系杆拱桥系统的荷载等级
摘要
国家桥梁检验标准要求公路部门对所有公共道路上的桥梁进行检查、评估和确定荷载等级。桥梁的额定荷载是为了确定结构在给定的结构条件下能够安全承载的活荷载。桥梁被分为三种类型的荷载、设计荷载、法律荷载和允许荷载，这是一项费时费力的任务，因为它需要对不同荷载情况下的结构进行分析。目前有一些工具可以帮助桥梁工程师以一致和及时的方式进行桥梁评价。然而，这些工具支持传统桥梁系统的等级，如板、工字梁、箱梁和桁架桥。近年来，在美国内布拉斯加州的拉文纳和哥伦布大桥的建设中，已经开发出了一些创新的桥梁系统。本文的研究目的是为了介绍在拱桥的荷载作用下所开发的程序和模型。这包括根据AASHTO负载和阻力因素的评级规范开发分析模型和执行评级因子计算。建立了三维有限元模型，并对主要结构构件进行了分级计算，并采用最常见的合法和允许荷载，并对其进行了计算。分析和评级也进行了一个极端的事件，其中一个悬臂被完全损坏。
关键词：荷载等级；系拱；结构分析；混凝土填充管；活载
1.介绍
国家桥梁检验标准(NBIS)要求国家运输部门进行检查、评估条件、装载速度，并维护在所有公共道路上被定义为桥梁的结构[7]。根据国家桥梁结构清单和评估的记录和编码指南，桥梁在三种不同的应力水平下被划分等级，称为库存等级、运行等级和发布等级[6]。库存评级是指在评级中使用的车辆类型的额定容量，它将产生一个负载水平，可以在不确定的时间内安全地利用现有的结构。库存负荷水平接近正常服务条件下的设计负荷水平。运行评级将导致绝对最大允许负荷水平，该结构可能会被用于评级中使用的车辆类型。这一等级决定了桥梁偶尔使用的能力。允许无限数量的车辆将桥接在操作水平上，将危及桥梁的生命。这个值通常用于评估超重许可车辆的移动。投注等级是指评级中所使用的车辆类型的额定能力，它将导致在有限的时间内，在常规基础上安全利用现有结构的负载水平。一个桥梁的投寄等级是基于库存水平加上存货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成员，以确定额定载荷。这可能会导致桥梁的负载限制或部件的识别，这些部件需要进行复位或其他修改以避免过桥[5]。
负荷评定是一项费时费力的工作，因为它要求在不同的装载条件下对所有主要结构部件进行结构分析。开发了一些工具，以协助桥梁工程师以一致和及时的方式进行桥梁评价。桥梁分析和评级系统是美国国家高速公路和交通运输官员(AASHTO)授权的产品，用于分析和评估结构。新版本被一些国家开发和使用，用于分析和评价桥梁，而其他一些国家则使用不同的产品。这些程序只支持传统桥梁系统的等级，如板、箱梁和桁架桥。最近，一些创新的桥梁系统被拆除，例如在拉文纳和内布拉斯加的哥伦布大桥使用的拱桥系统[10,13]。这些桥梁由于其独特的成分和复杂的分析，不能被现有的商业项目评价。本文的目的是提出一种给定的载荷和截面损失率的分析模型，并在此基础上，提出了一种计算式拱桥额定载荷的分析模型，并对其进行了评价。摘要采用三维有限元模型对拱桥系统的结构构件进行了分析，并根据最新的AASHTO荷载和阻力系数(LRFR)程序[2]进行了设计荷载、合法荷载和允许荷载的评定。
2.系杆拱桥系统
该系统为铁路立交桥和水道口的建设提供了独特的解决方案，如限制垂直净空、中介人不受欢迎或不实用的安排，以及在施工过程中极为有限的交通控制。在这个系统中，主要部件是预制、组装、然后放置在现场，加速了施工，消除了在现场和主要铁路线路上工作的限制。通过结合高性能钢和混凝土材料，通过钢管和混凝土填充的协同作用，认识到混凝土填充钢管的增强强度和延性[12]。
拱桥系统的主要结构构件为:(1)拱;(2)支架;(3)关系;(4)地板梁;和(5)组合甲板，有连接和地板梁。拱是系统的主要压缩成员。每个拱门都有一个圆形的轮廓，由两根由混凝土填充的钢管组成，这些钢管是水平间距的，以提供足够的抗平面屈曲的阻力，并消除了横向支撑的需要，这在美观上是非常可取的，并提供了无限的顶空间隙。此外，拱形管之间的距离为连接衣架提供了足够的空间，这是垂直的张力构件，用来连接拱和连接固定间距。衣架是由高强度螺纹杆制成，可以很容易地调整长度以提供所需的轮廓。关系是系统的主要张力。每条领带都由混凝土填充的钢盒组成，在末端可以增加深度，以提供足够的连接到拱管。先将后张紧管放入箱内，然后用混凝土、棉线支架和后张紧力填充后，再用后张紧力，然后在最后的后张紧后再进行注浆。在不需要机械振动的情况下，可以将一个高度可流动的自整混凝土(SCC)泵到钢管上。通过提供一个更大的有效区域来维持后张紧力，使后张法更有效。混凝土芯的抗压强度和延性由钢管的侧限增加，而钢管的局部屈曲受到混凝土填充的限制。楼板梁是简单的支承辊/组合钢构件连接到挂钩位置。楼面梁和横梁都有剪力柱，以达到与浇筑混凝土平台完全复合的部分。组合甲板被放置在原地使用金属形式和后张拉纵向与未结合的单线。重力荷载作用于甲板(车辆、行人、栏杆、覆盖物等)，由楼板梁承载到支撑连接的拱上，主要是在拱、系和悬挂部件上产生轴向载荷。弯曲力矩和剪切力也存在于拱和连接部件中，因为连接这些部件的悬挂器的位置和灵活性都是离散的。
