曲线钢箱梁桥的全规模试验和分析译文

1、Dongzhou Huang,P.E,M.ASCE11. 摘要自1980年AASHTO标准的水平曲线钢箱梁公路桥梁指南规范第一版出版以来，又有两个版本，其中包括许多规范的修订。有些变化基于有效的研究成果，其他的基于有限或不确定的研究成果和信息。当前版本的规范包含的条文，可能会导致不合理的保守的负载能力评分。本文对Veterans Memorial钢箱梁弯桥的实地测试和分析结果进行了讨论。测试和分析结果表明：（1）当前AASHTO标准指导性规范在简单的弯梁端支撑的第一横筋间距可能保守估计了桥梁承载能力的评分;2当前AASHTO标准的指导性规范可能大大高估了长曲线箱梁梁桥的动态负荷;3 

2、在纵向方向上有大约20个元素的平面网格有限元模型可以用来分析外部支撑的弧形多弯梁桥。研究成果可用于桥梁设计和桥梁荷载等级活动的指导与适用。分类号: 10.1061/ （ASCE）1084-0702（2008）13:5（492）CE数据库的标题：桥梁，箱梁；曲率；钢；静态测试，动态测试，实验数据；有限元法;全面测试。2.介绍在佛罗里达州和美国各地现有许多弯箱梁桥。其中有些是年龄超过30年，他们的负载能力由目前的规范和传统的分析方法看来往往是不必要的保守评估。大桥实地测试已经成为一个可以接受的手段，更准确地估计桥梁安全的能力。然而，现有的弯箱梁桥的试验的报道很少。海因斯和李（1981）报道了位于韩

3、国汉城的单箱双跨弯钢箱梁桥的现场测试报告。黄（2004）提交了位于佛罗里达州杰克逊维尔的阿灵顿大桥的现场测试结果，这座桥半径比较大。本文的目的是介绍退伍军人纪念大桥现场测试的结果和传授更好地了解弯钢箱梁桥实际装车的静态特性和动态特性。首先，桥简要说明。然后桥梁仪器和测试程序要说明。最后，对测试和分析结果以及设计建议进行了讨论。3.桥描述1PBS生公司，咨询工程师，5300 W.赛普拉斯街，300室，坦帕，佛罗里达州33607；Dept教授福州大学土木建筑系，350002，电子邮件：dhuang，BSD engineering.dhuang 注意事项：直到2009年

4、2月1日，个别文件公开讨论。单独讨论必须提交个人论文。本文的手稿会被提交审查和可能在2006年11月17日公布；2007年12月10日批准。本文是桥梁工程杂志的一部分。 13卷第5号，2008年9月1日。©ASCE，ISSN1084-0702/2008/5-492-500/$ 25.00。退伍军人纪念大桥，建于1997年，位于佛罗里达州塔拉哈西托马斯维尔路的319国道上，是一个弯钢箱梁桥。这座桥由一条直线的三跨连续节段和中心线半径为187.15m的弯曲的三跨连续梁组成。弯曲的部分是本文的主要焦点。沿桥梁中心线测量，弯箱梁桥跨度为50.54米长，中间跨度为75.80米长（图1

5、）。桥截面为两个中心间距6.71 m的钢箱。所有结构钢是50级，除了横向加强筋是36级。顶部法兰厚度介于2.22至6.99厘米，底部法兰的厚度从1.27至3.18厘米不等。桥面板厚20.32cm，宽13.31m。内部交叉帧间隔在3.08m，除了结束间距2.71m。有箱梁之间没有外部支撑，在支持的部分除外。主要尺寸如图 1。3.1仪器仪表3.1.1应变计四个关键截面设置应变计如图2所示，以监测桥梁车荷载响应。在1截面18个应变计被用来监测剪切响应图2（b）。在2-4截面每个仪器有8个应变计，位置如图2（c）所示，并在桥的纵向方向定位。2-4截面的应变计被用来监测截面弯曲特性。

