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根据SNI 2833:2016规范和《2017年地震灾害图》，对铁路跨度为42米的沃伦钢桁架桥进行结构评估
原文来源：工程研究进展，第187卷
2019年第三节可持续创新国际会议-技术与工程（IcoSIT 2019）
作者：
1Bagus Soebandono，土木工程系，工程学院，穆罕默德迪亚日惹大学 bagus_soebandono@umy.ac.id
2 Taufiq Ilham Maulana，土木工程系，工程学院，穆罕默德迪亚日惹大学Yogyakarta taufiq.im@ft.umy.ac.idnd
3 Raka Putra Ismayana，土木工程系，工程学院，穆罕默德迪亚日惹大学raka.putra.2016@ft.umy.ac.id
4 Bintang Noorrohmad Wahyu Nugroho，土木工程系，工程学院，穆罕默德迪亚日惹大学bintang.noorrohmad.2015@ft.umy.ac.id
5 Ariq Naufal Anam，土木工程系，工程学院，穆罕默德迪亚日惹大学ariq.naufal.2015@ft.umy.ac.id
摘要：东南亚印度尼西亚西部的苏门答腊岛地区具有多个沃伦式桁架结构的铁路桥梁，这些桥梁是自荷兰殖民时期就存在的基础桥梁设施。桥梁结构被当作一种工具用来运输煤炭等自然资源。铁路桁架桥在施工的过程中，必须经常对桥梁的施工进行及时并且有效的监测和评估，以确保桥梁结构的可行性，特别是地震荷载大小对桥梁的影响。这是由于最近更改了新的地震灾害地图以及对有关地震负荷做出了新的规定。该研究通过使用SAP2000 V.21软件对42米沃伦式桁架桥结构进行建模，参考使用了SNI 2833：2016的法规（有关地震荷载桥梁规划和2017年地震灾害图）。研究的结果最终表明，模态形状值最大的点是UZ点，其中第6个模态数为0,82536个位移单元，周期值为0,075276秒。周期(T)值的最大值出现在0 37002秒的第1阶模态数上。最大的位移发生在U3点，出现在与轴相对的36,437377毫米处的接头25处。在U3方向的位移值小于允许挠度值52.5 mm。然后，在压力控制下，有13个框架承受了过大压力，框架能承受的最大压力出现在压力框架上，即IWF150.150.7.10框架的Pu值为22,462吨，公称抗压能力(Pn)为12,612吨。综合3篇文献研究可得出，桥梁结构需要对结构横梁1 (IWF1100.400.16.28)的钢筋、2(IWF1100.400.16.28)、7(IWF1100.400.16.28)框架和13至22 (IWF150.150.7.10)框架进行结构上的加固。
关键词——铁路桥梁，沃伦钢桁架，结构的评估，地震危害图2017,SNI 2833:2016
- 介绍
桥梁是由于障碍物如山谷、河流、公路和海洋等的存在阻挡了车辆行人的通行而建造以将不同区域连接起来使车辆行人等能顺利通行的构筑物。为适应现代高速发展的交通行业，桥梁主要支持的形式亦引申为跨越山涧、不良地质或满足其他交通需要而架设的使通行更加便捷的建筑物。桥梁一般由上部构造、下部结构、支座和附属构造物组成，上部结构又称桥跨结构，是跨越障碍的主要结构；下部结构包括桥台、桥墩和基础；支座为桥跨结构与桥墩或桥台的支承处所设置的传力装置；附属构造物则指桥头搭板、锥形护坡、护岸、导流工程等。如今，桥梁主要支持两种交通方式:普通公路和铁路。自印度尼西亚独立以来，在印度尼西亚的各个地区已经修建了很多铁路用来运输甘蔗种植园和[1]多个工厂制造的产品。所以，火车可以通过这些独立的区域使用这些钢桥。由于这个基础设施中的一些结构组件没有及时更新，现在仍然在继续使用。现如今苏门答腊岛楠榜地区有一座仍在使用的老铁路桥。这座铁路桥连接着由一条42米跨度的河流而隔开的两个点。
