箱梁桥支撑的横向分析外文翻译资料

 2022-11-06 02:11

箱梁桥支撑的横向分析

一、摘要

Strubox这个电脑程序用于箱梁桥支撑的横向分析，特别是用于使用了有支柱翼的箱型截面加宽方法来进行设计和建造的桥梁。该程序允许甲板预应力和其他加强件能够成比例的横向挠曲，并且允许腹板箍筋和板材成比例用于纵向剪切和扭转。该程序还给出了剪切滞后效应的严重性的指示。该程序基于折板方法，并不比平面框架计算机程序更难使用。本文还展示了如何通过使用一些简单的膜力方程结合平面框架分析近似折叠板的方法分析给出的结果。特别有趣的是，单独使用平面框架分析来逼近支撑箱梁桥梁以及其他箱梁桥梁的折叠板分析的结果偏于危险，因为这两种方法得出的轴向力图存在显着的差异。

数字对象识别符：10.1061/ASCE1084-0702200611:133

关键词：桥梁，箱梁; 计算机应用; 混凝土，预应力; 折叠板 集中

二、介绍

最近推出的支撑箱加宽方法SBWM提出了一种新的桥式，这种桥式允许设计和构造双通道节段桥或其他预应力混凝土箱梁桥，在未来的任何时候，使其可以容易地扩大到三车道或四车道桥梁。由于只有在保证交通量的情况下才需要扩展，这是一个非常有吸引力的解决方案。SBWM的两个特别吸引人的潜在应用是基于中速的高速公路和主要的长跨越交叉点。

本文使用通常用于高架中型高速公路的跨距预制节段桥梁的示例来描述SBWM。引入计算机程序STRUTBOX用于支撑梁桥的横向分析。他的方案是基于折板方法。 在设计讨论了横向弯曲，纵向剪切和扭转以及剪切滞后中使用该程序。纵向挠曲设计已经在以前的Shushkewich 2003年的论文中进行了描述。抗震设计在本工作的范围之外，将在以后的论文中讨论。

三、支撑箱扩大方法

SBWM允许设计和构造双通道节段桥，使其可以容易地扩展成三通道或四车道桥。让我们定义三个阶段的构造，如图。 1：1阶段1 - 2车道加上路肩; 2阶段2 - 3车道加上路肩; 和3个第3至第4个车道加上路肩。因此，桥梁最初将被建造成拥有两座3.660米长（12英尺）的车道，另外还有两座3.050米的（10英尺）的车道。随着交通量的增加，目的是扩大到三车道加路肩。 随着交通量不断增加，将进一步扩大到四条车道加上路肩。这使得阶段1中的甲板宽度为14.330米（47英尺），阶段2中的甲板宽度为17.990米（59英尺），阶段3中为21.650米（71英尺）。

是什么使SBWM这样一个有吸引力的解决方案可以完全灵活的。 这是因为只有在交通量保证时才需要加大扩张。 如果交通量没有像预期那样快速增长，则扩展可以无限期地延长，或者只要有必要延长。 如果交通量增加速度超过预期，桥梁可以从两条车道扩大到四条车道，直接不需要中间三车道桥梁。 因此，桥梁在使用寿命结束时的最终配置可以是两个，三个或四个车道。

SBWM在概念上很简单。 从第1级到第2级加固时，安装了外部压缩支柱，并扩大了甲板板。 安装额外的横向内部预应力筋和纵向外部预应力筋并张拉应力。 从阶段2到3的扩展是相似的。 甲板板再次伸展悬臂，另外还有安装横向内部预应力筋和纵向外部预应力钢筋并张拉应力。

作为示例，考虑通过跨越跨度方法构造的八跨度常数第一预制节段桥梁。 所有跨度为45米（147.6英尺）结构的整体长度为360 m（1181.2 英尺）。 两个四跨单位的桥梁在接口处有一个伸缩接头以及在基台处。 每个结构单元都在中间码头固定轴承和其他码头的扩建工程。

图1.横截面扩大

作为说明性的例子，考虑由跨越跨度方法构建的八跨度恒定深度预制分段桥梁。 所有跨度为45米，结构的总长度为360毫米。 桥梁由两个四跨单元组成，在接口处有一个伸缩接头以及在基台。每个结构单元在中间码头的固定轴承和其他码头的膨胀轴承。

截面深度为2.8米，横跨深度比为16，支柱角为24度。 联合支柱由直径300毫米的钢管组成，端面板框架成混凝土建筑物，并将载荷直接从三角形的纵向L型梁和甲板层的T型梁转移到底板。