6、3.1.2挠度计共有六个线性可变差动变压器LVDT的电气传感器挠度仪被安装在外梁的截面1，每个网页上有3个。截面1位于底隔膜和横向加强筋的中间（ 图3）。顶部和底部的测量仪用于监测梁的扭转变形，而中间挠度仪用于监视本地Web变形。基于当前AASHTO（2003 AASHTO）标准指南规范的横向弯曲公路桥梁在这个位置的剪切能力是比较低的，因为简支横向加强筋间距不符合AASHTO标准指南规范要求的二分之一的网络深度或更少。挠度计被用来监测截面1的屈曲特性。共有6个位移传感器（DT）计（见图4）用来测量桥梁的垂直位移，以监测结构的完整性和探测可能的重大隐患。挠度计位于以交通无干扰

7、为标准的基础和中跨的附近，以最大限度地测量位移的幅度。3.2测试程序一个米德尔顿威斯康星州OPTIM电子制造的MEGADAC3415系列数据采集系统，用于信号调理，模数（A / D）转换和数据记录。该系统有在低采样率的（静力测试）和高采样率（动态测试）收集数据的能力。该系统的最大采样率是大约25,000个样本每秒。基于windows平台的Optim的测试控制软件（TCS）用来控制MEGADAC。测试数据导出为能用常见的电子表格应用程序导入的ASCII文件。4.静力试验抗弯承载力两个佛罗里达州运输部（FDOT）研究中心的测试车（见图5）用于测试活载作用下的桥梁。轴重相应加载的钢块的数量列于表1。

8、为了检测两辆卡车并排下弯曲的行为，一共有四个静载荷位置确定为是最不利的加载位置对应到各相关跨度梁。详细的纵向和横向载荷的位置是在图 6和7所示（例号3-6）。每辆卡车装载36块钢块进行静态弯曲试验。所有仪表的初始读数为大桥上没有负载时读数。然后卡车启动和停靠在预定桥的临界载荷的位置。应变计和挠度计记录了每个加载情况下的度数。每个加载的情况之后，卡车驶离桥梁，并得到另一个零荷载的读数。测量数据马上显示并和分析结果进行比较发现任何异常。为了消除噪音和可能的随机振动的影响，每个荷载的情况下超过20个计值被记录和平均。4.1静力试验-腹板剪切在两辆卡车并排情况下共选择了7个静载位置，确定桥的

9、最后截面的剪切特性。详细的纵向和横向的装载位置如图6和7所示（例1，2，7-11）。试验车从30到66块逐步加载。记录应变和挠度读数，并仔细观察每个荷载的情况。4.1.1动态测试一个重量略高于的HS20-44设计卡车的装载30个钢块的FDOT卡车被选定进行动态测试。测试车与30个钢块的总重量为471.51kN。测试车沿梁内外运行，距路缘石约1.22米。卡车速度逐渐增加到设计车速56.32公里。4.2测试和分析结果4.2.1静力试验弯曲黄等发现详细的测试结果（2004）。本文只对关键截面的最大应力进行介绍。表2列出最大的两个关键截面测试和分析的正应力。正应力分析根据三种不同的有限元模型的平面网格

10、（图 8a），曲线十字交叉梁（图8b），壳板（图8c）。在平面网格和弯梁格模型（黄2004年），横梁刚度元素基于它的的整体宽度。最大翘曲应力大约把一个箱梁看做I-梁，用I-梁的海因斯翘曲方程（菲尔马杰1979年）进行估计。在图8（b）中有四条弧形线条。 “内曲线代表两个弯箱梁一般框配置的等效截面特性，而其他两行是虚梁刚度相当于桥面板，其与箱梁相比是非常小的。虚梁主要作用是分布相关节点车轮荷载。每个弯曲梁在纵向方向上被分成56个元素。在壳板的有限元系统（2004年黄）中，桥面板，隔离带,和钢箱梁被分成了一系列四边形壳板元素，而支撑和加强筋被视为立体的三维框架元素。刚性链接连接

11、到顶部法兰的顶部的混凝土桥面的重心。商业计算机软件SAP2000建立的有限元模型，有共21555壳板元素和5417三维框架元素。案例1表2中列出的截面特性根据原来的设计与假设确定桥面混凝土弹性模量，为2.637x10MPa，忽略的影响，而案例2列出的截面特性评估基于桥面板混凝土的弹性模量为35.86x104MPa的测试结果，并考虑隔离带部分影响（2004年黄）。表2中，差比定义为差额=(分析值测试值)/测试从表2中，可以观察到：（1）由平面网格案例1模型得到的测试和分析结果之间的差比从15至22不等，而案例2则是从6%至12；（2）由弧形十字交叉梁案例1的模型得到的测试和分析结果的差比从12至

