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冗余复合钢梁桥的失效特点及极限承载力:案例研究。
Amir Gheitasi S.M.ASCE1;德文K.哈里斯博士，A.M.ASCE2。
摘要:随着美国运输网络中老化的公路桥的存在，联邦和地方机构通常会遇到各种各样的维护问题，包括开裂、剥落、分层、腐蚀、高负荷撞击和火灾损失等问题。本文提出了一种方法，可以在综合桥梁上部结构的极限承载力的基础上，捕捉全系统的行为和失效阶段。这一步有助于理解多余的桥梁在耦合和不耦合的损坏和恶化的情况下的表现。该研究包括对两种具有代表性的完整钢梁桥的非线性有限元分析，并对其进行了测试，为模型验证提供了足够的细节。结果表明，在理论上的名义设计能力，冗余上层建筑具有较高的储备容量。建立了一种合理的方法来描述实际的基于系统的最终容量，在当前的设计方法中没有明确的考虑。此外，还对选定的代表性桥梁之一进行了有限的敏感性研究，以研究桥梁系统几何参数和材料特性的变化对特征破坏阶段的敏感性。
关键词:复合钢梁桥;非线性有限元分析;极限承载力;系统级冗余;通用的故障判据。
介绍
为确保坚固和可持续的基础设施网络，对包括组合钢梁桥在内的服务上层建筑定期进行监测，并定期检查是否存在任何可能的损坏或恶化情况。在美国，这些检查每两年一次，使用常规的目视评估[联邦公路管理局(FHWA) 2001, 2006]和无损评估技术[第二战略高速公路研究计划(SHRP 2) 2012]，以准确地监测桥梁结构随时间的退化，并提供维修和康复计划的指导。然而，在现有的恶化条件的影响下，我们对实际结构反应的认识不足，包括被检查桥梁的非线性行为和极限承载力。从历史的角度来看，结构构件之间复杂的相互作用，导致桥梁上部结构的固有结构冗余，在设计过程中过于简化，在维护和评价过程中更是如此。这些简化导致了对桥梁系统行为和生命周期性能的理解中缺失关键环节。
桥梁结构系统的性能和可服务性不仅可以受到特定类型的合并损伤的影响，而且还可以通过其位置、范围和与其他损伤或退化场景的耦合来影响。结果就是必须量化不同的可能损伤机制对整体系统行为的影响，并准确描述退化桥梁的最终能力，以确保持续的安全操作。这种现象代表了一个地区的迫切需求与老龄化和恶化的桥梁基础设施网络,经历了著名的桥故障,如1 - 35在明尼苏达州(2008年国家运输安全委员会(NTSB)),我在华盛顿,和侦察城市道路在密苏里州(NTSB 2013 a,b)。尽管这些失败并没有恶化,他们仍然强调系统冗余和关系维护的重要性和安全性。
为了评估这些特征，理想的方法是在一系列具有代表性的桥梁上实施全面的破坏性现场测试;然而，这种方法既不可行，也不具成本效益。实验室测试也可以被认为是一种替代方法，但是对于这种方法，除了相关的成本之外，对于这种方法的空间尺度扩展和模拟的挑战是有限的。在今天的计算资源和能力的基础上，开发一个分析模型来研究完整或损坏的桥梁系统的性能是最好的处理方法，使用像FEM这样的工具。虽然FEM提供了一种有效的机制来模拟系统的相互作用，但对于边界条件的适当处理，使用精确的本构关系，以及基于系统的故障标准仍然是这种数值建模方法的主要挑战，必须正确处理以产生准确的结果。
背景和研究意义
在过去的几十年里，一些研究人员利用FEM对钢-混凝土组合梁进行非线性分析。在这些研究中，大量的努力集中在对钢梁和钢筋混凝土甲板的复合作用进行建模。Yam和Chapman(1968, 1972)对简单支撑和连续组合梁进行了一系列数值分析，其中考虑到钢、混凝土和剪切连接的不弹性。vendran et al.(1999)采用刚性连接梁单元对其有限元分析中的剪切柱模型进行了研究，研究了钢-混凝土组合梁的非线性行为和极限承载力。Baskar et al.(2002)采用表面交互技术对组合板梁的板梁连接进行建模，允许滑移和预先确定的拉伸和摩擦应力。Queiroz等(2007)对组合梁进行了广泛的参数化研究，以评价采用非线性弹簧单元建模的全部和部分剪切连接的影响。
由queiroz et al.(2009)和Zona and Ranzi(2011)对复合梁的非线性行为进行了分析，并考虑了剪切接头的荷载-滑动特性。在最近的一系列研究中(Ellobody andYoung 2006;Qureshi et al. 2011;Tahmasebinia et al. 2013)提出了三维(3D)股骨模型，用于评估由混凝土板浇注在钢异形板上的混凝土板的非线性行为特性，并通过剪力连接器连接到钢梁上。在这些模型中，考虑了三维模型剪切螺柱的非线性本构材料行为。为了模拟混凝土和钢构件之间的界面状态，还采用了一种地对地接触算法。
