CRC板梁式桥梁的现场试验和分析外文翻译资料

 2022-11-06 02:11

CRC板梁式桥梁的现场试验和分析

Tanarat Potisuk1 and Christopher Higgins, P.E., M.ASCE2

摘要:本文提出了对上世纪50年代设计的两常规钢筋混凝土CRC板梁式梁桥的现场测试和分析。桥梁指的是出现斜裂缝的使用中的桥梁,在高剪切地区的桥梁箍筋应变被用来估计分布剪切因子,报告了基于现场试验的影响因素。对现场测量的响应与AASHTO因素进行了比较。运用三维弹性有限元分析对测试桥梁进行建模,并确定具体剪切的分布因素。用八节点壳单元模拟桥面,隔膜,盖梁,和大梁。用梁单元模拟柱下弯帽。将分析预测分布的因素与现场试验数据比较。最后,根据AASHTO LRFD和标准规范使用程序对桥有限元模型进行计算来比较剪切负载分配因素。

关键词:桥梁测试;混凝土加强,剪力分配;三维模型;桥梁桥面;现场试验。

引言和背景

国内现存的大量传统的钢筋混凝土CRC桥梁对剪切加强非常少。最常见的类型之一是桥面梁桥,从20世纪40年代末到20世纪60年代初,桥面梁桥在公路扩建中广泛使用,这种类型的桥梁有梁整体铸造的板坯,可以是单跨或连续多个支持。这些桥梁中很多即将达到其原本的设计寿命极限。而且高估混凝土对抗剪承载力设计值的贡献的联合作用,降低了对弯曲钢锚固的要求,增加了负载的大小和体积,以及收缩和温度的影响,可能会促进斜拉裂缝在这些桥梁中的产生。由于相对轻剪切加固,斜裂缝可能不能很好地约束,因此裂缝变得相当宽。约1800年份俄勒冈的CRC板梁式桥梁显示,超过500座有不同程度的斜拉裂缝ODOT 2002。这些结果引起负载记录,监测,急救护,修理和桥梁更换。评估这些桥梁的剪切需要需要对桥梁构件的负载效应和分布的预测。除了桥梁自重,桥梁评估需要对桥梁的活荷载效应进行调查,目前的做法是使用分布系数对梁进行车辆荷载效应分配。标准规范AASHTO 2002使用梁间距计算室内梁的梁荷载分布系数。对于外部大梁,车轮荷载分布在作为大梁之间简支梁的桥面上。分布因素被认为是相同的弯矩和剪切。负荷分配的因素也可以由AASHTO LRFD桥梁设计规范2003确定。分配系数的计算公式是通过NCHRP第12-26 zokaie等人在1991年研究开发。该公式基于几个参数提供了一个在几何参数的范围内更好的估计桥梁系统的负载效应的方法。然而,用于AASHTO桥梁规范的载荷分布的因素对于一个特定的斯图尔特桥等桥可能过于保守,这可能会导致不必要且昂贵的维修和关闭。另一种是现场试验提供原位测量的一个桥梁荷载分布更精确的估计。然而,对有RCDG桥斜裂缝的老式大量钢筋混凝土桥面梁进行现场试验几乎是不可能的。板梁桥的数值模拟也可以用来获得一个桥梁的分布因子。有限元方法已被用来确定内部作用的整个结构的分布。适当选择元素和材料特性是必需的,各种研究人员采用建模技术估计荷载分布。Hays等人和 Brockenbrough 1986年采用壳单元对桥梁大梁的桥面和桥梁框架元素进行模拟。Tarhini和Frederick 1992用砖元素模拟桥面并用壳单元模拟梁。试验表明,混凝土裂缝对结构性能的弹性范围内的桥梁结构的整体性能影响较小,模拟混凝土结构开裂分析AASHTO LRFD 2003是可以接受的。一些研究表明,线弹性有限元建模足以模拟几种等级范围的开裂混凝土桥梁。Nowak等2000年用线弹性有限元模拟桥面开裂桥梁并比较分析现场实测响应的结果。Al Mahaidi等人2000年采用线弹性有限元模型比较了在一个旧的钢筋混凝土板梁桥中弯曲载荷分布的实际测试结果。混凝土粗骨料横截面的性能被考虑到,模型忽视了钢筋导致桥梁开裂。使用有限元分析探究跨度、板厚和轮荷载对简支单跨钢筋混凝土板桥的影响。线弹性假设的建立,只有弯曲型梁分配因子被包括。在线弹性范围内Tabsh 和Tabatabai使用有限元法为美国国有公路运输管理员协会完善了弯剪梁的修正系数和在考虑到超重卡车时的分配因子

