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中短跨度桥梁替代混凝土桥梁上部结构体系的研制
作者：Fatmir Menkulasi（美国密歇根州韦恩州立大学土木与环境工程学院） Dinesha Kuruppuarachchi（美国路易斯安那理工大学土木工程系，美国拉斯顿，71272）
关键词：混凝土桥梁，中短跨度桥梁，预应力混凝土，浅深
摘要：摘要介绍了两种新型的短、中跨桥梁上部结构体系。所研究的系统包括相邻的预制混凝土梁有和没有混凝土拌料。与传统的相邻箱梁和装饰球座进行了比较，系统的跨度范围从24.4米到45.7米。结果表明，所提出的系统中混凝土浇注料（PS2）的特征相较于相邻的箱梁系统更轻，需要更少的钢筋，提供了更浅的上层建筑的深度，以及显示出了对于跨度在24.4米到30.5米的桥梁所需的较低的拱度。PS2解决了相邻箱梁系统的反射裂缝问题，将纵向连接的位置转移到底部法兰连接上，远离交通荷载。该系统的特点是比不打顶（PS4）的双层球系统稍重，但具有较浅的上层结构深度，需要较少的钢筋，并具有低的活载挠度和拱度。由于两个腹板支撑提供的跨度较小，因此PS4中的横向弯矩需求与甲板球管三通系统相比有所降低。对于PS2和PS4的活载分布因子（LLDF）可以使用AASHTO关于相邻盒子和甲板灯泡三通系统的规定进行保守估计。
1.介绍
在有严格净空要求的城市中具有较浅基础的桥梁结构有着很大的需求。例如包括建设跨越以建成高速公路的桥，或者跨越各种水域的桥。这些多箱梁和球形支座对提供浅基础桥梁有着特殊的定位，其跨度范围从24.4米到45.7米，甚至球形支座系统最大的跨度可以达到51.8米。对于跨度短于18.3米的空心板多杆和双杆系统提供更浅的超结构深度。跨度大于45.7米的桥梁接近球座系统的上限。
多箱梁结构是非常有效的，因为它们充分利用了几个彼此相邻的结构部件的强度和刚度这个桥系统的一个显着特点是他们提供了一个工作平台来放置混凝土浇头或其他类型的覆盖，这是需要提供一个平滑的行驶表面。然而，多箱梁结构已经出现了与反射裂缝相关的问题，这是由于相邻的预制构件之间的链接失败而发生的。在抵抗剪切力时母剪式剪切键通常在这些系统中可以提供一个有效的机制，但当键合接头受到横向弯矩约束时，唯一的抵抗机制是主要是剪切键中的水泥浆之间的拉伸粘结和预制混凝土。横向张拉有助于抵抗横向弯矩，但这一操作需要在实地实行，而且和加快桥梁施工的观念相违背。Huckelbridge等人在箱型梁桥上进行了多次试验来调查剪切建的性能和得出的结论是所有测试的桥梁至少在一些节点处都呈现出相对位移，这表明剪切断裂的关键。Miller等人在相邻的箱梁之间进行了多次剪切建的全面测试，并得出了热应力有时会造成剪切建在施加任何荷载之前会开裂的结论。此外，剪切键更接近中性轴的细节比剪切键更接近顶面的细节更好。
导致反射裂缝的原因之一是在受到诸如车辆负载的集中载荷时桥的横向弯曲。El-Remaily等人，Badwan和梁以及Hanna等提出了格栅分析方法，以量化解决由桥梁横向弯曲引起的反射裂缝问题所需的后张力量。此外，还进行了多项参数研究，以研究各种参数对所需横向后张力量的影响，如：桥宽，梁深度，跨深比和倾斜角。 如前所述，虽然横向后张法有助于降低桥梁横向弯曲造成的剪力键中的拉应力，但它也违背了加速桥梁施工的概念，并且需要专业承包商。
甲板球形三通是另一种上层建筑系统，其特点是相邻预制构件适用于严格垂直间距要求的场地。这种上层建筑系统的使用加速了施工，省去了安装现浇桥面的需要，因为桥面是预制梁的一个组成部分。尽管这种桥梁系统提供了好处，但由于担心纵向接头的性能，它在美国的使用受到限制。斯坦顿和马托克和马丁和奥斯本报道了在球形支座系统中出现的问题，其特征在于纵向接头只能传递剪切力。在这些情况下的纵向连接具有离散的钢板连接或部分深度连续剪切键。Oesterle等人 和Frenchet等人研究了新的纵向连接类型，并论证了在全深度连接的现场浇注混凝土中可以通过在纵向连接上同时传递剪切力和力矩来模拟整体动作。从稳定性的角度来看，球型支座系统有利于端部或中间横膈膜的安装，使得与纵向连接有关的工作可以在更稳定的平台上进行。
