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预应力混凝土节段箱型梁桥中荷载横向分布的阻隔效应

Michelle Rambo-Roddenberry, Ph.D., P.E., M.ASCE1; Daniel Kuhn, P.E.2;

and R. Glenn Tindale Jr., P.E.3

摘要：

桥梁设计或负载额定值的结构分析中故意忽略了障碍。他们不被认为是主要的

结构构件，因为在有力的碰撞之后，它们可能会受到一些结构性破坏，不再加强桥面板。然而，当完全完好无损的时候，这些次要的结构构件确实影响了施加荷载的分布。这种情况也引起了一些许可机构的兴趣，如佛罗里达交通部（FDOT）。对于预应力混凝土节段箱桥梁，设计和额定荷载（对于超大荷载允许值）均由纵向和横向分析确定，而不考虑障碍的影响。对于横向分析，从活荷载产生的最大力矩的时刻传统上由Homberg图表计算。这些影响表面基于板材行为和理想化的支撑条件，并且通常是保守的。这一刻的估计以及缺乏对障碍物的考虑为桥梁形成了保守的横向设计和荷载等级。在该研究中，有限元桥模型显示了在预应力混凝土段梁桥上，该障碍对横向荷载作用的影响有多大。从这些模型中获得的数据与工程师在设计中经常使用的FDOT负载测试的测量结果，以及Homberg的影响面的预测相比较。结果显示，连续的障碍减少了横向的时刻，一个连接的障碍表现得更像没有障碍，而Homberg的设计时刻通常是保守的。此外，在横向载荷作用下，屏障的接头起到了很大的作用。 DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000814。 copy;2016 American土木工程师学会。

关键词：活载；负荷率；荷载试验；预应力混凝土；横向荷载

简介

障碍物

对于桥梁，交通障碍和其他次要因素的结构影响经常被研究。 重点通常在钢筋或混凝土板预应力混凝土梁桥上。 Smith和Mikelsteins（1988），Mabsout等 （1997），Conner和Huo（2006），Eamon和Nowak（2002,2004）和Akinci（2008）等人发表了显注的屏障效应，如偏转减少40％，中跨时间减少，容量增加30％，最大减少外部梁的应力为36％，内部梁为13％，分布系数在弹性范围内降低40％，最终承载能力降低20％，分配因子减少30％等发现。 然而，文献中尚未报道障碍对节段混凝土箱梁桥梁活荷载分布的影响，但在美国，分段桥是一种很受欢迎的桥梁类型。

荷载等级

对于像佛罗里达交通运输部(FDOT)这样的机构来说，为了允许重型卡车穿越大桥，该机构必须知道大桥能够承受多大的负荷。这个决定是使用一个负载评价因子(LRF)做出的。负载等级用于确定不同类型卡车的最大允许卡车或轴桥载荷，这些卡车的轴载荷和间距不同。标准的卡车轮荷载乘以LRF是该特定卡车类型的最大允许车轮载荷。在预应力混凝土桥上，通过减去死亡荷载，在服务极限状态下，通过对其产生的预应力效应，将结果的差异除以liveload效应，得到了LRF：

（1）

每一项都乘以适当的负载或阻力系数。对于服务极限状态，容量项是允许的应力，而其他项则作为应力输入，根据负载效应计算。对于强度极限状态，容量术语是终极时刻(或剪切)强度，而其他的术语则被作为因子(或剪切)(AASHTO2008)输入。LRF是正的，大于1的。负的LRF表明，负载超过了容量，因此在桥上不应该允许活动荷载。在0和1之间的LRF表明，在桥上可以允许一部分分析卡车的负载。举例来说，如果理论分析确定了横向负荷的矩，那么它的负载等级将会很低，而一些卡车将不能通过桥。更高的负载等级将允许更大更重的负荷许可，而这反过来又会缩短行驶路线。

桥段分析

对于预应力混凝土节段箱梁桥，进行横向分析和纵向分析，以确定桥梁各个关键位置处的恒载，活载，长期，温度和预应力作用下的力矩，剪切和应力。 对于设计，纵向分析确定了后张拉钢筋在行车方向上所需的量;横向分析确定了垂直方向所需的钢筋。 纵向和横向分析也用于负载评估，以确定桥上允许的最大载荷（允许车辆的重量）。对于使用和强度极限状态（AASHTO2008），进行纵向和横向检查弹性和剪切力的校核。

影响线分析计算出许多标准卡车产生的最大纵向载荷效应; 然后使用负载效应作为等式中的分母（1）。 通常，额定负载由横向控制，与纵向力矩效应相反，限制了桥上允许的最大载荷。 本文针对使用极限状态的横向这些时刻。 对于这种极限状态，通过将混凝土和预应力应力限制在允许的幅度上来假定弹性行为。