该系统的结构效率主要是由于:
- 通过使用拱和枕木，显著减少弯矩;(2)限制对受压构件的混凝土承载能力的影响;(3)使用后张拉应力消除牵拉应力;(4)采用全宽度桥面组合动作，增强地板梁和横梁的抗弯承载力。
本系统的经济效益主要是由于:
(1)不同材料的最佳使用(即:、钢铁和水泥);并且(2)预制了金属甲板的连接拱和预制件，大大节省了解释时间，并允许更换项目以最小的交通中断为基础。此外，该系统还可以设计出一种上层建筑，在桥的下方和桥下都能提供所需的架空间隙，同时也提高了桥梁的美观性。
3.评级程序
在第6A条中提供了与负载和阻力因素哲学相一致的三种负载等级程序。在2008年的AASHTO手册中，桥梁评估桥梁的负荷能力评估:
bull;HL-93和HS-20实时负荷的设计负荷等级(一级评估)。
bull;N3、N3S2、N3-3和3-3L live负载的法律负载等级(二级评估)。
bull;允许对SP1、SP2、SP2进行额定负载等级(三级评估)，SP3、SP4和SP5活负载。
有关轴向载荷和每个活载间距的信息，请参考Morcous等[11]。
每一个程序都是针对特定的活载模型，其目的是为了在所有评估中保持一致和可接受的可靠性水平。负载额定值通常表示为某一特定活载模型的评价因子，使用AASHTO LRFR 6A.4.2.1-1中所示的一般负荷-额定值方程。强度是额定载荷的主要极限状态。服务和疲劳极限状态根据本手册的规定有选择地应用。采用预应力混凝土桥梁的强度，对拉文纳和哥伦布大桥的主要结构构件进行荷载评定。这些组成部分的最终能力应进一步乘以条件和系统因素。条件因素提供了一种减少，以说明在检查周期期间这些成员的耐药性增加的不确定性增加，以及这些成员未来可能恶化的情况。由于拉文纳和哥伦布大桥是相对较新的结构，这一因素被采用。
系统因素是应用于标称电阻的乘数，以反映整个上层建筑系统的冗余度。不那么冗余的桥梁将会降低其分解的成员能力，相应地，将会有较低的评级。系统因素可用于评估者的自由裁量权，因此，决定使用1.0的系统因子对所有结构组件进行评级。以下是评估因子计算中所采用的假设的摘要:
bull;所有的负载等级分析结果包括:只适用于卡车负荷的动态负荷补贴33%，以及一个负载车道的多个存在系数为1.20。
两车道的1.0，三车道的0.85，四个或更多的车道的0.65[1]。
bull;部分损失率代表了损失。
钢结构、钢筋和预应力钢的厚度。混凝土部分不考虑损失。
bull;钢约束对压缩的影响。
根据Mander等[8,9]的计算，考虑了填充混凝土的强度，计算了拱的承载力。
4.拉文纳桥
图1显示了拉文纳大桥的组成部分和一般尺寸，以及完工桥的照片。这座桥的跨度为174英尺，超过6条铁轨，宽度约为56.5英尺。该系统由两根直径约165英尺、宽2英尺、深2英尺深的钢管混凝土组成，直径约165英尺，直径为1.75英寸，直径为1.5英寸，直径为8英尺9英寸。
利用相关研究设计的结构分析方法开发了相关模型，采用SAP2000 Advanced v14.1.0[4]。图2展示了用框架元素为拱形、纽带和地板梁开发的三维模型;电缆元素衣架;后张拉索的肌腱元素(不显示为清晰)，以及甲板的外壳元素。
在可接受的计算时间内完成。桥支架被假定固定在枕木一端和另一端的滚轴上。所有吊架和地板梁连接到拱门和领结的元素被假定固定。同时，采用框架单元对实心矩形混凝土端膜片进行了建模。在Morcous等[11]中可以发现不同成分的截面性质和刚度。
对拉文纳桥进行了三个阶段的分析，分别代表施工顺序。各阶段的分段性质和荷载分别为:
第一阶段:
bull;结构:拱(仅限钢)、铁箍(仅钢)、吊架、横梁。
bull;荷载:钢结构重量，金属板和。
用于填充领结和拱节的自整混凝土(SCC)。有关SCC的更多信息，请参见[3]。
第二阶段:
bull;结构:arch(填满SCC)、tie(填充SCC)、衣架和横梁。
bull;载荷:连接后拉伸(2 9 19 0.6英寸)和8英寸厚混凝土甲板的重量。
第三阶段:
