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复合双箱梁桥的自由振动和极限承载力研究
Anwar Androus a, Hamdy M. Afefy a,b,⁎, Khaled Sennah a
摘要
由于其高抗扭刚度以及经济和美学的原因，复合混凝土桥面钢箱梁桥在公路桥梁领域成为一个非常流行的选择。为了研究箱梁内交叉支撑随着不同荷载阶段曲率效应变化的影响，本课题提出了一个研究组合箱梁桥弹性变形和最终的受力情况的预实验。实验制作了三个复合混凝土桥面钢简支双箱桥模型，其中有两个曲线和一个直线模型，并对这些模型进行了测试。首先，对每个模型在自由振动激励下的响应进行了监测，然后在弹性范围内进行偏心加载并记录相应的挠度，最终桥梁模型倒塌，试验结束。在三个加载阶段对三桥模型的结构性能进行了比较。值得注意的是，钢箱之间存在一个外部的交叉支撑系统对已有的挠度和基本的固有频率在载荷作用下的弹性范围影响不大。另一方面，这些外部支撑有助于减小已有的挠度避免结构失效，并使承载能力增加约8.9%。此外，外部支撑确保了在极限荷载条件下应力的更合理分布。 进一步利用有限元模型对实验结果进行了数值模拟，实验结果与数值结果之间有着良好的一致性。
关键词：箱梁桥 组合桥 曲线梁桥 自振 失效
1.绪论
水平弯桥的使用已经越来越普遍，尤其是在有严格的几何约束的情况下。曲线桥有利于交通畅通，并在交汇处平稳转换方向。由于箱梁桥具有较浅的截面深度、显著的纵向弯曲和扭转刚度等结构优势，已成为在大城市甚至铁路桥梁中现代公路中、大跨度桥梁普遍采用的解决方案。此外，箱梁桥对活荷载引起的振动效应比I-梁桥具有更大的抵抗力。箱形梁桥除了具有明显的结构效益外，还与外界环境相隔绝，所需的公用设施可以放置在梁内，在美观方面更有优势，同时也可以将易受环境条件影响的表面积最小化。在整个结构的使用寿命中，维护成本也被降到最低。
如今人们已经对箱形梁桥的弹性响应进行了各种试验研究，验证了计算机程序的正确性和研究箱梁桥结构性能的有效方法。Kissane和Beal[1]对位于南部高速公路Avoca-Bath段的水平弯曲复合混凝土桥面钢桥进行了试验。该桥为三脊两跨连续箱梁桥。一年后，在巴尔的摩附近的I—695和1-83互通立交桥上进行了三跨连续弯板式组合钢背双箱梁桥的类似试验[2]。Evans和Rifaie[3]在十八个简单支持的不同曲率单室箱梁模型上进行了实验工作，以验证有限元方法所得的结果。此外，在一系列铝制小尺寸直线、倾斜和弯曲的四单元箱形梁桥模型上进行了实验工作[4，5]。通过在跨度的不同位置施加单点载荷，这些模型在具有和不具有中跨径向横隔板的情况下进行弹性测试。布伦南和曼德尔[6]测试了弹性小尺度水平弯曲I-梁和复合混凝土甲板钢多脊桥模型并收集了这项工作的数据，以便将来进行分析和比较。
利用这一数据，基于折叠板法、有限条法、有限元法、Seibleand Scordelis[7]总结了五种代表性桥梁模型，验证了弹性解的有效性。在中跨截面不同位置的点荷载作用下，测试了一个弯曲的双跨连续、单箱单室、实验室规模的模型[8]。Heins等[9]对有机玻璃小尺寸弯曲三箱梁桥模型进行了弹性试验，以研究基于Vlasov薄壁梁理论的斜坡挠度理论的适用性，该理论既不考虑截面变形也不考虑翘曲变形。