对于设计或负载额定值，由于卡车负载引起的横向活力矩常常通过影响表面计算，例如Homberg图表。 Homberg图表表示由于载荷放置在表面任何地方的特定时刻; 它可以用于计算由于负载大小和位置的任何组合而产生的时刻。 这些图表用广义桥面几何形状定义，不是为特定的桥梁尺寸而设计的，而是尺寸的比例。 这些图表假设理想化的支持条件，并导致通常保守的设计时刻。

此外，横向分析忽略了障碍的影响。桥面的设计假设它是由垂直的腹板支撑的;然而，事实上，一些支撑是由这些障碍所提供的。这些障碍在桥面板上的自由边缘造成了一种加强的效果，在纵向和横向的方向上减少了弯曲。因此，活载效应比标准分析方法所计算的效果要小。减少这些计算效果将增加使用和强度极限状态下的桥梁LRF[例如：活载效果降低了一半，那么负载等级将会加倍，每个Eq(1)]。

概述

FDOT对位于佛罗里达群岛七里桥，尼尔斯通道桥和五号桥的三个预应力混凝土节段箱梁桥进行了载荷试验。 使用这些测试结果，以及设计工程师使用的FEM和分析方法（Homberg图）来评估对活载分布的屏障效应。 目标是（1）比较现场行为与有限元法，（2）通过使用有限元法确定障碍对活力分布的影响，（3）比较现场结果和有限元与常规设计方法的预测 （Homberg图表）。

大桥的混凝土屏障完全完好无损。在负荷试验中测量了应变，并用于计算相关的横向力矩。通过在纵向和横向方向上绘制测试结果，对现有的障碍行为进行了评估。对三种不同的障壁方案的有限元分析结果进行了比较:(1)没有任何的障碍;(2)有连续的障碍;(3)在最坏的情况下，与应用负载一致的联合位置。选择了最佳拟合方案，并通过调整弹性模量来修正相应的有限元模型，使模型的应变与相同载荷下的测桥应变匹配。然后，模型中对障碍物的改变显示了力矩分布如何受到这些变化的影响。模型生成的力矩分布与测量的桥梁数据以及Homberg图表预测的力矩分布的比较表明，在设计负载额定值使用的载荷力矩是多么保守。

研究的桥梁

被测试的佛罗里达群岛的桥梁由Figg和Muller设计，并在1979年至1983年间建立起来。它们是纵向张拉的，并且它们的预制节段上层建筑使用跨越大约5.49米（18英尺）长的段跨度施工方法和干接头（即，段之间没有环氧树脂）。垂直剪切通过混凝土剪切键从相邻的箱形段转移到每个配合段中。这段是用正常重量的混凝土浇铸，具有特定的最小28天抗压强度为37.9MPa（5,500psi），并且纵向，横向，和垂直腹板具有钢筋。纵向加强筋不能通过节段接头连续。上层结构支撑在复合氯丁橡胶衬垫上。定义1.83米（6英尺）的路肩和3.66米（12英尺）的左右行车道，设置了屏障，为规定的最小28-天抗压强度为23.4 MPa（3,400 psi）的混凝土。障碍物连接到具有垂直钢筋的桥面板。障碍物之间的距离为11.0米（36英尺）;每座桥梁设有三条设计车道。

本文提出的结果基于Channel Five Bridge测试，尽管从Niles Channel Bridge和Seven Mile Bridge测试得出了类似的结论。考虑到这项研究，专门规划和执行了Channel Five Bridge的荷载测试。在本研究之前进行了Niles Channel Bridge和Seven Mile Bridge测试，因此一些参数，例如相对于屏障接头的测量位置没有明确记录。Channel Five Bridge由37个跨度组成，通常为41.1米（135英尺）长，每单位有七个或八个跨度，总长度约为1500米（4,924英尺）。桥梁的外出宽度为11.7米（38英尺4.5英寸）（图1）。直径为12.7毫米（0.5英寸），高松弛度，1862-MPa（270-ksi）极限强度，间隔254毫米（10英寸）的预应力绞线的顶板预拉伸。图图2和图3显示了截面尺寸。悬臂从端部的大约165毫米（6.5英寸）逐渐变细到在网上约305毫米（12英寸）。

障碍行为

障碍物不被认为是主要结构元件，因为它们的结构完整性在碰撞后可能会受到损害。因此，在设计桥面时，不应考虑障碍物的强化性能。 然而，如果完全完整的结构贡献，如果需要过渡桥梁需要临时的超大负载，那么它们的结构贡献就可以解释。因此，这项研究确定了如果屏障减少了实际负荷的需求，如果有的话，当障碍出现时，它对桥面的影响是否会持续。

