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单跨预应力桥梁：钢结构设计与比较 Richard J. Nielsen, M.ASCE,1 and Edwin R. Schmeckpeper, M.ASCE2 摘要：这份报告总结了美国国家公路与运输协会标准标准第 16 版对高速公路桥梁的说明下单跨美国国家公路与运输协会标准 III 型梁桥的设计比较和美国国家公路与运输协会标准下钢结构设计的说明。作者主要强调了设计理念的差异，计算程序的差异和由此产生的结果的差异。而基础设计和相关的岩土工程技术没有考虑。这个钢结构设计在很多方面类似于标准规范设计。显著的区别有以下几点：1，增加了抗剪加固；2，增加了悬臂面板的加固；3，增加了翼墙的加固。如果一座桥是完全根据钢结构设计规范来设计的，这样的比较很可能会改变一座桥的设计，而不是单纯作为一个比较设计。根据钢结构设计规范设计程序，往往使计算更为密集。然而，钢结构设计规范复杂性的增加平衡了设计理念的一致性，使它可以考虑到各种桥梁。 CE 数据库关键词：梁；荷载和抗力系数设计；预应力；桥梁，跨越。 介绍：直到 90 年代中期，美国的桥梁设计依照的是美国国家公路与运输协会标准标准公路桥梁规范第 16 版（标准规范） （美国国家公路与运输协会标准 1996） 。该美国国家公路与运输协会标准标准钢结构桥梁设计规范（钢结构规范）随着 1994 年推出第二版于 1998 年为桥梁设计提供了新的标准，解决了在标准规范（美国国家公路与运输协会标准标准 1994 年 a，1998 年）几个已知的问题。由于在钢结构设计规范的前言指出，首要关注的问题是“有迹可循的差距，不一致性甚至是矛盾和斗争的”，这一现象是规范数十年演变的结果。第二个关注的问题是希望为“纳入最近开发的设计理念，设计荷载和抗力系数”（美国国家公路与运输协会标准 1994b） 。这也表明，钢结构设计规范的作者尝试在钢结构设计理念中增加更多的最新的研究。 在设计理念上的变化和新的分析方法纳入导致了设计过程的早期过程显著不同。 但是， 当前有许多研究也提出了例外， 所以新的规范有意地使设计程序更加规范化。 Asward和 Jacques 从标准规范到钢结构具体设计提出了一个具有影响的参量。 设计方法的改变是重要的，对于那些习惯于根据标准规范工作的工程师是一个重大的挑战。为了努力引导新规范的过渡，爱达荷州运输部（IDT）拥有了第一台单跨预应力混凝土梁桥标准规范设计的检查仪器，如图 1 和 2。然后依照钢结构设计规范包括和1997 年临时修改的规范重新设计桥梁。 本文总结了在根据钢结构设计规范时设计过程的重大变化和与标准规范比较的结果。然而，在这个报告中提出的结论应该被视为按照工作的范畴。首先，设计经验仅仅限于单跨美国国家公路与运输协会标准标准性桥梁；这些结论并不适用于多跨或者钢桥梁。其次，一些设计参数的选取是为了便于标准规范和钢结构设计的比较。仅仅考虑钢结构设计可能有所不同。例如，悬臂板和梁的间距在标准规范和钢结构设计上是相同的。 如果直接的比较没有必要， 它可能有利于减少钢结构设计的悬臂板和调整梁的间距。 比较是有序地呈现在他们偶遇的设计当中：通常设计考虑因素，遵循梁抗弯设计，梁抗剪设计， 桥面设计和桥墩设计。 基础设计和相关岩土工程的考虑不包括在这篇文章。 1. 一般设计考虑 钢结构设计理念为钢结构，混凝土结构和其他材料机构提供了一个相同的框架。然而，这种方法虽然灵活但也增加了过程的复杂性。 2. 钢结构设计理念 在一般情况下，荷载和抗力设计规范基于他们在极限荷载和极限破坏模式，即条件设计。虽然这是富有哲理的，并提供一致的可靠性对抗破坏，但这是不容易应用到其他的设计因素上，如挠度，可维护性，疲劳，或者徐变，这些通常由荷载来决定的，即日常的各种荷载和挠度。正是由于这种差异，有些国家建立了专门针对预应力梁设计的规范，例如，服务极限状态，这关系到预应力混凝土结构的伸缩性喝裂缝的控制（美国国家公路与运输协会标准 1998） 。幸运的是，钢结构设计规范的编制允许灵活地来适应这些具体的案件。然而，由此产生的荷载和抗力的因素似乎比强度极限状态所采用的因素更不保守。 设计人员应该认识到， 他们所选择的用于提供设计的应该与标准规范一致。 3. 复杂性跟一致性 由于钢结构设计规范试图用一种设计方法统一各种桥梁组建的设计，该过程的复杂性大幅增加。就如上面所提及到的，极限状态的数目增加了很多。在钢筋混凝土和预应力的情况下，千磅每平方英寸取代了磅每平方英寸作为压力单位。因此，一些设计公式似乎已经发生重大变化的时候，事实上，他们并没有这样做。 在一定程度上，钢结构设计规范的一致性趋向于平衡它的复杂性。