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对在小跨度桥梁中使用折板梁系的实验与数据评价——案例分析
——Yaohua Deng , Brent M. Phares, Owen W. Steffens桥梁建筑中心，运输协会，爱荷华州大学研究院区，等
摘要
桥的拥有者和设计师们一直关注桥梁的设计，而管理部门和维修部门从没停下过寻找更有效的设计、构造以及控制造价的方法的脚步。最近，一种叫做折板梁系的建筑方式，作为一种高性价比的桥梁上部结构设计方式正越来越受到大家的青睐，这是出于它的价格低以及对桥梁建造有帮助作用的优点。折板梁系的结构形状是由单层钢板组成的战略上的折弯机，并且它能通过在桥面中间使用剪力壁骨达到组合效应值。为了更更广泛地推广和促进桥梁应用系统的发展和适用性，这篇文章通过实验和数据程序得出的对折板梁系的表现做了一个系统性的评价。为此，我们设计、制造并测试了一个折板梁的样品来评价它的可构造性和性能。我们可以用有限元分析法来理解在不同荷载作用下梁样品的表现。我们用由传统设计计算法得出的预测结果与有限元分析法得出的测试结果进行了比较。在有限元模型被证实与测试数据相反之后，我们建立了一个完整的桥梁模型来更加深度地研究在荷载情况达到极限荷载时桥梁的表现。我们发现在桥的梁的极限承载能力比按照要求造的桥的要高得多，并且桥在破坏前的延展性非常好。用依据AASHTO LRFD桥梁设计规范中提供的计算方法得出的预测结果也证实了测试结果。有限元模型在众多复杂模型技术和材料构成模型中展示了更准确的预测结果。复杂非线性桥梁模型得出的结果表明了梁的分步系数会随着车辆荷载的升高而变化，并且很明显的他们的变化趋势在钢梁屈服后逐渐趋于平稳。根据有限元法的结果可知，AASHTO LRFD 桥梁设计规范提供的分步系数足够用来设计这篇文章中研究的折板梁桥。
1.介绍
桥梁的拥有者和设计者致力于桥梁设计的同时，管理部门和维修部门也没有停下过寻找更有效的设计、构造和控制造价的方法的脚步。在过去，钢桥作为最常见的类型，一直以来是由同时由辊压钢梁和焊接钢梁组成的上部结构构成。最近，一种相对新颖的概念开始越来越作为一种高性价比的小跨度桥梁上部结构建造方式而受到青睐，它是由折板梁系组成的。折板梁系统的构造形状是标准宽单层钢板组成的战略上的折弯机。这个系统也通常被叫做折弯钢梁。折板梁系由于以下几点被认为是一个很有潜力的高性价比系统：（1）相对于钢板更低廉的价格；（2）最小限度的钢材切割和焊接带来的费用节省；（3）组合桥面的装配设备和简单的现场安装过程也就是模块化装配，不再需要外部的支撑或交叉架带来建造费用和劳动力的减少，以及助力桥梁建造的长远发展。但是折板梁系的内部由于是有限的封闭空间，我们无法见到。所以我们推荐使用耐候钢或者全密封的梁内部来减少质检问题和维修问题。
折板梁系的设计要追溯到1979年，当时Taly提出了两种类似的系统：一个是按照钢板和钢板层组合抗压的梯形U截面，它是由一个钢板和一个纵向与横向焊接的WT截面组成；另一个是由梯形U截面和一个预应力混凝土桥面组成，并焊接和嵌入钉板来达到组合应力值。最近，越来越多的研究者开始研究不同折板梁系的表现情况了。中村发现了一种由连续U截面梁和与剪力螺栓连接的加强混凝土桥面组成的桥系，它可以同时应用在积极和消极的弯矩区。Burgueno致力于证实灌注和后张法预制构件的概念来算出加速度桥结构。Glaser和Burner提出的折板梁则有一个倒转U截面并拥有方便观察的开放的底部、横穿开放的预防底部翼缘分离的带状板、与大梁组合受力的混凝土桥面。Barth et al提出了一个由管梁、加强的混凝土桥面板、剪力螺栓、内部隔膜组成的模块化折弯机。他们提供了一个参数研究来得出一个最优的梁设计方案并且也提供了持续的实验和预测工作来评测折板梁系。
为了进一步促进小体积通路折板梁系的开发和适应应用程序，布坎南郡在爱荷华州计划利用折叠板梁系统构建桥梁上部结构这是支持土工合成土（GRS）基台。 爱荷华州立大学桥梁工程中心通过表演协助评估桥梁系统评估。
本文的目的是提供一个系统的折板梁系的性能评估详细的实验和数值程序。 首先，由三个结构测试组成的实验程序是实施评估的可构建性和梁系统的能力。 进行有限元（FE）分析来解释测试结果，并进一步了解其行为不同施工阶段和装载条件下的大梁系统。 使用两种设计计算得到的分析结果和FE分析与测试结果进行比较。 另外，使用改进的FE进行在各种负载条件下尚未构建的桥梁的数值研究建模技术。 最后一部分展示这本次研究的概况和结论。