12、20不等，而对于案例二，则是从4到11不等；（3）测试和分析结果的最大的差比是案例2的壳板有限元模型，其值低于10；（4）实际桥面混凝土的强度和阻隔作用，减少了最大在8-10左右的一些控制截面的正压力。表3给出的估计翘曲应力是根据一些关键截面的测试结果。翘曲应力的估计为内外腹板的正应力差的一半。从表3可以观察到的翘曲应力最大比例是其相应的最大弯曲的9.3。图9列出了两个典型的挠度之间的测试和分析结果的比较。在实际的桥梁状况的测试结果基础上计算分析结果。从图9（a和b），也可以看出测试挠度与缝隙结果是非常接近的。4.3静力试验腹板剪力详细的测试腹板剪应力由黄等建立（2004）。表4给出了边梁的外

13、腹板的测试和分析最大剪切应力。通过薄壁理论(海因斯及菲尔马杰1979； Li等 1992)和假设钢箱梁截面是刚性的测定扭剪应力。在案例1中，根据AASHTO的指导性规范（AASHTO标准1993年，2003年），由钢腹板平面网格和弯梁格模型得到的垂直剪假设。在个案2中，假设垂直剪在整个截面都是有效地，包括混凝土桥面和隔离带。从表4可以看出，测试剪应力比从AASHTO规范得到的小。然而，如果混凝土截面（案例2）的影响被考虑，在最大剪应力的测试和分析结果之间的差比，由平面网格模型和弯曲的十字交叉梁模型得到的结果分别是小于15%和13。图10（a），显示边梁的外腹板剪力-剪应力曲

14、线。该腹板剪力，包括扭剪，用平面网格模型确定。从测试的应变计算剪应力。从图10可以看出，所有的负载压力曲线近似一条直线。图10(b)显示为外梁的外腹板荷载 - 挠度曲线。请注意，所有的荷载 - 挠度曲线是线性的，腹板的横向变形是非常小的。图10（b）所示，最大的剪切屈曲/剪切强度远远超过腹板剪应力。由于可用的现场测试腹板剪切能力的测试荷载是不够的，因此一个完整的弯箱梁桥的非线性分析，以确定该腹板剪切能力。为了简化分析，只考虑边跨的非线性模型。腹板，桥面板，加强筋被建模为一个的四边形壳板，沿着腹板深度有22个元素。沿着每个腹板的顶部，分布之间的端到端的支撑和6米以外的支撑，采用统一的荷载。在正弦

15、形函数的初始缺陷和标准化的的120腹板深度D，这是桥梁焊接规范（AASHTO标准/ AWS 1990年）允许的最高幅度。材料的非线性分析中钢筋混凝土桥面被忽略了。非线性分析结果如图11，横坐标代表腹板的不包括假定的初始挠度的最大挠度，纵坐标表示腹板剪切力。根据AASHTO的指导性规范（AASHTO标准2003）推算的两个不同的剪切能力，和基于两种不同的假设，加筋腹板和非加筋腹板也在图 11中。 非加筋腹板的假设是基于退伍军人纪念大桥端部支撑的第一横筋的腹板深度与加筋间距之比并没有满足AASHTO标准指南规范（AASHTO标准1993，2003）指定的要求。出于这个原因，大多

16、数工程师把这个腹板看做非加筋的，产生1364kN的一个非常低的剪切能力。加筋腹板的假设是基于桥端部的第一横筋间距符合标准肋直腹板。如果腹板被视为加筋，AASHTO标准的指导性规范确定的腹板承载力是4146kN，这与从非线性分析得到的结果接近。进行了三种不同的端部筋间距为0.5，1，和2D以及三种不同的半径为150，500，和1500米的非线性分析。结果发现：1三个不同的间距获得的最大剪切能力变化不大；2弯曲的腹板的最大剪切能力不随半径的减少而增加，腹板半径的影响也不大。一个更详细的讨论超出了本文的范围。从图11可以看到：1当前AASHTO标准的指导规范关于第一筋间距的规定过于保守；2假设弯曲腹