图一:传感器位置示意图(mm)

现场试验

两座选中的桥被使用在现场试验和后期的模型分析中。

桥梁参数

Willamette River Bridge在俄勒冈219号高速公路,靠近纽伯格。桥面梁桥设计于1954建于1956。混凝土引桥具有明显的斜裂缝。这座桥由规则的矩形等截面梁构成。引桥由三个长度为16.76米(55英尺)总宽度为10.67米(35英尺)的等跨组成。一个等跨度由一个有五个梁368毫米*1,346 毫米 (14.5英尺*53 英尺.)的简支跨和两个由四个梁330毫米*1,346毫米(13英尺.*53英尺.)组成的连续跨组成。

229毫米*1,219毫米(9英尺.*48英尺.)的钢筋混凝土膜片被安放在每跨的四分之一点处.在边长为762毫米的方柱上引桥有三个简支和一个连续的带盖梁419毫米*1,803毫米(16.5英尺.*71英尺)的支撑.钢筋混凝土桥面有152毫米厚。5号州际公路的麦肯齐河大桥在莱恩县横跨麦肯齐河。这座桥每一端有四根钢筋混凝土桥面引桥,并于1960建造。对麦肯齐河大桥北行车道南引桥进行测试。南引桥从支点的中心线算每跨15.24米。最南边的跨是一个简支跨,之后是连续的三跨。每跨上的路宽为9.14m,总宽度为10.72米。每跨有四个梁线,229 毫米*1,168 毫米的膜被放置在四分之一点处。沿着简支跨梁是均匀的368 毫米*1,219 毫米棱形体。在连续跨中,跨中中间的一半是330毫米*1,219 毫米的梁,但在连续支撑位置腹板宽度变宽到508 毫米*1,219 毫米。盖梁尺寸为419 毫米*1,905 毫米放在边长为508毫米的方柱上。钢筋混凝土桥面厚152毫米.混凝土标准强度为22.8 MPa,两座桥的钢筋规定的屈服强度为280 MPa。这些桥梁的结构图纸被发表在Higgins。

检验仪器

对梁盖和纵向桥面梁进行了检查,以判断斜拉开裂程度。裂缝宽度测定使用的是俄勒冈运输部的ODOT裂纹比较器。对裂缝宽度为0.2毫米或更大的位置进行测量和记录。箍筋采用Proceq profometer 3钢筋定位仪确定。观察梁盖、內梁、外梁中的斜裂缝。一般来说,外部梁发现的开裂比内部梁的开裂更严重,与相邻的內梁相比外梁更宽更多。在靠近梁中承式和锥形很细或零在梁底面和零压区裂缝宽度更宽。

在威拉米特河大桥观察到的最宽的裂缝有1.25毫米,在麦肯齐河大桥靠近外梁内支撑的裂缝有0.76毫米。在某些情况下,斜腹板裂缝沿着干网页底界面转向水平。

检查后,应变计和位移传感器被安装在选定的对角裂纹位置。应变计安装到混凝土中并嵌入裂缝处暴露的箍筋上。去除的混凝土数量取决于混凝土的保护层,但标准的做法是围绕裂缝将混凝土整体拆除长度约102毫米以暴露箍筋。通常不去除变形图案以安装应变计,除非纵向肋位于外表面上。位置传感器通过对角裂纹表面安装在应变计位置附近,以测量裂纹运动。 对于威拉米特河大桥,应变计和裂缝位移传感器安装在8个位置。 对于Mc Kenzie河大桥,应变计安装在桥上的24个位置。