2.研究的意义
折板梁系是一种相对较新型的梁系统，而且在美国很少用于实际的桥梁建设。 理论上讲，AASHTO LRFD桥设计规范中的传统设计方法指出[7]可以利用折板梁系来设计桥梁。 然而，正在服役的大梁系统的性能和极限载荷条件在大范围投入使用之前仍需进一步评估。 在这项研究中，实验进行了测试以提供关于如何的定性数据系统的行为以及用于验证充足性的数据的常规设计方法和建立的有限元模型。利用验证的有限元建模技术进一步研究尚未建成的桥梁的性能，并评估编制设计参数（例如横向荷载）的充分性负载分配系数。
3.实验程序
我们在爱荷华州立大学结构工程实验室设计并运行了一个实验程序，用来评估不同装载阶段和条件下折板梁系的性能。 我们还基于在爱荷华州布坎南县的尚未建成的桥梁的平面图纸设计并制造了单个折板梁试样。 我们对三组梁试样进行了关于其施工，服务和最终荷载条件的单独试验。
3.1.样品设计和制造
折板梁样本的设计根据是要使用在如图1所示的有横截面的未建成的桥梁的梁模块指定的细节。 简支的桥梁宽度为9.14米（30英尺），跨度为15.85米（52英尺），并可容纳两个设计车道。 桥梁有五个复合梁模块（由折板梁和混凝土甲板组成）和允许横向载荷分布在梁间的四个在板之间的纵向接头。 纵向接头将在模块一排排放好后被放置在模块之间。梁模块的设计是按照AASHTO的LRFD桥设计规范[7]进行的。空载下工作弯矩，受作用下最终弯矩，受作用下最终剪力，这些代表桥梁的数据，我们通过计算得出为1265 kN m（933 kip-ft），1965 kN m（1449 kip-ft）和627 kN（141 kips）。
图1.在建桥梁的横截面
复合折板梁试样的最终设计如图2所示。 试样由宽度为1.83米（6英尺），深度为216毫米（8.5英寸）的桥面板和由厚度为12.7毫米（0.5英寸）的钢板冷加工成的折板钢梁组成。 梁的具体尺寸和混凝土加固细节如图2（a）所示。 布置剪力螺栓，横向间隔88.9毫米（3.5英寸），纵向间隔为203毫米（8英寸），从每端到4.26米（14英尺），从4.26米（14英尺）到中跨的间距为305毫米（12英寸），如图 2（b）所示。 端部隔膜和支撑隔膜分别位于两端和中跨，如图 2（b）和（c）所示。
图2（a）.横截面
图2（b）.立面图
图2（c）.尺寸
图2.折板梁试验样品的详细数据
折板梁试样的以标准厚度单钢板开始制造。我们使用大容量的压制机冷加工钢板来实现所需的弯曲半径。本研究评估的折板梁试样受压弯后的折叠顺序在图3中显示，剪力螺栓被焊接在了梁的顶部翼缘，混凝土也变了形，如图 4（a）所示。然后安装甲板加固件，如图4（b）所示。然后将混凝土板放置在梁顶部来完成复合折板梁的制造，如图4（c）所示。去除模板后完整的样品如图4（d）所示。
图3.板的受弯过程
图4（a）.剪力螺栓
图4（b）.模板和支护
图4（c）.混凝土浇筑
图4（d）.完整的试验样品
图4.样品制作过程
3.2实验A——施工负荷
没有板的梁样本是在双线弯曲加载下进行测试的，来检查折板梁系统的水平作用，并预先完成有板的复合梁的测试。为模拟施工过程中的冲击荷载以及将梁破坏的几率控制在最小，此试验期间施加的荷载最大值被限制在两倍的梁自重。我们用测试装置将样品简单地支承和加载，如图5所示。
跨度为15.85米（52英尺），线载荷距离支架5.64米（18.5英尺），间隔4.57米（15英尺），如图5所示。 施加的荷载由两个安装在两条装载线上的力传感器记录。 每条装载线上施加的最大载荷为6.36 kips。纵向应变计是安装在S1，S2，S3和S4的顶部翼缘（HNT和HST）的底部和底部翼缘（HNB和HSB）的底部。位移传感器安装在S1，S2和S3的底部翼缘（DN，DM和DS）的底部。
图5.实验A的设置和仪器
3.3实验B——工作荷载