该项目的目标是开发用于短跨桥梁的替代混凝土桥梁上部结构系统，这种结构轻量、抗弯和剪切效率高，可用于具有严格垂直净空要求的场地，同时可以通过不需要现场安装的模板来加快施工速度。研究了两种新型桥梁系统。这两个系统的目的是提供有竞争力的替代传统的箱型梁和甲板球形三通系统，因此在结构效率方与之相比跨度从24.4米到45.7米不等。选择24.4米至45.7米的跨度范围是因为箱型梁和甲板球形三通系统具有独特的功能，可为该跨度范围提供浅层超结构深度。虽然拟议的系统可用于低至60英尺和长于150英尺的跨度，但工作范围仅限于传统多箱梁和甲板球三通系统最常用的跨度配置。
2.方法
上文提出了两种新的桥梁上部结构系统用于跨度从24.4米到45.7米不等的短跨和中跨桥梁。所研究的系统由预制的多箱型混凝土梁组成。所提出的系统与传统的多箱梁和甲板球形三通系统在高跨比，重量，股数，活载偏差和外倾角方面进行了比较。为了与传统系统相比较，使用三维有限元分析计算所有系统的活载分布因子（LLDF）。然后将这些活载分配系统用于桥梁上部结构的重力荷载结构设计。桥梁上部结构的分析和设计是基于AASHTO LFRD规范[14]，使用Mathcad [15]，Conspan [16]和Abaqus [17]等数学和分析软件的组合进行的。为了确保所提出的桥梁系统符合AASHTO LFRD规范[14]，实施了弯曲应力，弯曲强度，抗剪强度和挠度检查。
对于每个跨度长度，传统系统的上层结构的深度是通过PCI桥设计手册[1]中的设计辅助工具选择的。所提出的系统的上部结构高度保持不变，以便在重量、股数、活荷载挠度和拱度方面进行比较。
下一步是确定如果使用由有限元分析计算得到的弯矩的LLDF而不是基于AASHTO LFRD规范计算的那些矩阵，那么传统系统的上层结构高度将会变低多少。这个信息在决定一个效益的大小时是有用的，它可以更精确地计算活载分布因素，从而提供一个更浅的超结构深度。一旦获得了传统系统最浅的超结构深度，设计的系统就能保持同样的深度，并在重量和所需的链数上进行比较。
最后的比较是确定所提议的系统是否能够提供一个较浅的超结构深度，而不是传统系统所获得的绝对最小值。所提出的系统的上层结构深度比传统系统的绝对最小值浅51mm，并确定了所需数量的股线。由于主要目标是证明所提议的系统与传统的系统具有竞争性，因此确定拟议系统的给定跨度的绝对最小超结构深度超出了工作范围。
由于所提出的系统具有沿纵向节点的离散或连续的连接，因此量化这些连接所受的力是很重要的。因此，由于桥梁的横向弯曲而产生的张力和弯曲力矩被量化并列表化，以便它们可以用于这些连接的设计。
3. 拟议桥梁系统的说明
图1示出了所提出的桥上部结构系统的横截面， 一个系统具有混凝土桥面（PS2），而另一个不具有混凝土桥面（PS4）。每个系统的单个预制梁被放大，以便更好地说明。PS2的特点是在底部有较大底座的相邻法兰箱型预制梁，并且通过将纵向连接的位置移向底部远离交通载荷来解决在相邻箱梁系统中表现出的反射裂缝问题。纵向连接位置的这种转变旨在模拟整体作用，而不需要横向后张。此外，在底部预制翼缘的纵向连接位置的移动增加了由于车辆荷载引起的横向弯曲产生的压缩力和拉力之间的力臂。该浇注料浇注料由51毫米厚的预铸混凝土模板支撑，并配以由Chomarat[18]提供的双向碳纤维网(C-grid)加固。c网格是一种由交叉铺设和叠加的碳纤维制成的环氧涂层复合网格[18]。顶部的厚度是152毫米。为PS2设计了一个连续的轴承座。在梁的安装，纵向连接的安装，SIP表格的安装以及现场浇铸顶部的安装过程中，PS2提供了一个相当稳定的平台。
PS4具有类似的预制形状，不同之处在于在顶部提供较大的底座以满足对混凝土浇筑的需要。PS4的纵向连接类似于甲板球形三通系统中使用的纵向连接。与底部法兰的宽度相匹配的离散轴承垫是为PS4设计的。由于底部凸缘的宽度大于甲板灯泡三通系统的宽度，所以预计PS4在安装梁的过程中与甲板灯泡三通系统相比具有更好的稳定性。此外，横向弯矩需求在PS4上翼缘是因为小跨度的网络提供支持而在甲板上球系统的单个网络支持减少。
图1 所提出的桥梁上部结构体系的横截面
PS2与传统的多箱梁系统相比，因为它具有混凝土顶面，而PS4与传统的甲板三角形T形系统相比较，前提是它没有顶部（图2）。所有桥梁的宽度为14.6米，它们被认为代表3车道桥梁。在建议的系统中，单个预制梁的宽度为1.8米。定制的边框箱梁用于支撑PS2中的障碍物和混凝土顶部的边缘。PS4中外梁的法兰可以是锥形的，并且做得更厚，以防止由于使用的屏障的类型而导致屏障重量的任何破裂（图1）。
