应力混凝土桥梁的强度I. 这些构件的极限承载力应进一步乘以条件和系统因素。条件系数提供了一个减少值，以说明在检查周期之间，劣化构件阻力增加的不确定性和这些构件未来可能增加的劣化。由于拉文纳和哥伦布桥是相对较新的结构，因此这个因素取1.0。系统因子是应用于标称电阻的乘数，以反映完整上部结构系统的冗余水平。冗余度较低的桥梁将减少构件承载能力系数，因此评级较低。系统因素可由评估人员自行决定使用，因此决定使用1.0的系统因子对Ravenna和Columbus桥的所有结构构件进行评级。以下是对在评定因素计算中采用的假定的总结：
bull;所有荷载额定值分析结果仅包括对卡车荷载施加33％的动力系数，对于一个负载车道，多个存在因子为1.20，对于两个负载车道为1.0，对于三个负载车道为0.85，对于四个或更多负载车道为0.65 [1]。
bull;截面损失百分比表示结构钢、钢筋和预应力钢的厚度损失。不考虑混凝土截面的损失。
bull;根据Mander等人的研究，在计算拱的承载力时，考虑了钢约束对填充混凝土抗压强度的影响。[8,9]。
拉文纳桥
图1显示了拉文纳大桥的构件和一般尺寸，以及完工的桥梁照片。这座桥的单跨为174英尺，横跨六条铁轨，宽约56.5英尺。系杆系统由两个直径为12英寸的钢管组成，每个圆拱的半径约为165英尺，每个系杆有2英尺宽和2英尺深的后张混凝土填充钢管，间距为8英尺9英寸、直径为1.75英寸的150 ksi级螺纹杆悬挂器， W24 9 250钢楼板梁与8英寸厚的后张混凝土桥面复合。利用设计信息建立分析模型，利用SAP2000高级V.14.1.0[4]进行结构分析。图2显示了使用拱、系杆和楼板梁的框架构件开发的三维模型；用于悬挂的电缆构件；用于后张拉钢绞线的钢筋束构件（为清楚起见未示出），以及用于桥面的壳体单元。为了简化分析，假设吊杆之间的拱单元为直线，桥面壳体单元的尺寸为4.126times;5.67英尺，从而得出可接受的计算时间。假定桥梁支架固定在系杆的一端和另一端的滚轴上。所有连接到拱门和系杆构件的吊杆和楼板梁均假定为固定连接。此外，实心矩形混凝土端部横隔梁采用框架单元建模。Morcous等人发现了不同构件的截面特性和刚度。〔11〕
图1拉文纳桥
图2对于额定负荷拉韦纳桥3-D的分析模型：a线框;和b挤压
拉文纳大桥的分析分三个阶段进行，代表了施工顺序。每个阶段的截面性能和荷载如下：
第一阶段：
·结构：拱形(仅钢)，系杆(仅钢)，吊杆和横梁。
·荷载：钢结构重量、金属重量和自密实混凝土(SCC)，用于填充系杆和拱形截面。有关SCC的更多信息，请参阅[3]。
第二阶段：
·结构：拱(填充SCC)，系杆(填充SCC)，吊杆和横梁。
·荷载：系杆后(29190.6英寸)和8英寸厚的混凝土甲板的重量。
第三阶段：
·结构：拱(填充SCC)、系杆(填充SCC)和厚(结构厚度)为7.5的混凝土桥面组合、吊杆、端梁、横梁与混凝土桥面组合。
·荷载：磨耗层(20克)，护栏(0.4 K/ft)和车辆活荷载。
假定截面损失百分比范围为0至50％，确定主要结构部件的截面承载力。这些截面损失百分比代表了这些构件的钢部分可能发生的腐蚀，从而减小了结构钢的厚度或预应力钢绞线的直径。混凝土尺寸和强度的降低被认为是可以忽略的，并且不包括在这些百分比中。图3和图4分别显示了有无截面损失的拱的相互作用图以及拱的横截面。图5显示了后张拉复合系杆的横截面和相互作用图。所有拱和拉杆均由50级钢制成，并填充8 ksi SCC。使用应变相容性方法和AASHTO LRFD强度折减系数编制了这些承载力图表。
图3拉文纳桥拱的标称和因式交互图
图4拉文纳桥拱的不同百分比截面损失的相互作用图
图5拉文纳桥系杆
根据AASHTO LRFR，使用构件承
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