箱梁尺寸和桥梁横向坡度在相邻箱室之间引起的应力影响

Rana Mutashar, S.M.ASCE1; Shad Sargand, M.ASCE2; Issam Khoury, M.ASCE3;

and Fouad T. Al Rikabi, S.M.ASCE4

摘要：由单箱室箱梁横向拼接而成箱形梁桥的使用寿命会受到梁内钢筋锈蚀和混凝土剥落的影响或破坏。这种破坏主要是由于水和化学剂通过剪切作用下产生的纵向裂缝渗透造成的。然而，导致箱梁结构渗水和箱梁破坏的可能因素还有两个：不一致的箱梁尺寸和桥梁横向坡度不均匀。目前还没有研究来评估这两种因素在应力上对多箱拼接梁桥的影响。通常情况下，箱形梁上布置横向斜坡以便于排水，这样就沿着相邻梁的底部边缘创建了接触区域。此外，对于尺寸不均匀的梁，即使在梁尺寸公差范围内，相邻梁之间的接触连接也可能在孤立点处产生。在箱梁制造现场进行的测量证实了梁的尺寸不一致。通过建立复合材料和非复合材料单跨斜向多箱拼接梁桥的三维有限元模型，以此来确定在环境荷载作用下接触区产生的应力情况。利用实验温度剖面（均匀且无温度梯度）对有限元模型进行了标定和验证。分析了两种模型；第一个模型表示出了由于排水边坡产生的接触面积，第二个模型使用实际输入数据表示出非均匀梁的尺寸。模型表明，在均匀温度梯度条件下，接触应力在梁长一定位置超过了混凝土设计强度。对于全平面接触的梁，其接触应力要小于混凝土强度。另外分析结果表明，采用钢筋混凝土桥面模型时，接触应力有所降低。并且，斜向几何对接触区应力分布有显著影响。此外，将有限元破坏模式与以往的研究结果进行了比较，发现有限元破坏模式的最大退化部位与以往的研究结果吻合较好。在此基础上，建议在箱梁间距足够的情况下，在施工箱梁桥时，要保证箱梁之间不发生接触；同时也建议制造精度高的箱梁。DOI： 10.1061 /（第3期）cf.1943 -5509.0001226.c2018美国土木工程师协会。

作者关键词：多箱拼接梁桥；热应力；斜交桥；有限元方法；箱梁桥失效。

介绍

多箱拼接梁桥设计在美国、加拿大和日本的桥梁建设中普遍采用，因为它们在经济、施工方便和外观方面具有优势（Attanayake和Aktan 2013；Kim等，2008；罗素2011）。箱形梁桥的建造通常是将预应力箱形梁并排放置，采用横向后张拉来连接各个梁，相邻梁之间采用注浆纵向剪切键。剪切键被设计成一个部分或全高度的腔体，腔体填充了不收缩的灌浆材料（Grace et al. 2012；Naito et al. 2011；罗素2011）。横向后张拉连接横跨的多个梁，并将它们捆绑在一个单元中，这些连接要么是螺纹杆，要么是后张拉连接。桥梁最常用采用部分高度剪力键和横向拉杆（Russell 2011）。在梁系连接和剪切键灌浆之后，通过添加一个薄层沥青，其称为非复合桥，或7.6-15厘米（3-6）的钢筋混凝土层，其称为复合桥（Russell 2011），将行车的表面层放置在桥面板上。剪力键、横向后张拉带和桥面都有助于相邻箱梁之间的荷载传递。桥可以与桥台成直角，也可以成斜角。

箱形梁桥通常工作性能良好，最常见的问题是剪切键因为脱粘、开裂或破碎而退化。针对桥梁在使用寿命中出现的剪力键的退化问题，提出了不同的研究机理。一些研究人员报告说，热应力沿剪切键开始开裂，然后随着时间的推移，由于交通和温度的循环加载开裂而加

图1 钢绞线腐蚀、混凝土剥落、多箱拼接梁桥渗漏（图片由Mead amp; Hunt， Inc.提供）

剧（（Attanayake and Aklan 2013； Dong 2002； Grace et al. 2012； Miller et al. 1999； Russell 2009）。剪力键破坏对荷载传递、桥梁强度、抗剪强度以及桥梁结构的完整性有显著影响；它还会导致桥梁表面裂纹扩展（Huckelbridge et al. 1995； Russell 2011； Yuan and Graybeal 2016）。水和溶解的除冰剂可能会通过裂缝导致混凝土剥落，并且导致预应力筋和拉杆的腐蚀，如图1所示，最终降低桥梁的耐久性。对这种破坏的补救措施是重新灌浆剪切键，并且更换桥面板和梁（Grace et al. 2012）。过去几十年来，对剪力键失效原因的研究主要集中在灌浆材料性能（Ahlborn et al. 2006）、拉杆的数量和受力（El-Remaily et al. 1996）以及剪力键的各种重新设计（Dong et al. 2007； Fu et al. 2011； Miller et al. 1999）。

