Stiffness Behavior of Cross Frames in Steel Bridge Systems

Abstract

Cross frames are critical structural elements in both straight and horizontally curved steel bridges. In order to properly size the brace for the strength and stiffness demands of the superstructure, an accurate model of the elements comprising the cross frame is required. Conventional details most commonly used for cross frames consist of single-angle members connected to form a truss system linking adjacent girders together. Most analyses of the bridges treat the cross frames as truss elements that primarily resist applied forces through the axial stiffness of the members. This paper documents the results of a research study that included full-scale laboratory tests to measure the stiffness and strength of cross frames utilizing both conventional and new details. The tests showed that analytical solutions, as well as computer models, that are routinely used to model the cross frames in analysis software can overestimate the in-plane stiffness of the brace by more than 100%. The primary reason for the discrepancy in the stiffness models was identified to be connection eccentricities that exist in cross frames comprised of single-angle members welded to a gusset plate through only one leg of the angle. Overestimating the stiffness of the braces during construction can lead to unsafe conditions, as well as errors in the geometry of the constructed bridge, resulting from underpredictions of deformations during concrete placement. Extensive parametric analyses were carried out using validated finite-element models to develop correction factors that can be applied to analytical and computer models to significantly improve the accuracy of the simplified models that are used for the cross-frame systems. The correction factors allow a designer to utilize a computationally efficient model for the cross frame while also including the reduction in stiffness that is caused by connection eccentricities.

Introduction

Cross frames are critical structural elements for both the constructability and safety of steel bridge systems. The critical stage for the design of cross frames usually occurs during construction when the full weight of the concrete deck acts on the noncomposite steel section and the braces must restrain the girders from lateral displacement and rotation. In straight bridge systems, the braces improve the lateral-torsional buckling resistance of the girders by reducing the unbraced length. In horizontally curved bridges, the braces are primary structural elements for controlling deformations by engaging adjacent girders to act as a system to resist the potentially large torques caused by the curved geometry of the bridge. Once a bridge is constructed, the cross frames help to transfer lateral loads from sources such as wind and to distribute vertical live loads from traffic among adjacent girders. From a stability perspective, the cross frames must satisfy strength and stiffness requirements to provide an effective brace (Winter 1958). In curved systems, an accurate model of the stiffness of the cross frames is important for determining the required member strength of each brace element and for predicting the fabricated profile of the girder systems to meet camber and cross-slope requirements.

Most steel girder bridges make use of cross frames comprised of single-angle members primarily in the X-type and K-type layouts as shown in Figs. 1(a and b) (TxDOT 2006). Another layout that was investigated as part of the research study documented in this paper is the Z-type cross frame shown in Fig. 1(c), which contains a single diagonal (Wang 2013; Battistini 2014). To be an effective brace, the single-diagonal cross-frame member must be able to transmit significant compression or tension loads; thus, larger diagonal members were provided that employed concentric connections. As is shown later in the paper, the concentric connections provided valuable insight into the fundamental behavior of the cross-frame system when compared with conventional cross frames with eccentric connections.

Fig. 1. (a) X-type cross frame; (b) K-type cross frame; (c) Z-type cross frame

Historically, the AASHTO Standard Bridge Design Specifications limited the spacing of cross frames on straight steel bridges to 7.62 m (25 ft). However, the AASHTO LRFD Specifications eliminated the spacing limit and instead allow a rational analysis to be performed to determine the cross-frame spacing, thereby permitting longer distances between braces (AASHTO 2012). A major advantage of this clause is the potential cost savings obtained from reducing the number of cross-frame lines in the completed bridge. Use of fewer cross-frame lines is beneficial in reducing both fabrication and erection costs and may result in fewer fatigue sensitive details on the bridge. However, as analysis techniques become more advanced and bridges become increasingly slender and efficient, it is imperative to fully understand the behavior of the cross-frame systems used and to verify that the braces are providing the restraint necessary to obtain safe structures. Proper modeling of the braces is also important to maintain the quality of the constructed bridge with respect to camber and cross-slope.