为了研究中间膜片的影响和弯曲单细胞结构的三维有限元建模的充分性，对两个具有高曲率的单细胞有机玻璃模型进行了研究[10]。西金和德荣[11]测试了一个三跨连续弯曲的树脂玻璃模型，这是一个双室箱梁桥的模型，用于验证最终的方法是否准确预测了弯曲的多室箱梁桥的行为。Siddiqui和Ng[12] 测试了弹性的两个直有机玻璃单室箱梁桥模型，以确定横隔板在同心和偏心点加载下对箱形截面的影响。这两种模型都是简支预应力混凝土桥梁，第一座桥有一个单元，第二个单元有两个单元。这项工作的主要目的是提供混凝土箱梁桥在不同水平的混凝土开裂损伤的线性和非线性响应的实验数据。Ng等[14]在渥太华以东的Cyrville公路桥1/24号线模型进行了实验研究，该模型绕过渥太华以东的昆斯威。该模型是由混凝土和铝制成的弯曲的四单元箱形梁桥，连续的中央支撑，并在各种OHBD卡车装载条件下进行弹性测试。
在所有之前提到的关于箱梁桥的实验和理论研究中，只有很少的研究涉及直线和曲线箱梁桥的非线性行为倒塌，以及个别钢板的局部屈曲。Heins和Humphreys[15]对一系列箱梁模型进行了失效测试，这些模型是通过增加扭转力和弯曲力的组合来加载的。这些模型由顶部钢法兰、钢腹板、钢底凸缘和交叉支撑组成，只有一些模型有一个混凝土桥面板。利用这一成果验证了弹性范围内的经典扭转理论，建立了一个无量纲方程，加快了曲线钢箱梁的荷载系数设计。本文提出了一种数值方法和计算机程序[7]，以追踪多室钢筋混凝土箱梁桥在静载作用下的非线性响应。这项技术的结果与两跨四室钢筋混凝土箱梁桥的测试结果相比较，试验结果为[16]。其他研究人员测试完成一个1:12规模的预应力混凝土分叉箱梁桥模型[17，18]。该模型代表一个四车道分岔成三车道和两车道，具有典型的单和双单元箱梁结构，包括大型悬臂梁。该桥在计划中高度弯曲，在中央支座上是连续的，在三个外支座上受到扭转约束。类似的研究是由[19]在曲线组合混凝土桥面钢多脊骨箱梁组合上进行的。
另一个研究者结合Bazant-El Nimeiri和张—里昂模型来开发了一种用于钢筋混凝土和预应力混凝土箱梁桥非线性分析的弯曲非棱柱薄壁单室箱梁单元[20，21]。Mari等人[22]开发了一种由钢筋混凝土板组成的非变形截面直箱梁，以模拟曲线预应力箱梁桥。建立了一个有限元计算机程序[23]构造了一个有限单元计算机程序，用于预测由普通混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、钢和复合混凝土钢制成的结构达到失效状态的材料非线性行为。采用非线性技术分析了单室和双室预应力混凝土箱梁桥的A1／7标度模型，采用[24]进行试验。针对钢筋混凝土结构的非线性分析，建立了相似的数学模型[25]。Ng等[26]开发了类似的有限元程序，以追踪钢筋混凝土结构的非线性响应。本文采用[16]测试的钢筋混凝土箱梁桥，通过对两跨四室钢筋混凝土箱梁桥进行了对比分析。
Soliman和Elmekaway[27]进行了非线性有限元分析，研究了靠近中间支撑区域的底板对钢筋混凝土梁式桥梁变形行为的影响。本文利用非线性有限元技术，对中间隔板和端隔板对短、中、大跨度单室箱梁桥性能的影响进行了理论研究[28]。Yabuki等[29]提出了一种数值方法，用于预测局部屈曲对构件板的影响，以及薄壁、焊接钢箱梁的非线性行为和极限强度的畸变现象。在施工阶段，很少有研究人员对箱梁的行为进行研究[30]。其他研究人员研究了箱梁荷载作用下的荷载分布[31-35]。另一个涉及箱梁设计方面的研究[34-41]。
