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后张法箱梁桥的活载分析

摘要：本文提出了一种评估现浇箱梁桥弯曲活载分布系数的方法。在静活载测试中典型箱梁桥的响应被记录了下来。这个测试涉及到两辆重负荷的卡车驶过装着仪器的桥梁的选定的荷载路径。用来记录桥梁响应的仪器包含应变仪、位移传感器和倾斜传感器。测量数据被用来校正使用固体元素的有限元建模方案。通过有限元模型, 测试桥的理论活载分布系数和额定载荷可以被确定并与美国公路桥梁设计规范预测的系数与等级做对比。对现浇箱梁桥梁的校准有限元建模方案使用参数研究法，可以用来研究各种参数如跨度长度、梁间距，护栏，倾斜，甲板厚度是怎样影响弯曲荷载的分布系数。基于参数的研究结果，提出了一个可以准确地预测外部梁分布系数新的方程。数字对象标识：10.1061 /(第3期)be.1943 - 5592.0000302。copy;2012美国土木工程师。

CE数据库主题词：梁桥梁；混凝土桥梁；箱梁；后张法；活荷载。

作者关键词：桥；混凝土；后张力；活载；分布的因素。

简介

某个关于许多桥梁参数的函数可以准确地评估某个桥的活载响应。在一定程度上，任何一个特定纵梁的设计弯矩取决于外加负载的大小和位置。然而，人们发现目前的需求也是取决于桥的一些属性如桥梁跨度，梁间距，甲板厚度，以及纵梁的刚度和倾斜。

一般来说，通常用于确定桥梁的承载特性和负载评级的活载测试有两种类型：安全试验和诊断测试。安全试验由加载到目标荷载或加载到桥梁出现非线性行为两种方法组成。当这种情况发生时，停止负载测试并调整负载以确定桥的额定载荷。诊断测试包括在弹性极限范围内加载一个已知荷载使测试桥梁屈服并通过应力和偏转传感器记录测试桥的响应。利用收集到的数据，创建和验证有限元模型(FEM)。这个模型随后被用来估计桥的承载能力。尽管这些测试的程序有所不同，他们执行的目的，都是获得更好的桥梁额定载荷的估计值（Jaacute;uregui和Barr2004）。诊断负载测试已在很多研究中应用以便更准确地确定桥梁的额定荷载。Yost等人(2005)发现，使用诊断荷载验证过的有限元模型增加了各种类型桥梁的额定荷载。Ruth等人(2005) 通过对俄亥俄州交通部的40座钢桁桥的诊断荷载测试来验证有限元模型并确定了有限元结果产生了高于检验，理论或解析的额定荷载。Jaacute;uregui和Barr (2004) 使用诊断荷载验证过的有限元模型来增加州际公路桥梁的额定荷载以降低卡车的通过标准。其他使用负载测试量化桥行为的研究者有包括Hughs 和 Idriss (2006)、Roberts-Wollmann (2001)和Chajes (1997)等人。

对于兰伯特公路桥,诊断负载测试是用来验证桥的有限元模型的。通过这个验证的有限元模型，可以确定桥的评分布系数和理论额定载荷并与根据美国公路桥梁设计规范(AASHTO 2010)计算的结果相比较。美国公路桥梁设计规范中列出的指南提供了简单的方程式计算桥梁的分布系数。这些方程建立在桥梁的几何性质基础上且取决于国家公路合作研究项目报告12-26中列出的各种桥梁的测试(Zokaie 等1991年)。尽管研究人员发现这些方程会导致保守的估计负载，但他们仍被各种政府机构用于设计。除了计算理论分布系数外，参数研究也用来调查各种参数对箱梁桥分布系数的影响程度。Song等(2003) )进行了曲率和横截面对箱梁桥分布系数影响的参数研究。The Doerrer and Hindi (2008) 的箱梁桥参数研究集中在其他几何性质，如跨度长度，深度，和单元的数量。本文中的研究评估了各种几何性质如跨度长度、梁间距、倾斜、连续性、甲板厚度、甲板外悬部分和护墙对分布系数的影响。Puckett等(2007)提出将有限元分布系数与美国公路桥梁设计规范的概述相比较，这是国家公路合作研究项目报告的基础。国家公路合作研究项目的研究提出了简化美国公路桥梁设计规范和改进当前计算活载分布系数程的方案。然而，如报告中提到的，使用推荐的方程仍然导致了错误的相关系数，因为R2值在1和2加载通道分别为0.56和0.59(Puckett等2007年)。通过参数研究，提出了更准确的预测外梁分布系数的方程并与其他方法如美国公路桥梁设计规范和国家公路合作研究项目592相比较。