In straight bridge systems, improving the

全文共31626字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

钢桥系统中交叉框架的刚度行为

摘要

横梁是直线和水平弯曲的钢桥梁中的关键结构元件。为了对上部结构的强度和刚度要求适当地调整支架尺寸，需要包括十字框架的元件的精确模型。最常用于交叉架的传统细节由连接到形成将相邻的大梁连接在一起的桁架系统连接的单角构件组成。桥的大多数分析将十字框架视为主要通过构件的轴向刚度抵抗施加的力的桁架元件。本文介绍了一项研究结果，其中包括全面的实验室测试，以利用常规和新的细节来测量横梁的刚度和强度。测试表明，常规用于对分析软件中的交叉框架进行建模的分析解决方案以及计算机模型可能会将支架的平面内刚度过高估计超过100％。刚度模型中出现差异的主要原因被认为是连接偏心，其存在于通过仅一个角度焊接到角撑板的单角构件构成的交叉框架中。在施工期间高估支柱的刚度可能导致不安全的条件以及由于混凝土浇筑过程中的变形不足而造成的桥梁几何形状的错误。使用验证的有限元模型进行广泛的参数分析，以开发可应用于分析和计算机模型的校正因子，以显着提高用于跨帧系统的简化模型的准确性。校正因子允许设计人员利用计算上有效的模型进行交叉框架，同时还包括由连接偏心引起的刚度的降低。

介绍

横梁是钢桥系统的可构造性和安全性的关键结构要素。跨框架设计的关键阶段通常在施工期间发生，当混凝土板的全部重量作用在非复合钢部分上时，支架必须限制桁材横向位移和旋转。在直桥系统中，支架通过减小无支撑长度来改善梁的横向扭转抗屈曲性。在水平弯曲的桥梁中，支架是用于通过接合相邻的梁来控制变形的主要结构元件，以用作抵抗由桥的弯曲几何形状引起的潜在的大扭矩的系统。一旦构建了一座桥梁，交叉框架有助于从诸如风之类的来源传递横向载荷，并且在相邻的大梁之间分配来自交通的垂直活载荷。从稳定性的角度来看，交叉框架必须满足强度和刚度要求才能提供有效的支撑（Winter 1958）。在弯曲系统中，十字架的刚度的精确模型对于确定每个支撑元件的所需构件强度以及用于预测大梁系统的制造轮廓以满足弧度和横坡要求是重要的。

大多数钢梁桥梁主要采用X型和K型布置的单角构件构成的交叉框架，如图1和2所示。 1（a和b）（TxDOT 2006）。作为本文研究的一部分进行了调查的另一种布局是图1所示的Z型交叉框架。 1（c），其中包含单个对角线（Wang 2013; Battistini 2014）。为了成为有效的支架，单斜对角的横梁构件必须能够传递显着的压缩或张力载荷;因此，提供了采用同心连接的较大的对角构件。如本文稍后所示，与具有偏心连接的常规横梁相比，同心连接提供了对跨框架系统的基本特性的有价值的了解。

历史上，AASHTO标准桥设计规范将直钢桥架上的交叉框架的间距限制在7.62米（25英尺）。然而，AASHTO LRFD规格消除了间距限制，而是允许进行合理的分析来确定跨框架间距，从而允许在大括号之间更长的距离（AASHTO 2012）。该条款的主要优点在于通过减少已完成的桥梁中的跨帧线路数量可以节省成本。使用较少的跨框线有利于降低制造和架设成本，并可能导致桥上疲劳敏感细节较少。然而，随着分析技术越来越先进，桥梁变得越来越细长和高效，必须充分了解跨框架系统的行为使用并验证大括号提供了获得安全结构所必需的限制。大括号的正确建模对于保持桥梁相对于弯度和斜坡的质量也很重要。