印度尼西亚也是一个地震灾害潜力巨大的国家，因为它的地理位置位于火山圈地区，并且通过了四个活跃的板块构造地带[2]，因此，具有巨大的地震危险。最近，印度尼西亚国家地震研究中心更新了2017年最新的地震灾害地图[3,4]。考虑到印度尼西亚所发生的大地震事件，因此对地震危害图进行了更新，使数据不断丰富，从而获得更加有效的参数。
这座已经被设计出来并且至今仍在使用的桥梁必须定期的进行检查和评估，以确保通过该桥运输的所有乘客以及货物的安全。在检查的过程应该符合当前的条件，并且要包括各方面的规定和需要。在通过某些方法进行评估桥梁之前，已经进行了很多先前的研究。由于桥梁是一种从大货车到小轿车甚至自行车都会多次通过的结构，因此桥梁的疲劳度可能是许多破坏因素的参数之一。一项研究使用“概率应力-寿命”的方法对桥梁，特别是铁路桁架结构进行了疲劳度方面的评估。这种方法可以预测老化桥梁的剩余寿命。此外，这项研究还从有效性、显著性和合理性三个方面对最终的疲劳寿命的预测结果进行了比较。其他一些研究也对钢桁架桥的疲劳寿命进行了评估，但评估的重点是钢桁架桥[6]的t形连接构件。本研究综合运用实验与有限元分析相结合的方法，针对有效的缺口进行研究。疲劳试验的对象通常是用于钢桥焊接接头的原型接头。从研究中可以看出钢桥强度的保守形象。疲劳度评估是为评估旧桥梁的安全性而进行的众多评估之一。但是，许多评估也可以通过直接在现场测量所有的相关参数来进行许多评估，例如使用分布式光纤作为传感器读取应变指示器参数[7]，甚至故障检测和监测都可以涉及到人工智能(AI)与基于模糊的网络[8]。评估之后，还要考虑从结果中获得的结论以及未来采取的行动。在一项研究中，评估采用恢复程序[9]进行。同时从疲劳状态可以预测桥梁的剩余寿命，并且可以通过多种方法延长剩余的寿命，其中一种方法是采用质量阻尼系统[10]。
其它可能对桥梁造成破坏的重要参数是地震荷载。一项研究对斜拉桥[11]的地震反应进行了数值分析以了解斜拉桥的地震响应。钢桁桥已经成为了众多学者研究所选择的主题,在研究中提出自支撑等方法来取代元素桁架桥[12],进行非线性分析以寻求桁架的破坏机理[13],以及用于大跨度的铁路简支桁架桥[14]。
另一项关于铁路桥梁地震活动的研究是在2015年完成的。此次研究提出了采用流体粘滞阻尼器[15]对钢桁架桥结构进行抗震加固的方案。由于地震的激励，还对桥梁上的高速铁路进行了安全性分析[16]。不仅如此，还从地震活动性[17]中研究了焊接接头的相互作用。同时这个研究还进行了其他测试以查看铁路桥梁的易损性[18]，结构损伤方面的检测也在其他的研究[19]中针对其动力的特性提出。还有许多研究涉及到钢桁架桥梁在地震作用下除了地震荷载外，移动荷载也成为桥梁[22]振动或动力活动的一个因素。如在土耳其的多跨铁路桥[20]和行人桥[21]。
在上述众多的研究中，只有较少数的研究利用位移参数进行评价，其中以服务交通[23]下铁路桥梁的性能化评价为例。本研究以兰榜地区某老旧铁路钢桁架桥梁为例，根据AISC 2010或印度尼西亚钢结构国家标准SNI 1729 - 2015，对其位移和强度与极限的比值进行了评估。所使用的荷载是基于最新的地震灾害地图2017所支持的·SNI 2833:2016地震桥的规定荷载和基于SNI 1725:2016地震桥的正常荷载。本文讨论了现有钢桥构件位移与强度的需求及能力的比较。
二、研究课题与方法
在本研究中，我们把印度尼西亚苏门答腊岛楠榜地区运营区域的一座铁路桥作为本研究分析对象的桥梁。以下是来自结构桥梁尺寸的具体技术数据。
图1、从侧面看二维尺寸的桥 图2、三维桥梁插图和桥梁宽度
本研究使用的材料为钢材，材料和尺寸基于ASTM A36钢材标准中的规定，屈服应力为36 ksi (fy= 250 MPa, fu= 400 MPa)，杨氏模量(Es)为2.1 x 106/cm2利用印度尼西亚UMY大学土木工程系计算实验室提供的许可证SAP2000 v21进行建模。这些模型遵循现有的桥梁设计标准，桥梁的跨度为42米，桥梁的宽度为4.9米。本研究的程序阐述如下。