表1:仪表的位置

从桥的左端测量图1所示。

位于弯曲梁上。

裂缝位移传感器也安装在其中六个位置。 仪器位置如图1所示,摆动量规和位置传感器连接到数据采集系统。 系统将传感器读数和转换信号记录为相应的钢筋应力和裂纹位移。 来自传感器的数据被归档用于检索和后期处理。

测试方法

使用受控卡车装载进行现场测试。如图所示,在两座桥梁上进行了砾石填充的ODOT维修车辆试验,在试验前确定轴重和间距,如图所示,使用滚动的路障,交通工具暂时停止或减速,以便在收集数据时,控制卡车将成为桥上的唯一车辆。控制车辆以几个指定的速度和车道位置过桥。测试速度从5至65公里/小时从8至105公里/小时不等,车道位置包括将卡车放在卡车车道,通行车道和乘客侧轮胎位于边线上。对于威拉米特河大桥,进行了八个卡车通行。对于Mc Kenzie河大桥,进行了十二个卡车通行。在试验车每次通过期间,记录了马镫应力和裂缝位移。测试桥梁的箍筋应力范围如图3所示。图中显示的测量应力范围由控制卡车以8公里/小时(5英里/小时)行驶.

图2:试验车的轴间距和重量(长度:mm)

图3:卡车仪表位置测量应力范围旅行8公里/小时(5英里/小时)

动态影响

随着车辆以高速行驶跨越桥梁,由于结构在移动载荷下的动态响应或由于轮子在桥面表面上的冲击,由于不均匀的接近或桥面表面缺陷,静力效应可能会放大。使用每个镫形应变位置的控制测试车辆数据,将冲击/动态系数确定为当叉车在行驶速度下在标记车道上移动时产生的峰值应变的比值,超过卡车上的峰值应变 在标记的车道上慢慢移动8公里/小时(5英里/小时)穿过桥梁。 对于这些比较,最小慢速马镫选择5.2 MPa(0.75 ksi)的应力,使得使用非常小的应力大小的冲击比不会使结果偏离。标记车道行驶速度,当卡车在标记的车道上慢慢(8千米每时)地穿过桥梁时,超过了峰值应变。对于这些比较,选择5.2MPa的最小慢速镫形应力,使得使用非常小的应力幅度的冲击比不会使结果偏斜。

另外,仅针对在每个不同测试速度下的镫形位置产生最高应力大小的卡车车道位置确定碰撞系数(例如:如果当撞击处于通过车道时在马镫中产生最大应力,则对于所有测试速度确定碰撞系数,但只有当撞击位于通过车道时)。这与将冲击效应应用于最大载荷效应的规范方法一致。还考虑了从另外两个CRC甲板桥梁桥梁的附加现场试验获得的冲击系数,Jasper和15 Mile Creek Bridges。两个仪表桥梁的设计和建造大概与Willamette和McKenzie River Bridges的时间相同。这些提交的测试的完整细节由Higgins等人描述。对于所有测试运行,影响系数如图4所示,图4中的实心符号表示测试桥梁的弯曲盖位置。如图4所示,有动力效应降低应变幅度(比值小于1)。威拉米特河大桥测得的单一最大冲击系数为1.46。