虽然已经采取了大量的努力，以尽量减少和消除纵向剪切键开裂造成的桥梁退化，但也有可能存在其他因素可以导致箱形梁桥的破坏。有两种可能的因素，一个因素是箱梁以一个轻微的横向角度设置，以从桥梁表面上方便排水，另一个因素是箱梁尺寸的不均匀可能会导致桥梁的退化。目前还没有研究这两个因素对多箱拼接梁桥性能的影响。

图2 相邻箱形梁桥截面，箱形梁数为偶数，混凝土护墙与接触区（圈）成一定角度放置梁，方便排水；湖景驱动桥的细节 （改编自Naito et al. 2011，copy;ASCE）

排水坡度

相邻的箱形梁桥通常由箱形梁建造而成，箱形梁沿外缘并排放置，并设有护墙。图2为带混凝土护墙的箱梁的偶数（8）排列方式；而图3为奇数（7）的钢箱梁。两幅图都展示了箱梁布置的标准做法。仔细检查这些图可以发现，相邻梁的位置并不是完全水平的，而是有一个很小的角度来提供一个斜坡，这样雨水就会从边缘流出。相邻的矩形截面箱梁会沿长度方向在截面的边角上发生接触，特别是在图2和图3中圆圈标记的点上。在这些区域，相邻框梁发生接触，比如底部（图2，中心圆），附近的凸峰（图3），或在顶部边缘的表面是凹最大（图2、左和右圆圈），在这些地方，箱形梁桥梁可能会发生损伤。这就需要采用有限元分析（FEA）对其进行了进一步的研究。

不一致的梁尺寸

由于箱梁制造过程中质量控制不到位使得梁的尺寸不一致，导致相邻梁在某一点接触，在另一点产生间隙，因此可能会发生破坏机理。干溪公路大桥的施工包括以下几个步骤：浇筑层的准备；安装及检查模组工程，注意连接及外部支撑物的水平、长度、对中、稳定性；在设计中指定的位置，模板内钢筋笼的下方；预应力钢束；混凝土底板荷载的布置形式；泡沫空洞和顶部保持架的沉降；混凝土顶部荷载的布置形式；混凝土养护；梁体施加预应力；进入存储配置（与制造工厂人员的面谈）。

桥梁的正常运行取决于精确尺寸梁的正确排列，而精确尺寸梁的排列又取决于工厂生产箱形梁所用模板的正确设计和施工。此外，如前所述，在制造箱形梁钢模时，箱形梁钢模由外部支撑。外部支撑包括支撑和拉杆，如图4所示。这些纽带确保了混凝土的形式，并控制梁的宽度，以抵抗新浇混凝土的侧压力。它们有一个内部张力和一个外部的维持装置。拉杆构件沿梁长分布，间距约为3.05 m （10 ft），混凝土浇筑完成后再进行人工拉紧。手动张紧过程会引起各拉杆件的应力变化。

拉杆杆件应力的变化和杆件之间的距离的变化会引起横向压力阻力的不均匀，从而导致

图3 （a）邻近箱形梁桥的横截面上有奇数根梁柱和带有接触区（圈）的钢栏杆，这些栏杆是将梁柱以一定角度放置以方便排水，干溪公路大桥的横截面细节（尺寸以米为单位）；（b）剪切关键细节（尺寸以厘米为单位）；（c）梁截面（尺寸单位为厘米）

图4 将构件沿箱梁布置

梁横截面轻微变形。梁截面不均匀的其他原因包括箱梁模板尺寸不合适、形状弯曲以及制造时的环境条件。即使在箱梁尺寸公差范围内，无论其原因为何，箱梁尺寸的不一致都会导致相邻梁之间产生接触点，如图5所示。当钢模用于梁的制作时，不一致的梁尺寸会使相邻的梁在底部角处接触，如图5（b）所示。

本次研究利用干溪公路大桥有限元模型，研究了不同环境条件下相邻箱形梁桥在不同接触工况下的接触区应力。

客观的

本研究的目的是通过对美国俄亥俄州舔县格兰维尔的干溪公路大桥进行现场测量和有限元分析，探讨多箱拼接梁桥破坏的替代原因和可能的破坏情况。为研究干溪公路桥梁梁的尺寸不一致问题，在生产现场对干溪公路桥梁梁的尺寸进行了现场测量。建立了三维有限元模型，并利用实验数据验证了该模型在环境荷载作用下的破坏形式。通过对不同箱梁桥型式（组合桥和非组合桥）的参数化研究，对桥的性能进行了综合评价。通过与以往研究结果的比较，验证了多箱拼接梁桥的有限元破坏形式。