在直桥系统中，提高大括号之间较大间距的桥梁系统的效率可能会带来问题，因为在许多情况下桥梁所有者经常采用跨框架的典型细节，而不是特别地调整大括号以满足足够的稳定性支撑的要求。如前所述，足够的稳定性支撑必须满足强度和刚度要求以提供有效的支撑（Winter 1958）。确定支架必需的强度和刚度的分析必须包括反映瑕疵对支撑力的影响的二阶（大位移）分析。代替二阶分析，已经开发了用于稳定性支撑的刚度和强度要求的解析表达式，其反映了缺陷和二次效应的影响（Helwig和Yura 2012）。这些分析解决方案是从具有可能在实践中发生的缺陷的关键形状和分布的系统的参数计算研究中开发的。

在水平弯梁大梁系统中，设计人员通常可以通过计算机分析获得施工期间和完井桥梁中发生的支柱力和梁变形的估计。虽然分析通常不包括二阶效应，但反映了来自桥梁的水平几何形状的扭转的影响，并且获得了设计支撑力。然而，所使用的分析的细节从简单的格架模型到桥梁系统的更健壮的三维模型广泛变化。在格栅模型中，使用简单的线（梁）元件来表示桁架和大括号。与格架模型相比，三维有限元模型提供了大梁横截面的更详细的表示，并且支架通常由表示交叉框架的各个部件的桁架元件建模。因此，即使桥梁最健壮的三维模型通常也包括支撑系统的简化模型。虽然在格栅和大多数三维模型中的共同支撑模型在计算上是有效的，但是这些简化的支撑模型可以严格地高估括号的刚度，如本文所述的研究研究中所观察到的。

本文分为五个部分。在介绍之后，对过去关于支撑行为的研究进行了回顾，其中概述了为预测各种跨框架系统的刚度而开发的有效稳定性支撑和分析解决方案的刚度要求。提出了对各种交叉框架进行全面测试的结果，展示了大括号的基本行为，并将其与包括用于跨框架的简化桁架模型和使用壳单元的交叉框架的三维模型的计算机模型进行了比较。计算机模型和实验室测试之间的比较突出了商业设计软件中跨框架频繁使用的计算效率模型的缺点以及分析开发的表达式。来自实验室测试的测量结果也为验证交叉框架的三维模型提供了有价值的数据，从而可以进行广泛的参数分析。使用参数研究的结果来开发可用于商业计算机程序中使用的交叉框架的简化模型的校正因子。最后，总结了研究的主要结果和结论。

I型梁系统的扭力支撑

桥梁的横向扭转屈曲的关键阶段通常发生在桥梁的施工过程中，单独的非复合钢梁必须支撑湿混凝土和其他施工荷载的重量。从稳定性的角度来看，可以通过防止压缩凸缘（横向支撑）的横向运动或通过限制横截面的扭转（扭力支架）来实现梁的有效支撑。钢桥梁中最常见的支撑形式包括被分类为扭转支架的十字架。

Taylor和Ojalvo（1966）开发了一种用于评估具有连续扭转约束和均匀力矩载荷的双对称梁的屈曲能力的解决方案。 Yura（2001）扩展了解决方案，使其适用于具有力矩梯度，顶部法兰加载和横截面变形的离散支撑梁。该解决方案适用于单对称或双对称部分，由以下表达式给出：

（1）MCR = Cbu2M02 Cbb2beta;Tmacr;macr;macr;macr;EIeffCT--------------------radic;le;My或MbpMcr = Cbu2M02 Cbb2beta;Tmacr;EIeffCTle;My或Mbp的其中beta;Tmacr;macr;macr;beta;Tmacr;是等效有效的连续扭转支撑刚度

（2）beta;T=beta;TnLbeta;Tmacr;=beta;TnL

在以前的一些研究中已经研究了扭转支撑系统（beta;T）的总刚度，并在Battistini（2009）中总结了如下表达式：

（3）1beta;T=1beta;b 1beta;sec 1beta;g 1beta;conn1beta;T=1beta;b 1beta;sec 1beta;g 1beta;conn