顶部和底部法兰连接的厚度以及预制梁的腹板厚度为152毫米。顶部系统考虑三个跨度长度，分别为24.4 m，30.5 m和36.6 m，未处理系统考虑四个跨度长度，分别为24.4 m，30.5 m，36.6 m和45.7 m。表1提供了比较研究中包含的桥配置的总结。 表2提供了在所提出的桥梁系统中使用的材料特性的总结。假设混凝土为正常重量，其重量估算的单位重量假定为2400 kg / m3。预制梁和CIP浇筑料在28天的混凝土设计抗压强度分别假定为55MPa和28MPa。假定预制SIP形式在28天时的混凝土设计抗压强度被假定为28MPa。 所有混凝土构件的弹性模量基于AASHTO [14]计算，单位重量为2320 kg / m3。所有的桥梁都被假定为简单支撑两端的单跨桥梁。
所有预应力绞线都是15mm直径的低松弛绞线，等级为1862MPa。预应力钢绞线的弹性模量等于196,508MPa。假设每个截面的重量为3.7 kN / m，预应力损失等于2240 kg / m3。未来磨损表面的厚度等于76毫米。假定非预应力钢筋的屈服应力fy = 420 MPa，除了PS4的上部法兰在横向上的弯曲钢筋，假定为屈服应力fy = 520 MPa的变形钢丝。
假定C网格的应力 - 应变关系为线性弹性，并且基于制造商提供的数据。弹性模量等于234,430MPa，极限拉伸应变为= 0.0099。C形网格中股线的直径为2毫米，股线在横向和纵向上的间距分别为41毫米和46毫米（C50-41*46）。此外，C网格在横向和纵向方向的面积分别为45平方毫米/ m和纵向＝40平方毫米/米。
拟议的系统旨在为结构效率和施工时间方面的传统系统提供有竞争力的替代方案。由于CIP混凝土浇筑的存在，顶部系统与非顶部系统相比需要更长的时间建造，但是没有接头会暴露于交通荷载之下。从加速施工的角度来看，未顶部系统提供了更有吸引力的替代方案，但相邻构件之间的纵向接缝将暴露于交通荷载之下。
顶部传统系统 - 相邻箱梁
Un-topped传统系统 - 甲板球形T恤
传统系统的典型预制梁尺寸
图2 传统桥梁上部结构系统的横截面
4.活载分布因数
使用市售的有限元分析软件Abaqus来计算所有提出的桥梁系统的活载分布因子（LLDF）。为了保持一致，还使用有限元分析计算了传统系统的LLDF。所有与LLDF相关的计算均基于前面描述的单跨三通道桥配置。
表1 桥梁结构中的比较研究总结
表2 所建议的桥梁系统中使用的材料的特性
在所有数值模拟中都使用了具有不兼容模式的三维实体元素（C3D8I）。图3显示了所有调查系统的有限元网格。进行网格敏感性分析以确保所选大小的网格不影响LLDF的大小。所有的数值模拟都是线性弹性的，因为所有被调查的系统都是完全预应力的，并且拉应力不超过允许值。此外，确保由活载引起的横向最大拉应力不超过混凝土的抗拉强度。所有桥梁系统的边界条件都有一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座。这些支撑件位于每根预制梁的端部。有限元模型中使用的材料包括预制梁和浇筑的混凝土。混凝土的弹性模量基于表2中提供的数值。泊松比等于0.2。预应力钢绞线和低碳钢筋未被建模，因为如前所述，所有桥梁系统都是设计不会在服务期间破裂，并且它们对系统的非破裂线性弹性行为的影响可以忽略不计。
图3 所有调查系统的有限元网格
通过将计算的应力与使用欧拉 - 伯努利梁理论获得的应力进行比较来验证所提出的和传统系统在线性弹性范围内。在适用的情况下，所有桥梁系统受到梁和桥面板自重的荷载。将计算得到的顶部和底部应力与使用方程式获得的应力进行比较。 （1）和（2）。此外，将计算的中跨挠度与使用等式（3）。表3列出了这种比较的结果。计算的顶部和底部应力之间的平均比率是1.02。另外，计算和实际的偏差之间的平均比率是1.01。这些结果表明，有限元模型很好地模拟了桥梁系统的线弹性行为。Sharpe [4]用相似的方法来验证相邻箱梁的行为，得出的结论是实体单元和类似的网格尺寸很好地预测了桥梁上部结构的线弹性行为。
式中：
-复合材料截面顶端应力（MPa）
-复合材料截面底端端应力（MPa）
M-自重应力(kN-m)
-从中性轴到截面最顶端的距离
-从中性轴到截面最底端的距离
I-截面惯性矩(mm4 )
n-模块化比例
w-表示梁和甲板自重的均匀分布荷载（kN / m）
-中跨扰度（mm）
E-弹性模量（MPa）
L-跨径（m）
表3 线性弹性模型的验证
LLDFs通过考虑卡车加车道荷载的组合来计算。装载箱包括一个，两个和三个卡车/串联配置。此外，卡
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