桥梁概况

兰伯特公路大桥邻近的埃尔克格罗夫，在加州萨克拉门托以南20英里。它作为5号州际公路的一部分，平均每日流量(ADT)约30000辆卡车，占两个南行航线每日流量的23%。这座桥被设计成双跨度、现浇、预应力的连续箱梁桥。它建于1975年并使用HS20-44卡车作为设计活载。

兰伯特公路大桥的整体跨度78.7米(258英尺)，由两个相等的跨度为39.35米(129英尺)的跨在8°斜交组成。甲板(包括栅栏)的宽度是12.8米(42英尺)。栅栏宽0.3米(1英尺)高0.8米(32 英寸)。甲板上部构造为包含50级钢的203毫米(8英寸)厚钢筋混凝土板。桥梁上部结构包含甲板和箱梁下翼缘的整体深度为1.7米(66英寸)。支持车辆活载的四个单元配置纵梁的间距为2.74米(9英尺)。纵梁骨架肋板厚0.3米 (1英尺)，大梁外部的斜率为2比1。甲板的悬垂距离既从桥面板边缘到外梁中心线的距离是0.91米(3英尺)。上层建筑有单个的柱和弯曲支持。该柱宽3.66米(12英尺)厚1.07米(3.5英尺)。它由24个桩支持。图1显示了一个桥梁的上层结构的剖视图。

图1 桥的横断面视图和加载路径

上层结构被设计为一个整体式桥台桥梁，它有一个厚0.76米(2.5英尺)深2.5米(10英尺)桥台墙，这个墙从两端包围了整个结构的宽度。桥台墙由单桩承台和竖直桩支持。这个设计还指出一个连续的可能导致端部固定的横向剪力键。桥太墙由单个的柱组成，这个柱被承台支承并在桥梁的上层建筑中扩充。中间的横隔膜位于每个跨度的中点，并跟随桥梁的倾斜和位于桥台和桥墩的最后的横膈膜。所有的混凝土都规定养护28天的抗压强度为24.2 MPa(3500 psi)。混凝土的强度可能更高，然而,这不能被验证，因为材料抽样是不被允许的。

主梁使用后张法张拉，在每跨的抛物线状的网中灌注混凝土。后张法使用的低松弛钢绞线的屈服应力和极限强度分别是1.65和1.86GPa。后张法钢绞线的形心在桥台底部890mm(35英寸)和桥墩底部1295mm(51英寸)。钢绞线形心的最低点在每个跨3.9m处(12.9英尺) 并高279mm(11英寸)。

活载测试

在对兰伯特公路桥做活载测试之前，在桥上安装了53台仪器。仪器包包括42个单轴应变传感器,10个垂直偏转传感器和1个单轴旋转传感器。这些无线传感器桥是桥梁诊断、分析和数据采集系统的一部分。测试期间静态荷载的数据采集速度为40 Hz。图2在桥梁分布图中显示了仪器的布置。在桥台附近的A和G仪器是为了更准确地确定实际的支持边界条件。在桥墩附近的D和E仪器是用来检测桥墩的稳定性和刚度的。在各自跨跨中附近的B、C和F仪器是用来检测最大的应力和变形的。仪器B用来检测梁的中性轴。在图2中,五个梁分别用G1-G5标记清晰。

图2 兰伯特公路桥仪器分布图

在静载荷试验中，如图1所示，卡车慢慢地通过五个不同的加载路径。通过选择各种主以及校准典型的车道交通使加载路径最大化。从车前轴中心线到人性的栏杆的加载路径距离分别为：Y1路径1.7米，Y4路径3.7米，Y2路径5.1米，Y5路径7.5米，Y3路径10.5米。

两个不同的卡车被用来做的活载测试。第一个是一个串联后自动倾卸卡车(图3)。这辆卡车的总重量290 KN。车轴的重量分别是60、115和115 KN(13.6、25.8和13.6千磅)，轴间距分别为5.8米和1.3米(19.1和4.3英尺)。第二个卡车是一个有18个车轮的搬运卡车。这辆卡车有一个前轴、两个中间轴和一对后轴，间距分别为5.3米、1.3米、6.6米和6.6米(17.3,4.3,21.8,和17.3英尺)。这辆卡车的车轴重量为9.8、15.4、15.4、16.2和16.2 KN(9.8、15.4、15.4、9.8和16.2 千磅)。

图3 自动倾卸卡车

总的来说，16组静态活载测试是由卡车沿着不同加载路径行驶产生的。因为平均交通日流量很高，一个完整的大桥是不允许关闭的。然而,加州运输局允许加州公路巡逻控制交通慢下来。这为研究人员提供了 8 - 10分钟没有车辆通过的时间，用来进行活载测试。在每个测试之前,桥上车辆被清除且传感器被调零。在每个静态测试中，卡车8公里∕小时)选定的速度沿着加载路径缓慢驶过。一旦卡车下桥,交通就恢复之前的速度。对选择定的加载路径重复测试,以确保收集的数据是有效的和可再生的。