Yura（2001）给出了beta;b，beta;sec和beta;g的表达。 Quadrato（2010）报道了beta;conn的测定。要注意的是，由交叉框架beta;T提供的总扭转支撑刚度与单个部件beta;b，beta;sec，beta;g和beta;conn的刚度之间的关系遵循串联的弹簧的行为。因此，beta;T总是小于任何一个部件的最低刚度。因为大多数交叉框架几乎是大梁的全深度，所以beta;秒项非常大，对系统刚度影响不大。桁架beta;g的平面内刚度通常在设计中不被考虑，并且通常相对较大，除了双梁大梁系统外，如Yura等人所讨论的。最后，大多数设计师目前没有考虑连接刚度的影响，因为这个术语对于连接可能给系统带来显着灵活性的特殊情况是必需的。连接的刚度最常见的是在带有偏斜支撑的桥上的支架中，当支架平行于歪斜角度时，有时使用弯曲板。然而，即使对于具有倾斜支撑的桥梁，AASHTO指南也要求大括号垂直于大梁，以使倾斜角大于20°。对于垂直于大梁线的支撑的常规情况，连接的刚度通常相对较大。因此，支配大多数桥梁的系统刚度的刚度分量是面内交叉框架刚度项beta;b。因此，这个刚度项的误差可能导致计算出的总扭转支架刚度的非常显着的误差，并在本研究中突出显示。

AISC（2010）规范为扭转支撑系统的刚度和强度提供了有效的稳定支撑要求。 刚度要求基于公式 （1） - （3），并在规范的评注中更详细地讨论。 在弯梁系统中，交叉框架中的力可以用手解决方案来估计，例如Peollet（1987）讨论的V-Load方法。 然而，在现代设计中更常见的是使用商业软件来分析弯曲梁系统以直接估计将发生的力和变形。

不管交叉框架是使用手动方案设计还是在计算机分析中进行建模，对于跨框架构件力的准确解决方案高度依赖于对跨框架系统beta;b的刚度的良好估计。 以下部分概述了用于各种跨框架系统的常用刚度模型。

跨框架刚度和强度

横梁是稳定钢桥梁的有效手段，因为支架具有大量的平面内刚度。 在相邻的横梁横截面旋转时出现的变形，无论是由于在水平弯曲的大梁系统中的大梁弯曲或扭转变形，都在图中示出。2A。 由于十字框架向大梁系统提供恢复力矩，所以十字架上施加的力由施加在十字架两侧的相等和相反的力矩M组成。 十字框架上的对应力可以被理想化为其中Fhb = M的力对，其中hb是十字架的深度（支架高度），F是施加的对中的力。 通过理想化十字架作为搁置在简单支架上的桁架，可以从平衡中解决横梁中的力的分布，结果如图1和图2所示。

由于大梁弯曲或大梁扭曲而产生的跨框架力和变形：（a）大梁和跨框架系统; （b）X框; （c）K框架; （d）Z框

使用桁架类比，可以通过将扭矩约束力矩M除以在支架处的相应的大梁旋转theta;（如给定）来找到作为梁的扭转支撑的跨框架系统的平面内刚度在等式（4）。

（4）beta;B=Mtheta;=Fhbtheta;beta;b=Mtheta;=Fhbtheta;