bull;结构:arch(填满SCC)， tie(填充SCC)和复合材料，厚度为7.5(结构厚度)混凝土面板，吊架，端梁，交叉梁，混凝土甲板。
bull;载荷:磨损表面(20个psf)，障碍物(0.4 k/英尺)，和车辆活载。
确定了主要结构构件的截面承载力，确定了从0到50%不等的截面损失百分比。这些截面损失的百分比表示这些部件的钢部分可能发生的腐蚀，从而减少结构钢的厚度和/或预应力钢绞线的直径。混凝土尺寸和/或强度的减少被认为是可以忽略不计的，而且不包括在这些百分数中。图3和图4分别显示了拱顶的相互作用图，并分别给出了拱的截面和截面损失。图5显示了后张紧复合领带的横截面和相互作用图。所有的足弓和枕木都是由50级的钢片组成。利用应变兼容方法和AASHTO LRFD强度降低因子，开发了这些容量图。
根据AASHTO LRFR，使用组件容量和需求值来计算评级因子。在一个或两个车道上使用移动荷载的包装箱，确定了11个不同的车辆活荷载箱(2个设计荷载，4个合法荷载，5个允许荷载)的需求值。表1列出了设计、法律和允许负荷大鼠使用所显示的负荷因素，并假设没有区段损失。部分损失百分比和活载因素可以改变，以确定临界情况(即RF小于1.0)。此表显示在所有加载条件下，所有组件的额定功率(RF大于1.0)。
图6显示了使用设计荷载箱(HL93)损失一个吊架前后的拱和系的弯矩包络线。这些图显示了拱弯矩的显著增加，导致射频小于1.0，对其他活荷载箱下的拱构件进行了相同的结论。
5.哥伦布桥
图7显示了哥伦布大桥的一般尺寸，以及完成的桥的照片。哥伦布大桥在美国的普拉特县的30号，内布拉斯加州有两个跨度;拱跨260英尺，梁跨度96英尺;宽度约84英尺。该系统由两个直径约217英尺的圆拱、3英尺宽、2英尺深的后张混凝土填充钢管为每条直径为1.75英寸直径的150螺纹杆，吊架在10英尺的间距，w249162钢地板。梁组合与7.5英寸厚后张拉混凝土甲板。
该分析模型是利用as设计的信息进行开发的，结构分析采用SAP2000 Advanced v14.1.0[4]进行。图8显示了与拉文纳桥模型相似的三维模型，壳体的尺寸为7.5 96.13英尺。
在可接受的计算时间内完成。桥的sup-端口被假定固定在连接的一端和另一端的辊子。所有吊架和地板梁连接到拱门和领结的元素被假定固定。实心矩形混凝土端膜片由于其作用不显著而未被建模。
分析。在Morcous等[11]中可以发现不同组分的截面性质和刚度。
对哥伦布大桥的分析是在三个阶段进行的，类似于先前的拉文纳桥。此外，初步结构的截面承载力确定了从0到50%不等的截面损失百分比。图9和图10分别显示了中位拱的内部动作图，并分别给出了截面损失和拱交叉证。图11和图12显示了外部拱肋的类似图。中位数和外拱之间的唯一区别是钢管的厚度(中间拱的0.94英寸和外拱的0.5英寸)。图13和图14分别显示了后张和后张紧系之间的横截面和相互作用图。中值和外系之间的唯一区别是后张紧线的数量和组合甲板的有效宽度。所有的足弓和枕木都是由50级的钢片组成。利用应变兼容方法和AASHTO LRFD强度降低因子，开发了这些容量图。
根据AASHTO LRFR，使用组件容量和需求值来计算评级因子。对11种不同的车辆，使用一个移动荷载的包络线和两个满载的车道来确定需求值。表2列出了设计、法律和允许的负载等级，使用显示的负载因素，并假定没有区段损失。部分损失百分比和活载因素可以改变，以确定关键的情况(即负载等级小于1.0)。这张表表明，在所有的装载条件下，除了外部和以外，所有的压紧装置都有足够的额定功率(RF大于1.0)。
在SP5负载下的中位数连接梁(RF = 0.66)。主要是由于SP5(总车轴的重量= 30万磅)和桥的长跨度(260英尺)的组合。有关轴的更多信息。
负荷值和分布，参考Morcous等[11]。对哥伦布大桥的分析也没有与拉文纳桥类似。分析结果表明，所有均在1.0以上，除了在HL-93和SP5负载下的外部和中值连接梁使用显示的负载因子。
6.结论
本文介绍了在美国内布拉斯加州的拉文纳和哥伦布大桥两大拱桥的荷载评定过程和模型。这包括开发分析模型并根据负载和性能指标进行评估。建立了三维有限元模型，并对主要结构模型进行了分级计算，并采用最常见的合法和允许荷载的方法进行了计算。分析和评级也进行了一个极端的事件，其中一个衣架被完全损坏。根据本文
全文共9317字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15808]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