段布局和支柱位置如图1所示。 每个跨度都有14个3.0米的典型段，通过150毫米现浇封闭接头连接到2.7米墩段。 支柱位于距离该段的配对面1.5米处。 这为桥梁的长度给出了3.0米的均匀间距，并且简化了铸造，因为支柱总是在铸造单元中位于相同的位置。 施工顺序是从桥的一端到另一端。

图2.桥梁高程

图3.分段布局和支柱位置

图4中显示了纵向外部预应力筋的横向布置以及偏心隔膜上的舱壁细节。阶段2和3的构造每个跨度需要两根12股钢筋。 这些悬垂的腱被压在偏离隔膜上并锚固在墩/邻接隔膜上。（请注意，第一阶段使用内部和外部肌腱。）

图5为三段施工方案和剖面横向内部预应力筋布置图。每根肌腱由管中的四根股组成。每个3.0米（9.8）英尺有八个横向预应力筋典型段。第一阶段强调两条钢筋，第二阶段强调两条钢筋，第三阶段则强调四条钢筋。（请注意，阶段3腱只有两条线，允许一些未来的应急预应力。）

图4.纵向外部预应力筋布局

图5.横向内部预应力筋布局

四、横向分析

提出了计算机程序STRUTBOX用于支撑柱梁桥梁的横向分析。 它允许甲板预应力和其他加强件成比例的横向流动，以及腹板箍筋和板材加强成比例用于纵向剪切和扭转。 它还可以设计压缩支柱和外部纵向T形梁。 考虑的载荷是自重，叠加的载荷（集中的车轮荷载），卡车载荷，车道载荷和横向预应力。

折叠板方法基本上是直接刚度法与傅里叶级数谐波分析的耦合，使得二维折叠板结构可以用一维元素分析。 这些一维元素具有板弯曲和膜刚度，并且连接到每个节点具有四个自由度的节点（三个位移和一个旋转）。折叠板方程式最初是由戈德堡和莱夫在1957年得出的， 并在1964年被DeFries-Skene和Scordelis应用于折叠板结构的直接刚度解决方案。

经典薄板理论用于确定由于正常载荷引起的应力和位移，而使用定义平面应力问题的弹性方程用于平面载荷。 基于弹性理论的一维元素的使用给出了一个“精确”的解决方案。 该方法限于仅在最末端支撑并具有各向同性材料特性的棱柱结构。假设端面隔膜平行于自己的平面无限刚性，但垂直于它们的平面完全可以自由。

图6.分析方法和标志规则

图7.STRUTBOX电脑模型

尽管程序仅限于简单支持的跨度，但它可以以近似的方式处理连续的结构。 对于横向流动，连续结构的活动点的静载荷之间的距离可以作为简单支撑结构的跨距长度。 对于纵向剪切和扭转，连续结构的跨度的实际长度可以用于简单支撑的结构。

图6示出了可以使用折叠板分析和平面框架分析来分析说明性示例中描述的桥。折叠板分析的跨度长度为：0.6times;45.0=27.0 m（88.6英尺）用于横向射出，而纵向剪切和扭转为45.0 m，而平面框架分析考虑了压缩支柱之间的3.0 m间距作为单位厚度。

在折叠板分析和平面框架分析中作用的元素力也在图1中示出。 这些被表示为膜力和平面框架力。 关于膜力符号约定，Nxx是纵向膜力，Nxy是膜剪切力，Nyy是横向膜力。 关于平面框架符号约定，Nyy又是横向膜力，Qyy是横向正常剪切力，Myy是横向弯矩。 除了这些力之外，完整的折叠板分析也将具有纵向正常剪切力Qxx，纵向弯曲力矩Mxx和扭转力矩Mxy，但是这些力在这里是无关紧要的，将被忽略。 Nxx，Nxy，Nyy，Qyy和Myy的确定是有用的，原因如下：

  1. 横向预应力和其他增强材料必须设计成抵抗横向弯曲力矩Myy和横向膜片力;
  2. 网镫骨和板材加强件必须设计成抵抗由于纵向剪切和扭转的膜剪切力Delta;Nxy;
  3. 纵向预应力和加强筋必须设计成抵抗纵向膜力Nxx（虽然处理纵向力矩比纵向膜力更为常见，但是Nxx的确定仍然有用，因为它给出了剪切滞后效应的严重性的指示）。
  4. 箱梁的单个元件必须足以抵抗横向正常剪切力Qyy。

图7所示为三个阶段的STRUTBOX计算机模型。 顶板和底板的节点保持恒定的高度，当进入每端的元件厚度时，考虑到甲板厚度的变化。 压缩支柱被建模为仅在横向具有轴向刚度，并且该刚度在纵向方向上均匀分布。 尽管在图7中它们似乎是偏心的，但是压缩支架也将框架同心地放入底板中。