X框架，K框架和Z框架系统的结果刚度如下（Helwig和Yura 2012）：

（5）对于X型交叉帧：beta;B= AcES2hb2Lc3For X型交叉帧：beta;B= AcES2hb2Lc3

（6）对于K型横帧：beta;B= 2ES2hb28Lc3Ac S3AhFor K型横帧：beta;B= 2ES2hb28Lc3Ac S3Ah

（7）为Z型横帧：beta;B= ES2hb22Lc3Ac S3AhFor Z型横帧：beta;B= ES2hb22Lc3Ac S3Ah

如前所述，常规的X框架和K框架通常使用钢角部分制造。虽然WT部分由一些桥梁所有者使用，但本研究集中在单角成员，因为这是更广泛使用的成员。这些角度仅沿着一条腿连接到横向框架角撑板，导致偏心连接。由于连接板中的力相对于角部分的重心的偏心，横框架构件中可能会发生大量的弯曲。公式。 （5） - （7）以及利用桁架或其他线元件进行跨框架构件的任何计算机分析，都假定由连接偏心引起的弯曲变形对横框刚度没有显着的影响。

大型跨框架刚度和强度试验

测试设置和过程

为了复制交叉框架中引起的力从屈曲或扭转变形，如图1所示。 2，在德克萨斯大学奥斯丁分校的弗格森结构工程实验室进行了大规模测试。为了便于测试，在水平面上测试了十字架。设置如图1所示。 3，采用三个液压拉伸压缩执行器和三个反作用支柱。致动器由标有F的箭头表示，反应支柱用标有R的箭头表示。装载系统配置有Edison负载维持器，以便将相等和相反的力对施加到十字架类似于图1所示的力。 2.负载维护人员允许研究人员改变每个执行机构的液压压力，以确保每个执行机构施加相等的力。执行器和反作用支柱连接到两个W760times;134（W30times;90）梁，模拟通过十字架连接的两个相邻梁的刚性横截面。每个W760times;134（W30times;90）通过开槽孔锚固在地板上，并被支撑在特氟龙上，以最小化载荷梁与滑动面之间的摩擦力。利用开槽孔，致动器可以在模拟的横梁横截面上施加必要的旋转，而压紧确保了十字架装载在它们的平面上。 W760times;134（W30times;90）梁在横梁连接点处也加固，以形成一个相对刚性的载荷框架，以便于隔离十字架中的变形。将横框架样品安装在两侧的WT230times;53（WT9times;35.5）构件上，杆厚度为12.6mm（0.495in。），以模拟典型的12.7mm（0.50英寸）厚度的横截面，通常用于桥梁应用的框架连接板。为了加速切换横梁的试样，将WT部分用​​螺栓固定在每个端部的测试框架构件上，使用13套直径为152.4毫米（6英寸）的直径为152.4毫米（6英寸）的A325 22.2毫米（7/8英寸）十字架的深度。每套螺栓由WT杆两侧的一个螺栓组成，每个连接到模拟梁横截面总共有26个螺栓。图。图4示出从测试框架系统的上方的视图，其中WT连接被示出在螺栓连接到测试框架的两侧。

使用称重传感器监测执行器中的力。此外，将应变计施加到反应支柱上。在跨架刚度测试之前，将支柱在单轴测试机中进行负载测试，以获得校准曲线，以将支柱中的力与测量的应变相关联。使用称重传感器和支柱读数来计算施加在十字架两端的力矩M。为了测量交叉框架的旋转，theta;线性电位器位于十字架的拐角和中间高度处，如图1所示。图5（a）。角度theta;，如图1所示。 2，由公式（4）由于测试设置必须略作修改。图。 5（b）显示了测试设置以及测试设置如何在施加的负载下变形。由于在测试设置中执行的边界条件，在载荷梁的初级旋转theta;x中增加了一个旋转theta;y。因此，测试的交叉框架的旋转被确定为

（8）theta;=theta;X theta;ytheta;=theta;X theta;Y

然后使用方程式中给出的基本表达式确定交叉帧的实验测量刚度。（4） Wang（2013）提供了测试设置，测量技术和样品几何的附加细节。除了监测所施加的力之外，将应变计安装到十字架的角度，并且使用在先前研究中成功的数字回归技术（Helwig和Fan 2000）来计算角度中的内力并且被验证在此前的小型连接测试项目（Battistini 2014）中。

大型刚度试验研究了六种不同的交叉框架类型：单角构件X型十

全文共8801字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[143261]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word