为了评估复合梁在工作荷载的抗弯性能，试件在两线加载下测试引起的最大弯矩比空载下的最大弯矩更大（1265 kN m（933 kip-ft））。我们给样品简单地做配置了15.85米（52英尺）的跨度，并设置了测试装置，如图6所示。荷载位于距支架5.64米（18.5英尺）处并间隔4.57米（15英尺）。施加的载荷由安装在两条装载线上的两个称重传感器记录下来。每条荷载线的最大载荷为418 kN（94 kips），并且在中心区达到最大弯矩2358 kN m（1739 kip-ft）。在测试B中梁试样中引起的力矩超过了未考虑的工作荷载（1265 kN m（933 kip-ft））和工作荷载1965 kN m（1449 kip-ft）。 应该指出的是，由于桥梁的过度保守的设计，导致了最终的梁弯矩（1965 kN m（1449 kip-ft））仍然远远小于理论梁屈服弯矩4080 kN m（3009 kip-ft）。钢筋应变计和位移传感器的位置与测试A保持相同，混凝土应变计被安装在S1，S3和S4部分的桥面板顶部。
图6.实验B的设置与仪器
3.4实验C——极限荷载
为了评估复合梁的极限承载能力和梁在受到大的剪切载荷时的表现，线荷载被调整到靠近其中一个支撑的位置。 我们测试样本直到它到达极限能力。 样本在图7所示的测试装置中被简单地支撑和加载。跨度为15.85米（52英尺）长，载荷位于距离支架1.98米（6.5英尺），间隔1.83米（6英尺）的地方。施加的载荷由安装在其上的两个称重传感器记录两条线荷载。 每条线荷载的最大载荷为1419 kN（319 kips），在S0处最大弯矩6242 kN m（4604 kip-ft）。支座最大剪力是2318 kN（521 kips），远高于极限剪力（627 kN（141 kips））并低于根据AASHTO [7]的传统设计计算得出的标准剪切强度（3465kN（779kips））。 钢应变计，位移传感器和混凝土应变计安装在与实验B中相同的位置。
图7.实验C的设置与仪器
4.有限元分析
我们用商业软件ANSYS [8]建立了严格的三维有限元模型研究折板梁在不同载荷条件下的性能。FE模型将根据测试测量进行验证，并且也将被用于协助解释测试结果。折板梁和隔膜都使用四线制SHELL181元素进行建模，每个节点具有六个自由度：在x，y和z方向的位移，以及x，y和z轴上的旋转[8]。我们将弹塑性单轴材料模型用于钢，也包括双线性运动硬化。钢的屈服强度，弹性模量和泊松比分别设定为345MPa（50ksi），200GPa（29,000ksi），0.3。 应变硬化模量（也称为切线模量）设定为弹性模量的5％。 隔膜是通过共享共同自由度来完全连接到钢梁节点，但不与混凝土板连接。
混凝土板使用8编号的SOLID65元件进行建模，每个元件具有三个平移自由度节点并结合开裂（三个正交方向）和破碎能力[8]。 混凝土材料性能也被赋予了多线性各向同性强化与冯米塞斯屈服准则的结合。 我们将Hognestad提出的正常强度混凝土的应力 - 应变关系[9]用于本模型：
其中fc和e分别是混凝土的应力和应变; 峰值应力（e0）的应变表示为：
我们用涂抹固定裂纹模型和朗肯最大应力使用标准来确定混凝土开裂的发生和发展[8]。 根据AASHTO LRFD桥梁设计规范[7]，最大混凝土抗拉强度强度可以通过以下方式得出：
应该注意的是，梁模块之间的板接头将使用UHPC封闭浇筑法构造。Deng等人的相关研究 [10]表示UHPC的板关节的能力和延展性比那些没有连接起来的更复杂一些。 因此，我们假设板在FE模型中是单片的。为了达到收敛的目的，混凝土压缩应力在达到峰值之后被限制在恒定值；剪切传递系数为0.3和0.6，分别用于开裂和闭合裂纹; 其破碎能力在分析中失效。但是，我们认为在混凝土到达最大压应变0.003（即混凝土破坏时的应变）时，这个模型就失败了。 我们利用SOILD65元素的加固能力来确定混凝土板的钢筋强度。而我们通过体积比（即，钢筋的体积除以混凝土的总体积）否认了横向和纵向加固的成功。
我们使用COMBIN39元件为混凝土板和折叠板之间的剪力螺栓建模。 COMBIN39元素是单向弹簧元件，它可以具体化非线性广义力 - 偏转关系[8]。 该元件提供了水平剪力传递，并与剪切螺栓一起被放置在位于板元件和梁原件节点之间的位置。COMBIN39元件沿滑移方向有效，并且两个节点的另外两个方向耦合在一起。 据Ollgard等人 [11]报道，当受到水平力时，螺柱会相对于焊接位置弯曲，导致其向混凝土板与梁之间滑移。出于模拟的目的，Ollgard等人提出的剪切力滑移关系[11]被并入COMBIN39元素进行模拟剪切螺栓
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