对于所研究的桥梁，现浇混凝土障碍物主要是连续的，除了三种类型的接头：多尺度单元末端的152毫米（6英寸）伸缩缝，76毫米（3英寸。）内部墩上的伸缩缝，和25毫米（1英寸）槽（控制接头）。 152毫米（6英寸）膨胀节是通过整个箱梁部分，它位于每个多层单元末端的码头上方，以允许从温度变化，蠕变和收缩的跨度运动。所有其他码头，每个障碍物中有一个76毫米（3英寸）的伸缩缝;接头不会通过箱体部分继续。第三接头类型是大约25毫米（1英寸）的槽，其围绕阻挡件的周边延伸，并且每5.18米（17英尺）纵向隔开;槽力裂开发生在关节，用于美学和裂纹控制。对于“Channel Five Bridge”测试，负载与这些接头相邻。本研究的分析和测试集中在中跨行为。

荷载实验

步骤

负载测试在夜间进行，当稳定的温度不会由于热诱导的应变而导致测量的变化。 将应变计置于Homberg图表可用于预测时间的位置，以进行直接比较。 仪表也被放置在距离屏障接头的增量距离处，以评估其对应变分布的影响。 栅格图案的规格布局允许穿过整个悬臂和腹板之间的一半的横向应变的图，并且还允许多个纵向图来确定当负载相对于屏障控制器纵向移动时应变和节段是否是可重复的。将120毫米（4.7英寸）四分之一桥梁箔应变计粘附到桥面的顶部，并沿横向方向定向，除了屏障上的纵向取向的量规。 见图 2和3用于仪表布局。

在测试车被放置在测试车之前，装载单元和应变仪的初始读数(0) 为了在段悬臂上产生大的力矩需求，使用装载有十八个8.9kN（2.0kip）混凝土块的FDOT测试车辆（图3），将载荷施加在距离障碍物152mm（6英寸）处） 。直径为229毫米（9英寸）的液压千斤顶将相应的后轮从甲板表面上提起。称重传感器测量了液压千斤顶施加到桥面板表面上的集中载荷。对于负载位置1-4，负载测量分别为92.2 kN（20.73 kips），93.6 kN（21.05 kips），94.4 kN（21.23 kips）和93.9 kN（21.11 kips）（见图2的位置的负载位置1-4）。与千斤顶相对的后轮靠近腹板（参见图3），并且通过从千斤顶减去93.4-kN（21-kips）称重传感器读数来估计它们的载荷已知的218.0-kN（49-kips）轴重量（先前用FDOT的实验室设备测量），产生124.6kN（28kips）（在FEM中，相反的后轮负载分布在30个节点上以表示轮胎接触面积）。前轴距离施加的载荷超过6.1米（20英尺），使其在该位置的横向载荷效应较小。

在记录称重传感器和应变计读数之后，后部卡车轮胎下降，将卡车从桥上卸下。重复该过程，直至所有所需的载荷（大小和位置）完成。

Fig. 3. Cross section of tested bridge showing gauge layout and load truck

应变瞬间

使用应力和应变之间的假定线性关系，从测量的应变计算应力。 然后通过将这些应力乘以每个位置的截面模数来计算力矩：

（2）

（3）

（4）

E:弹性模量；:应力；：应变；M:力矩；c：从中轴到应变仪的距离;

I:惯性矩；S：截面模数。对于矩形截面计算截面属性（c，I和S）：一个305毫米（1英尺）宽的甲板条，厚度等于所述位置的甲板厚度。 因此，沿着桥梁纵向地计算所得的横向力矩的单位长度

(5)

在计算中使用了30.7 MPa(4,450 ksi)的弹性模量。为了解释加固的原因，使用了一个未开裂的部分，改变了转动惯量。强化钢和预应力线的弹性系数为200GPa(29,000 ksi)和193GPa(28000 ksi)。这些值被用来将钢转换为等效混凝土。

荷载试验结果

负载测试压力被转换为矩，并与应用负载的距离相比较。图4表示，在四个独立的应用载荷情况下，横向矩分布如何在悬臂(横向方向)上发生变化。例如，图5显示了横截面在纵向沿纵线L6的纵向分布，当它从四个载荷位置移开时。(见图2的横线和纵线的位置。)

负载位置1与屏障控制（不完全）接合在一起，然后每个顺序加载位置以1.22-m（4-ft）间隔远离该接头。 因为所有类似的负载测试的分布是相同的（即，图4和5中的负载位置1-4的曲线对齐），这表明屏障作为连续的结构元件。 否则，在所有情况相同的情况下，负载响应分布将随着与接头的负载位置距离的变化而变化。

除了图4和图5所示的重叠分布外，图5还显示了负载点的对称性。关节或任何屏障的不连续都会在图形上转换为向不连续点的移动，从而破坏曲线的对称或导致控制关节位置增加的峰值。这些趋势是无法被看到的，再次证明了这些障碍是一种连续的结构性因素。

除了对负载响应分布没有影响的障碍控制接头外，箱梁节段

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