采用三维有限元建模技术，研究了不同荷载条件下钢弦桥上部结构的整体挠曲行为(Hall和Kostem 1981;Razaqpur和Nofal 1990;林et al . 1991;塞巴斯蒂安和麦克科隆2000;傅和陆2003;钟和Sotelino 2006;巴斯et al . 2006;贝克特尔et al . 2011年)。他们的研究包括详细讨论选择适当的材料来表示本构模型开裂/破碎的混凝土和钢筋屈服/应变硬化,加上不同的元素类型参数用于数值模拟混凝土的甲板,钢梁,加强钢筋,并提供复合混凝土板和钢梁之间的行动。通过对实际结构模型桥梁或现场试验的不同实验结果，验证了模型的准确性。而以往使用非线性有限元分析(NLFEA)的研究已经取得了成功，这些对复合钢梁桥的研究通常局限于在数值结果与现有实验数据之间取得适当的相关性。事实上，他们的研究仅限于研究桥梁上层建筑的全部行为，较少关注桥梁系统的关键行为阶段。
本文从这一研究的基础出发，对两种典型的完整钢梁桥的非线性行为和阶段进行了综合表征。本研究的目的是根据3D NLFEA的结果，提供其最终容量与系统冗余之间的正式关系。本研究的新颖之处在于将系统响应划分为不同的行为阶段，并开发出一种通用故障判据来预测复合钢梁桥的整体系统容量，而不考虑局部失效的影响。提出的通用失效准则不仅提供了一种基于系统的结构能力的机制描述，而且是理解损害和恶化条件对系统行为的影响的合理基础。此外，还对选定的代表性结构之一进行了敏感性研究，以评价不同几何和材料性质的变化对整个系统行为的影响以及失败的特征阶段。随着这一概念的发展，桥梁社区对这些行为特征有了更好的理解，预计这种基于系统的治疗将有助于指导维护和评级决策。虽然分析和结果仅限于选定的桥梁，方法是通用的，基本原理可以扩展到其他类型的桥梁上部结构，以帮助提供一种剩余容量的测量方法，可以用来防止未来的失败。
案例研究
对一个简单支撑的钢梁桥(Kathol et al. 1995)和四跨连续组合梁桥(Burdette和good1971)的现场试验进行了全面的实验室调查，这两个案例研究是用所建议的方法进行评估的。之所以选择这些结构，是由于其提供了详细的报告，其中包含了关于测试程序、数据获取、装载条件和取得结果的详细信息。值得注意的是，在文献中很少有完整的最终容量测试，但是这些案例提供了大量的特性，使得建模方法可以根据不同的结构类型、几何属性和加载条件推断出不同的场景。
内布拉斯加州的实验室测试
桥的描述
在Kathol et al.(1995)的研究中，一个全尺寸的简支梁桥，其跨度为21.34m(70英尺)，截面为7.92米(26英尺)，在受控实验室条件下进行了测试。桥面上部结构为190.5mm(7.5英寸)厚钢筋混凝土桥面，由3个钢板梁支撑，间距为3.05米(10英尺)，如图1(a)所示。模型桥采用荷载因子设计法(AASHTO 1992)设计;然而，值得注意的是，甲板本身是根据经验设计方法设计的(AASHTO 2010)。
测试设置和实验结果。
对该上部结构的承载能力进行了极限荷载试验。在此测试中，将垂直集中载荷应用于系统，由12个后张拉棒来模拟两辆并排的HS-20卡车，其车轴间距为[图]。1(b)]。在桥面板的顶部表面，用50032003年50mm的尺寸固定在12个钢板上，并通过结构实验室的地板，分别连接到12780 - kn (400-kip)的液压公锤。
图1所示。内布拉斯加州实验室测试:(a)横截面;(b)加载配置
增加荷载时，桥梁系统几乎保持弹性，直到在中段的内部和外部梁的底部材料商开始产生法兰。由于混凝土板发生局部冲切破坏，最终试验终止。
田纳西州的现场试验
桥的描述
四跨连续钢梁桥是田纳西州的四个选择的公路桥之一，它是Burdette和good牧场(1971)的试验研究项目的一部分，以评估其最终强度和失效。这座桥的总长度为97.54米(320英尺)，有两个外部和内部跨度，长度分别为21.34和27.43米(70和90英尺)。驱动面由177.8 mm(7英寸)提供。由图2(a)所示，钢筋混凝土甲板由4个相同的钢梁组成，其间距为2.54 m(8英尺4英寸)。
测试设置和实验结果。
在静态试验中，在连续桥的一个内部跨度上，在特定的纵向位置上，应用了8个相同的集中荷载来创造最大的正能量。
图2所示。田纳西州现场测试:(a)横截面;(b)加载配置