图4显示了一个典型的影响线，即应变仪底部位于梁G3的F部分时自卸车沿载路径Y3(图2)加载时的影响线，从图4可以看出，当卡车在北跨时压力为负。这些负应力的产生是由于支持的部分不变性。当卡车沿着南跨运动时压力转为正。其他应变仪记录了类似的各种加载路径的反应。

有限元模型

兰伯特公路桥的有限元法使用八节点的固体单元(CSI 2009)。这些单元的每个节点有三个方向的平移自由度。节点通常是间隔在0.3 m(1英尺)，为了准确地把卡车荷载加载在有限元离散的位置。横向和纵向节点间距是0.38米(15英寸)。这个相对较小的节点间距通过宽高比保证了固体单元成为一个整体。除了8节点的固体单元,6节点的三角单元被使用在桥末端的倾斜部分。二级成员如中间和结尾膜片以及护栏被有限元固体单元所替代。兰伯特公路桥的后张法钢绞线被建模为线单元。这些线单元被离散为1.5米(5英尺)的单元，按照计划的抛物线轨迹分布并被分配计划好的有效预应力7.52 MN(1690千磅)。这些线单元嵌入固体单元且可以有6个自由度,但限于被嵌入单元的自由度的数目，在这种情况下的自由的是3。弹性模量是根据规定的混凝土强度计算。

图4 有限元与活载实验应力对比

通过压力,位移,旋转的活载测试与预测的有限元法进行了比较，来校准有限元法。各种加载路径,卡车的组合和传感器位置都应被考虑到。卡车车轮载荷被认为集中荷载且以3.0米(10英尺)的间隔定位在沿桥纵向方向上。当车轮集中载荷与节点位置不一致，车轮载荷就会通过形状函数被分配在单元周围的节点上。

桥梁活载试验的记录表明，终端支撑的响应表现出局部不变性，这大大不同于假定的销和滚动支座。对于模型这一明显的不变性,纵向和垂直的弹簧被应用到模型在桥台和桥墩节点处。系统的调整横向和纵向的弹簧刚度，直到获得有限元(FE)与测试数据的良好的相关性。

与活载结果的比较

为了准确地确定桥的额定荷载，有限元法需要通过活载测试校正。为了确定有限元是否准确的预测来自活载的测量响应，压力,位移和转角都要进行比较。

预测的有限元应力变化是由于卡车荷载在桥上作用的位置不同，它被用来确定在胡克定律下由弯曲和轴向应力引起的应变的变化。这些计算的应变值随后被用来与实际加载应变对比。这些应变的比较评发生在桥上的各种纵向和横向位置。位于跨中附近的应变被认为是最关键的，因为他们邻近设计的邻近荷载且是经验的最大应变位置。测定的位于桥台和桥墩附近的应变主要是用于验证局部不变性的程度。有限元应变数据都遵循着相同的一般模式,通常与测量峰值的差别在5%之内(图4)。其他位置的测量数据和应力,位移,转角的有限元结果中可以在Hodson中找到(2010)。图5显示了一个有限元的应变与实验应变的比较，实验应变为梁G1和G2的部分B、D、E、F、G在卡车沿路径Y1、Y2、Y3（图2）加载时得到的。得到了一个斜率为0.96且相关系数为0.96线性趋势的线。这些值表明,在模型计算和载载测试计算的应变之间存在很大的相关性。

图5 有限元法和活载应变的关系

有限元模型的转角也被用来与测量的转角(图2)比较。并通过三个独立的加载路径(Y1、Y2、Y3)来比较。对于三种加载路径的每一种加载路径，有限元都会与活载测试的结果相关联。图6显示了一个当卡车沿着Y1加载路径时测量和预测转角的对比。通过转角之间的对比(类似于图5)来获得一个线性关系。计算发现趋势线斜率为0.99且相关系数为0.96。这强烈的相关性是一个建模的部分在桥台固定性的指示。

有限元计算的位移也被用来与活载测试的结果比较。图7显示了一个在梁G1中跨当卡车沿着加载路径Y2时有限元挠度和测量挠度的对比。类似的结果也可以在其他位移传感器上观察到。这表示当卡车驶过跨度1时，跨度2挠度的是负的。这个挠度改为正的当卡车驶过跨度2时。这一趋势显示了两个跨度之间连续性的程度。通过计算适合各种挠度数据的趋势线的斜率为1.0，相关系数为0.97。这些表明，由于活载，该模型能够非常准确地预测桥梁的位移。因为有限元数据和活载数据在转角、应力和位移方面的密切相关性，得出有限元可以精确复制兰伯特公路桥的负载特性,并可以用来确定的桥理论上的额定荷载。

图6 有限元法和活载测试之间的转角对比

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