a.桥梁的设计在AutoCAD 2016中绘制，以找出桥梁结构上的钢型材的长度。
b.在结构的分析程序中进行荷载计算，并且将其输入到桥梁结构模型中，参考以下规定:
1)印度尼西亚桥梁装载(SNI 1725: 2016)
2）印度尼西亚2012年第60号公告铁路要求
3)印度尼西亚第10号铁路建设规划
4)印度尼西亚桥梁地震荷载规划(SNI 2833: 2016)
5)印度尼西亚2017年地震地图
c.使用SAP2000 V.21软件通过结构分析程序对桥梁结构进行建模。
d.采用sap2000v.21对桥梁各部分进行了型钢断面型式的确定。
e.输入根据结构模型计算出的载荷。这些载荷包括静载荷，活载荷，冲击载荷，铁路侧向载荷，制动和牵引载荷，离心载荷，纵向铁路载荷，风载荷，地震载荷。
f.利用sap2000v.21上的动载工具，建立了列车动载的动载模型。
g.根据有效的规定，来确定将输入到桥梁结构模型中的荷载组合。然后通过荷载组合来确定桥梁结构模型中输入的所有荷载所能产生的最大荷载。
h.检查在SAP2000 V.21软件上建立的桥结构模型。需要检查的重要事项是建模的轮廓的类型和尺寸以及桥上的工作载荷。
进行“运行分析”从已经完成的桥梁建模中获取结构分析的输出和结果
三、结果和讨论
A.模式的形状
对于向UX的主要运动发生在模式编号6中，它是0.82536位移单位，周期值为0.075276秒； 对于向UY的主要运动发生在模式编号1中，它是0.432378位移单位，周期值为0.370023秒；对于在UZ方向上的主要运动，发生在模式编号4中，它是0.7308位移单位，值为0.124213秒 。 在模式1下，在桥梁结构上产生的最大振动周期的周期值（T）为0.37002秒。这些值可以在图3至图5中看到。
图3.周期和振型在X方向上的位移
图4.周期和振型在Y方向上的位移
图5.周期和振型在Z方向上的位移
模型中所发生的振型可表示为三维变形钢桁架桥，如图所示图6.8所示。
图6.X方向的振型
图7.Y方向的振型
图.8.Z方向的振型
B．位移
在U1方向的最大位移值出现在关节51处(图.9)值为11。222773 mm, U2方向出现在关节54处(图.10)值为-0。615116 mm, U3方向位于关节25处(图.11) -36,437377 mm。符号min(-)表示与轴U2和U3方向相反的位移方向。在图.12,图.13和图.14给出各方向位移值的曲线图，即U1, U2, U3。
图9.周期和振型在Z方向上的位移
图10.周期和振型在Z方向上的位移
图11.周期和振型在Z方向上的位移
图12.x方向上的位移
图13.y方向上的位移
图14.z方向上的位移
在U3处在接头25处产生的位移结果与U3相对，其值为36.437377毫米，小于允许的挠度值，等于52.5毫米。 因此，我们声明该结构可以防止发生变形，是安全的。
C．元素压力
应力参数是根据几种应用的组合进行控制的运行分析，如表I所示
表Ⅰ
运行分析和结构检查结果在条件1-9下，钢框架在运行时对条件1-9下的荷载是安全的(图15)。在条件10和条件11中，增加并且执行了列车荷载/移动荷载，两者具有相同的容量比率值。结果表明，有13个钢框架的容量存在失效或不安全状态(图16)。破坏的框架为上部风结合梁以及3根横梁。
图15.安全条件
图16.最终状态
横向梁上有3个形式为IWF1100.400.16.28的框架受力过大，比率框架图如图20所示。杆/框架位置过应力，如图17至19所示。
图17.从纵向看框架受力过大
图18. 1、2号框架(IWF1100.400.16.28)
图19. 7号框架(IWF1100.400.16.28)
图20. 第1、2、7帧的比值和极限比(IWF1100.400.16.28)
图21.在抗风支撑中会产生过大的应力
图22.细部框架号13-18 (IWF150.150.7.10)
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