17、板为加筋腹板得到的腹板抗剪承载力是接近非线性分析所得抗剪承载力。4.3.1动态测试与静态荷载相比，行驶中的车辆会造成较大的内力。在公路桥梁设计中，影响因素或动态津贴大约就是动态效果。要评估动态津贴或指定的影响因素，在目前的AASHTO标准指导规范中，需要进行影响因素的测试与分析。最大的影响因素，通过改变车辆的速度，从启动到的设计速度和车辆从内梁到外梁的横向位置。把测试结果排序，结果发现影响因素变化很大，从4.8到101.7。它们涉及到的反应，卡车的位置，和桥截面的大小。通常情况下，静态反应越大，影响因素会越小。从工程的角度来看，在关键截面的最高静态反应下相应的影响因素。为了评估测试结果，进行桥

18、的动态分析，并在表5提供分析的最大影响因素。在动态分析中，弯多箱梁桥以弯梁格桥为模型。测试车是作为一个具有15个自由度的非线性三维模型模拟。该模型包括七个特型拖拉机，拖车，五轮/轴集。假设桥面表面被归入等级“好”，并使用一个随机过程（功率谱密度函数）进行模拟。详细的理论动态分析的描述超出了本文的范围，但可以在（1995年）黄和王和黄等（1998年）和黄（2001年，2005年）发现。以AASHTO标准指导规范（AASHTO标准1993年，2003年）获得的影响因素在表5中也给出了。从表5可以看出：1桥梁跨度大于50.0m的正应力的影响因素比AASHTO标准的指导性规范（1993年版）预测的小的

19、多，也比AASHTO标准的指导性规范（2003年版）的小； 2影响因素的分析与试验结果合理一致；3扭转分析影响因素与由AASHTO标准的指导规范（1993年版）所取得的成果一致。为了检测可用于桥梁承载力测试的影响因素，对桥梁在两个AASHTO标准的HS20-44设计卡车下的影响因素进行了分析，结果发现两个设计卡车的HS20-44引起的影响因素小于由FDOT测试车（黄2005年）引起的。5.结论和建议根据退伍军人的莫里尔大桥的静态和动态的测试结果，可以得到以下结论：1.如果实际的几何形状和材料特性是已知的，由于活荷载作用下桥梁弯曲行为和其承载力，可以用一个有限元模型进行准确的预测。由一个平面网格

20、有限元模型得到的和有关键截面的弯梁格模型得到的最大的实验和分析结果之间的差比，分别低于15%和13。2.目前的AASHTO标准的指导性规范，在简支梁端支撑的第一横筋间距上可能过于保守估计桥梁承载能力。测试和分析结果表明，在曲线梁中可以保守的使用屈曲和连续板梁的最终优势制定的公式。这表明，在简支端支撑的曲线钢箱梁，第一横筋间距小或等于腹板深度的2倍，并有足够的屈曲轴承支撑加强筋强度的剪切承载力，被评估为加筋腹板的剪切承载力。3.通常情况下，静态反应越大，影响因素会越小。在关键截面的最大静应力下相应的影响因素是比较小的。当前AASHTO的指导规范（AASHTO标准2003）可能会高估长跨弯钢箱梁桥

21、的动态载荷的影响。4.测试结果表明，几乎所有的混凝土桥面的截面和隔离带复合成钢箱梁。实际的混凝土截面和隔离带分别有助于弯曲和剪切的能力增加约9和15。5.试验结果表明，退伍军人纪念大桥的关键截面的最大翘曲与其相应的弯曲应力的比率是约9.3。6.测试和分析结果表明，弯曲梁格有限元模型或一个在纵向方向每跨约20元素的平面网格有限元模型能用来分析只有外部支撑的弯多箱梁桥。7.实验和分析结果表明，在桥梁设计荷载（如装载两辆卡车并排）下，整个桥面板宽的横截面，包括隔离带都可以作为一种有效的混凝土截面进行内力分析处理。6.致谢笔者对马克·安斯利先生，P.E，加里Roufa，P.E，约翰先生Previte，体育，胡博士提出宝贵的意见和研究过程中得到了支持，表示衷心的感谢。感谢FDOT结构研究中心工作人员：弗兰克·科布先生，Mr.Tony约翰斯顿，斯蒂芬先生Eudy，保罗·泰伊先生，大卫·艾伦先生他们在仪器仪表，测试，数据