大约在中跨附近的时刻[图。图2（b）]。 施加的载荷的间距和大小被选择为模仿每个车道中的常规HS-20卡车的后轮。 这些点荷载通过一系列锚固在桥下石灰石岩石上的钢筋施加在系统上，另一端通过放置在轴承格栅上的1000-kN（225-kip）容量的中心孔千斤顶延伸。 在施加的荷载作用下，桥梁在钢梁发生屈服之前表现出几乎线性的弹性。 在开始屈服后不久，桥梁就在靠近承载跨度的桥台处抬起，然后在钢梁上形成大挠度和塑性铰链。 由于在大梁铰链形成后最大位置处的一个路缘出现压缩破坏，试验终止。
有限元模拟和分析
本研究采用ANSYS 14.0，一个商业FE程序，以验证所选桥梁系统的非线性响应。随后对仿真过程进行了详细的总结。
元素类型
如图3所示，一个八节点完整集成实体，Solid65，嵌入的特征，如开裂、破碎和塑性变形，用于混凝土桥面的建模。采用单轴张力-压缩杆单元(Link180)对甲板系统的内部加固进行了离散化(Tavarez 2001)。对于钢梁，采用四节点简化集成壳单元(Shell181)对法兰和腹板进行建模，而横向支撑则是通过采用线性双节点梁单元(Beam188)的交叉框架提供的。在非线性分析过程中，假定梁在混凝土桥面上是完全复合的，因为在所选桥梁的相应失效测试中没有发现复合行为损失的证据。然而，所实现的仿真方法具有集成特性的能力，如剪切柱的粘结滑移和非线性行为(Fu and Lu 2003)，并将其引入数值模型中，以解释与梁-甲板连接有关的潜在失效特征。
图3所示。生成FE模型:(a)内布拉斯加桥;(b)田纳西州桥
部分属性
钢构件的截面性能，以及甲板钢筋的详细情况，分别在表1和图4中进行了总结。由于在四跨连续桥的加固细节上提供了有限的信息，本研究基于Barth andWu(2006)提出的实用设计值进行了假设。然而，对于简支梁桥，弯曲钢筋分别指定悬臂和非悬臂部分的甲板。
材料模型
详细的材料性质，从描述的实验程序，被包括在这些完整系统的验证研究中。如表2和图5所示，引入了一种多线性应力-应变关系来模拟混凝土在压缩过程中的非线性行为。在拉伸过程中，混凝土被假定为在开裂前具有线性弹性的行为，而拉伸应力松弛超过开裂极限。剪切传递系数分别设置为0.3和1。在分析中也使用了willam和Warnke(1974)模型。
图4所示。甲板加固细节:(a)田纳西桥;(b)内布拉斯加桥(悬臂梁);(c)内布拉斯加桥(noncantilever)
混凝土的三轴破坏面(图5)。钢构件的非线性行为，包括钢筋、钢梁和侧向支撑，采用与von Mises(1913)屈服准则相关联的多线性各向同性材料模型，如图5所示。
加载和边界条件
基于图3中所示的加载配置。 如图1（b）和2（b）所示，每个数值模型都加载了一系列施加在与生成的网格模式无关的补丁区域上的点荷载（Harris 2010）。 假设简支桥梁的加载补丁与实验室测试中使用的钢板具有相同的尺寸，而对于连续桥梁，分析中假定理想的轮胎补丁面积为5003 250 mm，以简化复杂的配置 在现场测试中使用的轴承格栅。
采用铰链和滚柱支承的方法，对简单跨度桥梁的数值模型进行了约束。然而，在连续桥梁中，系统的实际支护条件没有提供任何信息，尤其是在隆起发生的桥台。虽然这一特殊桥梁结构的实验结果在文献中得到了广泛的应用(Razaqpur和Nofal 1990;Barth和Wu 2006)验证了相应的建模方法，较少的关注被认为是在开发模型中捕捉上升现象。本研究旨在通过考虑三种不同的边界条件，来填补这一空白，并在此基础上扩展之前的建模工作。如图6所示，临界桥台是完全约束的，以防我在第二种情况下可以自由向上移动。这种桥台在具有理想刚性完全塑性非线性弹簧的情况下进行了约束，一旦上升，其刚度减小为零。附加的边界约束也被作为一条水平线上的约束在梁的底部法兰，在中间墩的位置和桥的另一端。
分析
本文选取小位移的静态分析方法，对组合梁桥进行了数值研究，采用牛顿- raphson方法作为非线性求解器。使用自动时间步进来增加负载。
图5所示。提出的有限元模型的材料破坏面和应力应变关系。
图6所示。连续桥梁模型的假定边界条件(田纳西场试验)
在混凝土构件开裂时力判据的收敛失效(Wolanski 2004)，只有位移判据，参考和公差值分别为5和0.05，在本研究中实现了在每个子步结束时控制收敛。
讨论的结果
提出了建模方法，并给出了在分析中观察到的系统行为的后续描述。这些特性对于理解在服务区域之外的组合钢梁桥的预期响应是至关重要的，特别是对于未来的
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