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具有整体式桥台的水平曲线梁桥温度荷载设计理论
Jerad Hoffman1 and Brent Phares, Ph.D, P.E.2
摘要：设计水平弯曲钢桥上部结构时，确定了热负荷的重要性，确定了一定程度的不确定性。这项调查着重研究了具有固定墩和整体桥墩的三跨弯曲桥梁。结合水平曲率与固定度水平（例如，整体桥墩和固定墩台），对于温度变化的影响越来越受到关注。这项工作的目的是分析研究设计热负荷条件下的桥梁上层结构行为。在这样做的过程中，使用商业有限元分析软件包对先前进行实证研究的桥梁进行了建模。结果表明，在固定墩位处，大梁下法兰处的热应力最大。这些应力主要是由于桁梁限制横梁的横向运动引起的侧向法兰弯曲的结果。虽然对于这种特殊的桥梁来说这些应力很小，但只增加了20,684千帕斯卡（3.0千克）的桥梁，整合的桥台和固定的桥墩具有更大的曲率和偏斜度，在今后的实践中可能需要特别注意。 DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000573。copy;2014美国土木工程师学会。
作者关键词:曲线梁;整体支承;桥梁;设计;荷载
介绍
经过对国际设计咨询公司的研究和讨论，发现桥梁上部结构设计中热效应的影响有时被忽略。然而，限制水平弯曲的桥梁，增加了邻接固定和桥墩，产生了越来越多的不确定性，从而忽略了这种热效应。根据经验丰富的工程判断，有时在直桥设计中实施的做法可能是实施保守的设计程序来抵消由热负荷产生的假定的小应力。至少在某种程度上，对于水平弯曲的桥梁也采用了相同的做法。由于对复杂的弯曲桥梁上部结构的热效应的不确定性的明显水平，开始了对事件的调查。作为战略高速公路研究项目2(SHRP 2)，R19A项目的一部分，2013年的一份报告为“服务生活桥梁”(Azzinamini等)提供了一个设计指南。该报告的附录F包含一个使用弯曲钢梁的无缝桥梁思想的程序。在该设计指南中包含用于计算端部位移的大小/方向以及确定最佳桩取向的程序。
在此基础上，对一种新型水平曲线桥的行为进行了实证研究，并将其称为桥309。现场研究提供了一个初步的机会来进一步分析桥梁在设计荷载条件下的行为，特别是在现场和热负荷方面。
根据AASHTO（2010）LRFD规范（第4.5节），桥梁的结构分析需要任何方法来满足给定材料的平衡，相容性和适当的应力 - 应变关系。 这种方法的例子包括古典，有限差分，有限元建模（FEM），折叠板，有限条，屈服线和格栅方法。通常，水平弯曲的大梁桥需要精细的分析方法。
精细的分析方法被定义为包括上层结构作为提供足够的位移和反应的整体系统的方法。 如果几何符合第4.6.2.2.4条（AASHTO2010）中概述的某些标准，则工程师可能忽略水平曲率分量并应用近似分析方法。这些标准通常涉及限制桥梁偏斜，保持恒定横截面和限制半径 - 弧跨度长度比。
桥309不符合AASHTO（2010）LRFD规范第4.6.2.2.4条规定的标准。因此，必须使用一个精确的分析方法。Nevling et al.(2006)试图通过对连续三跨桥进行研究来评估各种分析方法所产生的精度水平。建立了三个层次的分析。最简单的1级是简化的经验方法。二级需要使用二维格栅方法。最后，3级是最复杂的，探索了三维（3D）有限元法。通过比较三种分析方法和对现场数据的方法进行了结论。结果表明，2级和3级预测了与现场结果最相似的主轴弯矩。根据Lydzinski and Baber (2008)的说法，有限元法有利于多尺度水平弯曲钢梁。建模某些细节以捕获结构行为无法以其他方式完成。当分析与本研究中的水平弯曲桥梁类似的复杂结构时，诸如支撑连接和元件类型组合等细节可发挥重要作用。本文将讨论这些重要考虑因素。
模型开发
使用两种一般类型的元素来分析模拟桥梁309。当对梁和隔板的邻接，甲板和腹板进行建模时，使用具有弯曲能力的3D弹性壳单元。使用具有拉伸，压缩，扭转和弯曲能力的3D单轴弹性梁元件来模拟桁架，墩盖，墩柱和桁架和隔膜的法兰。模型中使用的材料性质由钢和混凝土组成。对混凝土和钢的热和结构特性进行了某些假设，以简化建模。弹性模量值[钢：199,947,000 kPa（29,000 ksi）;混凝土：26,365,000 kPa（3,824 ksi）]，泊松比（钢：0.3;混凝土：0.2）和线性热膨胀系数（钢：0.0000065;混凝土：0.0000048）根据典型材料值进行选择。边界条件各不相同不同阶段的研究进行具体比较。根据需要注意边界条件和其他属性变化的理由。