附录表明，通过折叠板分析给出的第3阶段自重的元素力（Nxx, Nxy, Nyy, Qyy, and Myy）分布可以通过使用一些简单的膜力方程结合平面框架分析来近似。特别感兴趣的是，如通常使用的平面框架分析有危险的事实吗？ 近似于支柱箱梁桥梁以及其他箱梁桥梁的折叠板分析结果。这是因为两种方法给出的轴向力图有明显的差异。

图8. 横向装载箱（第一阶段）

五、横向弯曲设计

三级施工中的每一级的横向载荷情况如图8到10所示。每个结构都受到五个负载情况的影响。这些包括AASHTO标准规范中给出的自重，超强负载和HS25卡车负载的三种变化【本文还适用于AASHTO LRFD规范中给出的HL-93卡车负载。实际上，本文不是依赖代码，可以用于世界任何地方的实时负载】。HS25卡车负载的变化对应于正内部时刻，负内部时刻和负外部时刻。 P的值确定如下：P=71.17x1.25x1.30=115.6 kN。这71.17 kN是HS20卡车的最大车轮负载，1.25这个系数将HS20负载转换为HS25负载，1.30是最大冲击系数。STRUTBOX程序在每个卡车的桥面上共放置六个载荷（横向两个，纵向三个，中间的轴位于中跨）。使用STRUTBOX可以在Pucher的影响表面绘制单个车轮负载，然后使用平面框架分析获得分布效应，如1999年AASHTO分段指南规范所推荐的。

图11到13显示了三个阶段的每个负载情况的横向弯矩图Myy和横向应力图Nyy。弯曲力矩kN-m / m 绘制在张力侧，轴向张力εkN / m 是积极的。 由于横桥预应力作为应力检查的一部分，由于桥面板每个位置处的控制载荷引起的横向应力和轴向应力与每个施工阶段的每个关键位置都有压缩储备（注意，每个施工阶段的横向预应力水平都会在关键位置变化）。在桥面板的所有位置也检查极限强度。 用于底板和腹板的加强件成比例地承载调节弯矩和轴向力。（纸幅设计用于横向照射以及下一节中描述的纵向剪切和扭转）。

一般来说，在桥面板的每个位置必须考虑两个应力负荷情况：（1） 最大弯矩与相应的轴向力;(2) 最大轴向力与相应的弯矩。 例如，第3阶段施工的网板上的内部顶板位置（图13）。车道荷载2的最大负矩是：41.3 10.8 98.2=150.3kN-m/m，而相应的轴向力为137.6 54.9 15.5=208.0 kN。同时，最大轴向张力（车道荷载3）是137.6 54.9 147.9=340.4 kN/m ，相应的弯矩为 41.3 10.8 0.052.1 kN/m-m。因此，可以总结出，对于阶段2和3构造的重要卡车装载位置是在靠近障碍物路边缘处具有卡车，因为这种情况在支柱中引入最大的压缩力，并且因此在甲板中引入最大的拉力。

现在考虑第3阶段施工的压缩支柱和外部纵向T型梁的设计（图13）。压缩支柱设计用于轴向压缩52.2 40.2 150.2=242.6 kN/mtimes;3.0 m=727.8 kN。纵向T型梁被设计为连续梁，其具有间隔3.0米并承受242.6kN / m（16.63klf）的均布荷载。（第二阶段施工的纵向L型梁的设计是相似的）。

图9.第二阶段的横向荷载情况

图10.横向装载箱（第3阶段）

图11.Myy和Nyy为横向射击（阶段1）

六、纵向剪切和扭转设计

鉴于所有三个阶段的施工都需要考虑横向施工，只有第3阶段需要考虑纵向剪切和扭转(图14)。该结构受到四个负载情况，这些包括自重，叠加的静载荷和2002AASHTO标准规范中给出的HS25车道载荷的两个变化。（如前所述，本文还适用2004 AASHTO LRFD规范中给出的HL-93车道负载）。HS25车道载荷的变化对应于最大剪切力和最大扭矩，请注意，扭转的完整分析除了偏心的活载荷之外还需要翻转风荷载。车道负载2的w和P的值如下确定：

W=9.338times;1.25times;1.183times;0.90=12.43 kN/m，P=115.6times;1.25times;1.183times;0.90=153.8 kN。其中9.338kN /m 是否均匀载荷和115.6 kN是HS20车道负载的剪切集中载荷，1.25将HS20负载转换为HS25负载，0.90是三通道的负载折减

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