在吊装过程中，当箱梁暂时没有支撑时，横向挠度和扭转是很大的。箱梁顶部截面的顶部侧向支撑，在面板混凝土硬化前限制箱梁扭转，在顶部钢法兰的扭曲力矩和施工中过度挠曲[42]。一旦混凝土桥面硬化，它就成为箱形截面的顶部凸缘，并且能够传递剪力。由于甲板通常比支撑更坚硬，所以支撑是无效的[43]。此外，与组合箱梁顶部钢凸缘之间的钢筋混凝土桥面板相比，顶部侧撑的剪切刚度很小。综上所述，这项研究忽略了顶部侧向支撑对顶部钢凸缘的存在，因为它仅局限于复合箱梁在正常使用时以及在极限荷载阶段的行为，以及在最终加载阶段，而不是在施工阶段的非组合箱梁的行为。
在对曲线桥的文献综述的基础上，对曲线组合箱梁桥完全倒塌的试验数据尚不适用。目前的实验工作旨在验证实验中交叉支撑和曲率对自由振动行为的影响，以及复合混凝土桥面钢箱梁桥的极限状态。
2.实验工作计划
为了研究静力和自由振动加载条件下弯、直箱梁桥的受力性能，以及曲率对结构响应的影响，进行了实验研究。在实验项目中，建立了桥梁模型，并将其加载直至失效。
2.1桥梁模型
实验方案采用三分之一的线性-比例组合混凝土板-钢双箱梁桥模型在自由振动下，在弹性和接近失效的荷载作用下进行。实验测试的模型是1:10线性规模的实际桥梁配置，没有考虑到桥梁的附加质量，因为所测试的模型用于曲线桥系统和具有相同质量和刚度的直桥系统的比较研究。这三种模型都是简支结构，其中两个模型(Ml amp; M2)在计划中是弯曲的，而第三个模型(M3)是一个直桥。为了研究箱形交叉支撑的存在对结构响应的影响，第一模型ML在箱内和箱间径向支撑线之间有五个交叉支撑和顶部弦系统，而第二模型M2具有相同的支撑和顶弦系统。第一个模型,Ml, 有5个交叉支撑和上弦杆系统之间的径向线内和梁之间的支承。为了研究曲率对结构响应的影响，第二和第三桥具有相同数量的交叉支撑系统，除了第二模型是弯曲的，而第三模型在计划中是直的。K-垂直支撑通常用于箱内的内部交叉框架，决定使用具有顶弦的箱内和外部的交叉支撑，只在一个弯曲的桥梁系统和具有相同质量和刚度的直桥系统之间进行比较。
2.1.1弯桥模型(M1)
第一座桥为1:10线性比例尺的双箱梁桥模型。该桥简单地由一个复合混凝土桥面和钢箱梁支撑。截面尺寸在图1中示出。混凝土面板为800米宽，35毫米厚，并由两个111毫米高的钢箱梁支撑。箱梁由两个顶部凸缘组成，每个凸缘分别为38times;3 mm、四个腹板、111times;3 mm和一个共同的底部凸缘200times;3毫米厚。两个径向定向的隔膜，厚度为3毫米，放置在每个箱形梁的极端端部。在每个膜片中提供测量孔50times;50毫米。该模型包含五个括号内的箱形梁等距。所有的支柱有一个顶部和弦和两个对角线成员交叉从一个角落到一个对角线角。该桥模型也被支撑在从支撑到支撑的跨度分成六个相等部分的盒子之间，因此，从一个支撑件到另一个支撑件开始使用七个类似于盒子内部的支撑件。最后，在箱梁两侧的支座和第一支撑线的位置处增加加劲肋。图2（a）示出了所有支撑件、加强件和隔膜位置的位置细节。为了将混凝土桥面和梁连接在一起，通道剪力连接件的长度为25毫米，并沿每个顶部凸缘间隔125毫米。在混凝土桥面铺装层采用钢筋混凝土100times;100times;3.2 mm横向和径向两个网格。
2.1.2弯桥模型(M2)
第二简支桥模型M2与桥模型M1非常相似。M1和M2模型具有相同的总体尺寸和曲率。唯一的区别是，除非在桥梁模型M2的支撑处，箱梁之间没有支撑。图2（b）示出了模型的计划视图细节。
2.1.3直桥模型(M3)