桥梁描述
桥309是一个7.92米（26英尺）宽，三跨，整体式桥台桥梁，横向弯曲半径为289.6米（950英尺），跨度为25.9米（85英尺），45.4米（149英尺）和25.9 m（85英尺）。 基台和码头在左前方15度偏斜。 两个墩固定用于平移并释放以旋转（与桥梁曲率相切）。两个基座是完全一体的基台。桥梁具有连接到焊接的I形复合钢板梁的非复合弯板隔板。图1中示出了典型的横截面和平面图，其中Girder被定位在曲率中心。大梁B，C和D具有相同的刚度，梁A具有大约16％的刚度。
一般建模程序
考虑到大梁和隔膜响应是本研究的主要重点，对于确定各自的网格尺寸及其连通性的细节进行了很多的关注。 通过在腹板和法兰中的公共节点处沿着它们的全深度直接将它们附接到桁架来模制隔膜。
Lydzinski and Baber (2008)描述了每个梁截面的元素数量对分析结果影响不大。相反，分析结果对纵向的网格属性敏感。Lydzinski and Baber (2008)
进一步表明元件长度应大致等于跨度长度的2％。 因此，相应地选择近似元素长度。
通过直接将它们连接到甲板来简化护栏模型。假设甲板厚度为0.203米（8英寸），连接到具有刚性连接的梁，以形成复合截面性能。施加的活载荷作为点载荷直接施加到甲板上。
墩柱和墩帽组件被建模为关于其中心线的框架。使用锥形构件对墩柱进行建模，以说明其变化的横截面积。在图2中可以看到简化的框架墩几何形状的图示为右侧的暗四边形。
图1（a）桥309平面图; （b）典型横截面
使用刚性连接将大梁底部连接到墩帽的中心线。墩上的刚性连接节点被限制在所有自由度（DOF）上，而桁架底部的节点在与梁的强轴线的曲率相切的平面中被释放。释放该旋转（在底部翼缘位置）精确地表示固定墩（用于平移）行为，同时不排除弱轴弯曲和扭转的可能性。假设桩是完全固定在模型柱的基础，因为基础是深基础系统。
根据Abendroth and Greimann (2005)的工作，基台模型使用了建立的基台尺寸。基台桩（HP 10357）采用等效悬臂长度为5.49米（18英尺）的模型。 两个支座都直接连接到桁材，甲板和基台桩（图2）。
支柱桩提供通常用于整体支座的旋转/平移约束。有效的悬臂桩定向为使其弱轴与基台中心线重合。所有旋转和平移DOF被限制在桩的基部以表示有效的悬臂。
在这项工作中，考虑了两个基本模型。如前所述，现场模型考虑了所建立的桥梁中的所有元素。已知开发了作为顾问模型的第二个模型，以与更传统的设计/分析方法进行比较。顾问的设计模型代替了子结构组件的简单支持前面提到过。此外，护栏被排除在顾问模型中，因为它们通常在设计实践中不被考虑。此外，模型中没有包括土壤填充，因为已经观察到，在一个热循环之后填充材料并不总是完全恢复到其原始位置。在所有情况下，模型由研究团队开发（并与设计人员提供的信息或现场测试进行比较）。顾问模型的边界条件直接应用在桥墩底部的节点处，其中基台和墩座将位于其中。这些节点的自由度被固定为平移并释放用于大梁旋转。因此，这些条件代表了经典的固定支持条件。墩上的支撑件被理想化为滚子，释放了梁的纵向上的平移自由度和围绕主梁的旋转自由度。
模型验证和其他比较
通过将分析结果与两个单独的数据集进行比较，可以实现模型验证和其他比较。首先，模型将与实验结果进行比较; 以下称为现场。此外，该模型将根据咨询设计公司提供的分析结果进行量身定制; 以下简称顾问。在进行此验证和其他比较后，将在每种模型类型，复杂性和预期用途的上下文中呈现设计负载效应的进一步探索。
现场实时负载验证
对于弯曲基台桥梁的活荷行为进行单独的实地研究，对象桥梁的上部结构用40个应变传感器进行了测试，如图1所示。四个I型桁架中的每一个在位于北端的两个分开的径向横截面上配备了四个换能器。第一个横截面，第1节，位于两个隔膜之间的无衬长度的一半。第2节位于隔膜存在的地方。两个部分平行于曲率半径并且彼此相邻。
通过在三个负载路径上放置一个负载的串联式自卸车进行实时负载测试：负载路径1（LP1），位于从护栏面的0.61 m（2 ft）的曲线内侧;负载路径2（LP2），以桥面为中心;和负载路径3（LP3），位于从护栏的表面[0.61m（2 ft））的曲线外侧。对于每个路径，卡车沿着单独的负载路径以步行的速度沿着桥梁行驶。