AASHTO标准规范使用影响因子 ,其中L =加载的跨度的长度以产生最大载荷效应。最大冲击分数为30%。这是与以前版本的规范中使用的相同的影响因素。对于典型的桥梁(跨度长度16.8m),计算的冲击分数为28%。AASHTO LRFD规范对疲劳载荷组合使用的冲击系数为15%,而对于考虑负载的组合则使用33%的冲击系数。平均来说,现场测量的影响分数小于AASHTO规定建议的影响分数。虽然威拉米特河大桥上的三个仪表位置产生了高于1.33的冲击系数,但似乎不太可能对截面(包括几个格栅,甲板,多个裂纹/未破裂的腹板和许多马镫)的所有部件作用的剪切力和力矩, 都会增加这么大。因此,AASHTO LRFD 1.33的影响因素似乎为剪切力影响提供了合理的动态放大。

图:实地研究桥梁的影响系数

表2.基于ODOT卡车的大梁分布在威拉米特河大桥的车道中以爬行速度行驶

负荷分配

桥梁上跨越各格栅的剪切分布由桥梁的仪器化部分的高度测量马镫应力峰值的相对幅度推算出来。在每个车道位置以爬行速度(8km / h)的卡车通道的最大测量马镫应变确定剪切分布。车道上的一辆卡车和两条车道的两辆卡车都确定了分配因素。通过将卡车的影响与位于卡车车道中的卡车在通行车道中叠加来计算多车道负载分布。桥的给定部分的应变除以该截面上所有网格上的应变的总和以确定分布因子。在可能的情况下,使用给定部分的所有格栅的镫骨应力来确定分布因子。在相邻的格栅不进行装配的情况下,基于来自相邻装饰格子的响应的对称性来推断应力。拉力是来自willamette river bridge的范围测试数据由于卡车车轴方向的不同,原因是往南和往北两个方向关系着仪表位置。往南的拉力路径被放大是以在影响纵轴坐标上感兴趣的位置的剪切大小为基础的。增加拉力会导致往南路径0.1分配因素的基础是每个范围研究桥在表2.表3显示出的拉力测量值在一些例子里,箍筋拉力在腰部显现的小于在截面处的。这很典型的是由于垂直方向裂缝导致在箍筋上没有产生足够拉力。

表3:基于汽车行驶在蠕变梁分布ODOT速度和位于麦肯齐河的不同车道位置

表4:车轮负荷和轴重分配因素的杠杆规则(没有多重存在因素)

注意:粗体表示外部梁的控制分布系数,粗斜体表示内部梁的控制分布系数。

分配因素计算这里代表的在桥上的静态剪切的比例,来自测试的卡车指定的单个纵梁在考虑之下的选择。原始设计时的剪力和弯矩的荷载分布是基于aasho1953 section3的梁间距。车轮负荷率s/1500是用于在两个或更多交通车道的桥梁上有混凝土楼板的内梁,s是梁间距的平均值。外部梁的设计假定车轮载荷分布的甲板作为一个简单的梁之间的大梁。这种技术被称为“杠杆规则”。在杆的端部的车轮/车轴负载的横向分布计算使用杠杆规则方法。现在的AASHTO标准规格使用相同基本规定的剪切载荷分布,但现在桥梁所使用的车轮负载分数s/1800有两个或者更多的车道。对于梁间距和AASHTO HS20设计的卡车,剪切力和等效分布因素可测定范围研究桥梁的内部和外部梁。采用杠杆原理的方法的车轮/车轴负载部位明显超过计算的剪切力的位置。在桥梁跨度上其他的车轮荷载被分配在规范(s/1500 s/1800)规范值为两个或者多个车道,并且因此大量出现的负载隐藏在分布值中。1953AASHO规定没有要求外部梁承受不少于内部梁的剪切值,但是所有的梁需要能够承受在任何位置的静态剪切。目前的规范要求外梁承受相同或者更大的剪切力比起内梁。荷载分配系数也通过AA4HTO LRFD确定。

对于分布系数计算公式通过NCHRP

对于内梁,每车道的剪力分配系数计算是

对于外梁,分配系数取决于对每个设计车道承载使用的杠杆规则,然而对于两个设计车道承载的分配系数是

SECTION也考录了外墙的分配系数计算。此检查包括对梁板横截面的考虑。分配因素通过“桩帽的类比”确定。 如。

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