图5 由于梁的尺寸不一致，相邻箱梁之间的接触面积（圈）：（a） 沿梁高度方向的接触； （b） 梁角处接触

实验的程序

桥梁几何和细节

干溪公路桥建于2015年，位于美国俄亥俄州舔县格兰维尔，是一座与箱梁桥相邻的单跨预制的预应力混凝土箱梁桥，斜交角度为28°。这座桥由7根预应力箱形梁组成，每根长27.4米（90英尺），宽1.22米（48英寸），高0.84米（33英寸）。梁是由38 12.7毫米（0.5英寸）直径预应力股组成，一股有七根钢束。每根梁的端部位于以斜角平行放置的弹性支承垫片上，梁的纵向钢筋延伸至混凝土桥台，如图6（a）所示。桥面由0.15米（6英寸）厚的钢筋混凝土桥面板和两条4.3米（14英尺）长的行车道组成。相邻箱梁通过部分高度剪切键横向连接，剪切键高为152.4 mm（6英寸），拉杆直径为25 mm（1英寸）。采用不收缩胶凝灌浆法对剪切关键部位进行灌浆。图3为该桥的截面图。由于是倾斜的几何形状，拉杆没有跨越整个桥梁的宽度。每对相邻的箱梁用一根拉杆绑在每个隔板上。桥上分布有5个横隔板，支架上分布有2个横隔板，四分之一跨处分布有2个横隔板，跨中分布有1个横隔板。在每个横隔板的位置，6个长度为2.44米（8英尺）的60级拉杆分布在桥宽处。根据Ohio DOT（2013）《斜交角度大于20°且梁宽1.219 m（4英尺）的桥梁规范》，拉杆与梁轴线垂直错开。桥梁施工时，拉杆端部与尺寸为10.16times;10.16 cm（4times;4 in：）的钢板相连接。拉杆后张拉以限制连接梁。箱形梁与0.016排水坡面对齐布置，中心坡脊在中心梁4处，在图3底部处圈出相应的潜在接触点，也就是梁4与梁3和梁5连接的地方。外部箱梁上安装了钢栏杆。

图6（b）中跨5梁沿纵向高度分布有6对热电偶。这些仪表用于测量桥梁每天的温度变化。如图6（c）所示，在拉杆上安装了9个振动丝应变计，其中4个布置在桥的一端靠近支座，另外5个布置在跨中。应变仪安装在距拉杆端0.61米（2英尺）的箱梁截面中心。将测得的应变用式（1）计算应力

（1）

=计算应力（MPa）；C =振弦修正系数（0.91）；R1、R2 =施加荷载前后应变读数；E =拉杆弹性模量（270，000 MPa） （AASHTO 2012）。

在架设桥梁的过程中，箱形梁安装在弹性支承垫上，并沿横向对齐，形成排水斜坡。观察到梁之间的接触区和间隙区，如图6（d）所示，这可能是是由于梁的校直和尺寸不一致造成的。

有限元模型

利用商业软件Abaqus Version 6.14-2进行了三维有限元分析。有限元模拟的主要目的是评估接触点所产生的应力，验证所提出的箱形梁桥破坏形式。由于建模机理比较复杂，于是采用了Bebawy（2007）对半尺度桥梁进行建模，并且通过Grace等（2012）来验证模拟南山公路桥的方法。

有限元模型包含了实际相邻的预制预应力箱梁干溪公路桥上部结构构件，包括主梁、横隔板、剪力键、拉杆、桥面、配筋细部等材料性能和斜角。图7为桥梁构件的网格。该模型由7根箱梁并排放置，通过纵向剪切键和横向拉杆相互连接。桥面模型为152 mm （6 in.）厚的钢筋混凝土板，如图7（a和b）所示。为了通过减少变形单元的数量并且使用均匀的三次单元来提高分析的准确性，在桥梁模型中开发了多隔墙。

一个8节点的线性简化集成砖单元（C3D8R）用于表示箱形梁、剪力键、横膈板、拉杆和桥面板的网格布置。单梁网格、剪力键网格和拉杆网格如图7（c-e）所示，单元最大尺寸为12.7 cm （5 in.）。建立模型，将箱梁和桥面钢筋（预应力和非预应力）为嵌在桥梁构件内的双节点线性桁架单元（T3D2）内。

如图7（e）所示，作为承重板的钢板被完全粘接在拉杆的两端。拉杆不受周围箱梁混凝土的约束，而钢板完全粘接在箱梁边上。梁之间的横向连接也是通过剪力键实现的。采用摩擦界面模拟剪键与箱梁表面的相互作用。在全粘结条件下，模拟出桥面与梁之间的复合作用。

模型采用了自重、拉杆初始应力和热载荷三种载荷形式。自重作为身体力量值为23.6 kN/m3 （0.0868 lb/in3）。

图6 干溪公路桥结构景观：（a）整体桥台；（b）束内热电偶分布；（c）拉杆式仪表，应变计编号以矩形显示；以及（d）相邻箱梁之间的接触区和间隙区

图7 干溪公路大桥模型：（a）平面图；（b）截面；（c）箱梁和隔板；（d）剪力键；（e）拉杆

用式（1）计算的与初始加载步长有关的应力作为拉杆的初始应力。所施加的热负荷包括AASHTO（2012）中规定的均匀温度和温度梯度。

材料建模

采用线性弹性行为对混凝土材料、钢筋、拉杆和钢绞线进行建模。这种行为是根据弹性模量和泊松比来定义的。预应力筋和拉杆的弹性模量分别为196.5和20

英语原文共 16 页

资料编号：[3786]