为了进行必要的比较，使用在现场测试期间使用的卡车尺寸，车轴重量和横向轴位置，将模型应用于模型。在处理数据之前，在各种卡车位置验证了模型的偏转形状以检查一般模型响应。图2示出了位于外部载荷路径中的第一跨距中的卡车的偏转形状（绘制的偏转不按比例）。
一旦绘制和评估了几个偏转形状，在桥梁1和2处提取大梁应变。然后将分析应变与来自研究的应变直接比较。在比较应变时，大梁底部凸缘应变是相对于顶部凸缘应变的大的数值而具有特殊意义的。图4显示了分析和现场结果之间的典型比较。
通常在图3和表1中显示的比较表明，分析模型预测了所有负载路径的所有大梁位置的较大的底部凸缘应变。一般来说，分析应变在1-37％之间。当卡车居中并靠近第1区时，差异的幅度最小。由于第1节位于两个隔膜组之间，结果可能表明分析梁 - 隔膜相互作用的行为与实际场况有所不同。
图5中还显示了另一个关键的行为，从上部结构的底部看，它们在桥梁309的第一跨度中绘制了用于中心卡车的横向偏转的桁梁。横向偏转的梁形状在位于外部的大梁中最突出，靠近图5的顶部。分析模型证实（视觉上和数字上）相对于外凸缘和内凸缘应变变化的场结果。这种趋势通过不仅预测已知存在于水平弯曲的大梁中的侧向底部翼缘弯曲行为，而且通过正确地预测横向凸缘弯曲的方向来验证分析模型，如现场测试所示。
图2 在第一个跨度中的叉车位置的偏转形状
图3 桥309
现场热比较
在以前的实地研究中，测量了各种温度下的桥梁响应。分析模型的温度特性与分析模型进行了类似的评估，通过应用均匀的温度升高等于从监测开始到最热测量温度的温度变化。例如，场测量在桥309的第1节的梁A产生等于170mε的轴向应变，温度变化为37.8℃（100F）。当对分析模型应用37.8℃（100F）的温度变化时，产生200mOmega;的轴向应变。我们认识到，实际桥梁中遇到的热条件比在这个比较简单的比较中考虑的均匀温度变化要复杂得多。然而，考虑到所有未知数，现场和分析结果相似的事实给分析建模方法带来了一定程度的信心。
与顾问设计模型的比较
一旦进行了先前提到的几何模型修改（例如，对边界条件的修改和导致顾问设计模型的障碍栏杆），则将负载加载到模型。为了简单起见，在进行任何比较时仅考虑中心和外部负载路径。该输出与实际用于设计桥梁（由设计顾问大量提供）的模型的输出进行了比较。直接比较了四条大梁中的每一条，图6代表了对于梁A的强轴弯矩的典型比较。
分析和顾问模型之间的强轴心在所有大梁段的高峰卡车位置平均为6.0％。此外，在所有大梁部分的高峰卡车位置，侧面底部翼缘力矩不同于451：9Ntimes;m（4：0 kiptimes;in :)。因此，为这项工作开发的分析模型被认为与顾问的设计模型进行了较好的对比。这些比较完成不验证研究团队的模式;相反，这种比较为所使用的一般建模过程提供了现实检查。
图4 典型分析与场底翼缘应变比较
图5 横向偏斜的大梁
图6 大梁A：桥梁部分的中心路径
设计负荷和组合
随着分析模型验证和其他比较的完成，研究然后调查设计负载条件。选择的加载条件是根据AASHTO LRFD规范的设计极限状态。对于本研究，强度I和服务I加载了AASHTO（2010）LRFD规范中表3.4.1-1的组合，进行了详细的评估。这些负载组合包括用于静载荷，活载荷，水负载，热负荷，风荷载，沉降，摩擦载荷等的组件。然而，对于本研究的范围，仅考虑恒荷载，活动和热负荷。参考AASHTO（2010）中的表3.4.1-1，（1）和（2）表示在本工作的剩余讨论中考虑的负载组合。
强度（1）
服务（2）
其中DC =结构部件和非结构附件的静载荷; LL =活载荷; TU =均匀温度; TG =梯度温度
恒载
结构部件DC的静载荷包括甲板，钢梁，钢隔板和护栏的重量。假设材料密度被分配到模型中的适当结构部件。最大和最小载荷系数gp为1.25和0.90，用于强度I载荷组合。当来自活载荷的力不是与负荷结果相加时，使用最小载荷系数。
活载
车载活载荷，LL，是HL-93负载，由设计卡车或设计串联组合，以及设计车道负载组成。 设计卡车和设计车道负载的组合被认为适用于这项工作。
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