最后的桥梁模型是一个直线型复合混凝土桥面钢双箱梁模型。该模型与模型M2的模型相同，但它在计划中是直的。它只在支架和支撑配件之间有支撑，在加强筋、剪力连接件的位置上，隔板和混凝土板与模型M2完全相同。图2（c）中示出了该模型的平面视图的细节。
2.2材料
2.2.1结构钢板
所有的钢板都是单张的。三个试样样品从片材上切下来，使用万能试验机进行测试。所测试的样品的平均应力-应变关系示于图3中。3mm板的屈服强度为260 MPa，弹性模量为200 GPa。
2.2.2预应力钢筋
所有的桥梁模型的混凝土桥面板由两个100times;100times;3.2 mm的钢筋配筋，分别以切向和径向的方式对曲线模型进行加固，并与直线模型进行正交。三张300毫米长的试样在拉伸到失效的情况下进行了测试。测试样品的平均应力-应变关系如图4所示。屈服强度为820 MPa，弹性模量为200 GPa。
2.2.3混凝土
在所有桥型的混凝土桥面铺装层中采用了28天最小强度为35 MPa的预拌混凝土。水泥为普通强度硅酸盐水泥，CSA型10，由加拿大水泥公司生产。由于板坯只有35毫米厚，所以在混凝土结构中使用的骨料最大公称尺寸为10毫米，以确保混凝土和钢网之间的空气间隙率较低。混凝土混合料采用天然自来水。水灰比为0.45。3个标准钢瓶，直径100毫米，200毫米高，同时浇铸混凝土桥板为每个模型。在模型桥旁放置钢瓶，以确保浇铸后的养护条件相同。对混凝土气缸进行了测试，并对桥梁模型进行了测试，以确定其抗压强度。三种模型的混凝土柱的平均抗压强度分别为33、34、27 MPa，分别为模型M1、M2和M3。
2.2.4抗剪螺栓连接
在测试时，剪切螺柱不可用。因此，板通道连接器被用来提供面板和钢箱梁之间的全剪切相互作用。将槽钢剪力连接件焊接到箱梁的顶部钢梁上，间距为125 mm。在25毫米的通道长度上，将通道焊接在接触区域的两侧。槽高19 mm，宽3 mm，腹板厚度3毫米，腹板深度25毫米。图5显示出了桥接模型中的一个沟道螺柱焊接在第二个拱上的视图。
2.3桥梁模型的建造
使用商用的AutoCAD软件，将所有的钢件按实际的比例绘制在纸上，然后将其切割并粘贴到钢板上。这样做是为了确保不同部分的切割边界被精确地切割。在土木工程部车间使用的电动切割机用来切割板材和带材。为了形成每个模型的钢格栅，将腹板、端部隔膜、十字支撑和顶部悬臂在位置夹紧，然后彼此点焊。然后，这些部分被转移到当地的一个钢焊接和制造车间，在整个跨度应用焊接。为了尽量减少焊接过程中遇到的发热问题，确保焊接前适当的夹紧和稳定。同时，采用中热电焊机对2 mm连续焊缝进行了仔细的利用，使焊缝的间距为50毫米，并在钢梁跨度上错开。然后将每个模型的底部板夹在钢格栅上并焊接到腹板上。然后，沿着顶部的沟道连接槽口剪力连接件。焊接完成后所有桥梁模型的视图(非合成阶段)如图6 - 8所示。
采用2438times;1219times;25 mm的聚苯乙烯泡沫塑料保温板作为混凝土模板，在细胞和细胞的外侧放置。在细胞内放置聚苯乙烯泡沫塑料的小立方体以支撑聚苯乙烯泡沫塑料片。图9中示出了桥梁模型的模板的视图。在制备模板后，将管道胶带放在所有区域，以防止混凝土与模板之间的混凝土泄漏。然后，将两个钢筋网，100times;100times;3.2毫米，放置在模板上，如图10所示。这些钢网是用普通的薄铁丝连接在100毫米的距离上，并在加固钢网周围用发夹固定，以保持顶部的网格，而底部的网
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