就像提到的，标准规范是经过几十年不断发展的标准和程序的结果。“错落有致”的标准规范的性质一定意义上由被国家交通部门采用的存在感知的不充分的标准规范的内部设计所混合而成。为了提供一个真正的标准规范与钢结构设计规范的比较，没有增补性质的内部设计标准被加到钢结构设计规范。这种方法避免了引进了钢结构设计理念的不一致。 4. 术语 下面所描述的碰撞的案例分析导致了术语考试在钢结构设计规范的使用。钢结构设计规范用“极限”来描述 2 个不同的项目。 条例 3.4.1 是指“极端事件”， 即极端荷载事件 （美国国家公路与运输协会标准 1998） 。例如，“极端事件”是一种加载事件，其中包括“车辆碰撞”。 另一方面，条例 3.6.1.3.1 是指“极端力的影响”。仔细阅读这篇文章可以得出，“极端力的影响”的讨论设计到荷载的安排来产生最大或最小的剪力（美国国家公路与运输协会标准 1998） 。 因此， 在条例 C3.6.1.3.1 最后一段关于“车辆可以开上人行道的可能性”的讨论是指获得最大力影响的荷载的定位。这并不意味着汽车在路缘或者人行道的位置就是条例 3.4.1（美国国家公路与运输协会标准 1998）中每篇文章所提及的一种极限荷载事件。 因此，它是由工程师来判断决定是否在路边或者人行道应该被包括在极端事件（条例 3.4.1） ，或者应该被包括在服务于强度极限状态（如服务，服务，或者强度）中。如果事件循环的间隔与事件“被认为超过设计寿命”（条例 C3.4.1；美国国家公路与运输协会标准 1998）关联，包含在极限事件是合适的。如果荷载事件出现得很频繁，就应该包含在服务，服务，或者强度中；也就是说它的循环时间间隔比结构服务寿命短。 5. 梁设计 与标准规范相比，钢结构设计规范使恒载和活载对桥梁梁体的作用产生了一些重大的影响。 6. 桥面恒载 钢结构设计规范 4.6.2.2.1 条规定，“在桥梁特定的条件下，桥面永久荷载应该均匀地分布在横梁或者纵梁上”（美国国家公路与运输协会标准 1998；强调添加） 。这是从标准规范设计实施到联合爱达荷州运输部标准设计实施的重大的变化，两者都要求栏杆，护栏和人行道恒载只能应用于外部梁体，桥面自身重量按比例分配给桥宽（爱达荷州交通部 1994） 。 钢结构设计方法对于桥面板到位后安装栏杆和人行道是合理的，它能使荷载分布在由外及里的梁上。虽然这样是允许的，但这种方法对隔板和桥面板本身并不合理。在桥面板混凝土浇筑完成之前，混凝土处于塑性状态，它并不能把荷载传递到内部的梁上。由于这个原因，在由钢结构设计方法设计的样板桥中，这些荷载没有被传递到内部和外部的梁上。 一项有关标准规范设计和钢结构设计的恒载的比较见表 1。表中的数值假设隔板的重量被一个统一的荷载所取代，结构模板是金属的，相当于 960 帕的荷载（20 磅每平方英尺） 。这些结果表明，相比于标准规范设计，钢结构设计方法增加了外部梁体 9%的非混合恒载， 减少了内部梁体 4%的非混合恒载。 此外， 钢结构设计方法减少了外部梁 50%的混合恒载和增加了内部梁 97%的的混合恒载。尽管这些个别的变化是巨大的，但他们代表了总荷载的很小的一部分，他们也不会改变最终的设计。 7. 汽车活载 对于标准规范设计，桥进行 HS-25 加载，这是美国国家公路与运输协会标准标准的125%。即 440.5 千牛（45 吨）的设计或设计的卡车里装载了 11.7 千牛每米包括卡车组成（800 磅/英尺）分布荷载加上 100 千牛（22.5 千磅）或 145 千牛（32.5 千磅）为弯曲和剪切设计案例点荷载，分别为（图 3） 。对于钢结构规范设计，桥梁进行 HL-93 加载，由 325 千牛（26 吨）设计汽车或者 9.3 千牛每米的串联自行车设计荷载（图 4） 。此外，HL-93 设计车道荷载不受卡车设计或者串联自行车设计所中断。只有在需要中断的地方被用来指导最大荷载影响的时候才中断荷载。对于这个跨度长度的桥梁，加载后产生的弯矩和剪力只能粗略的用来比较 2 种加载规范。 8. 影响因素 根据标准规范，影响系数表示为一个活载的分数，是表示跨度长度的功能：I=50/(L+125)，其中 I 是影响系数，L 是跨径的长度，单位为英尺。考虑到 70 英尺的跨径，I=0.26，也就是增加 26%的活载影响。 根据钢结构设计规范条例 3.6.2.1，动态荷载容许值或影响系数是一个常量，它取决于部件和极限状态的考虑。对于梁的设计（除开疲劳或者断裂极限状态） ，这个结果仅对于汽车荷载增加了 33%。 9. 活载分布系数 根据标准规范，活载被分布到外部梁使用所谓的变化的杠杆原则（美国国家公路与运输协会标准 1996） 。对于内部梁，活载的分布是梁间距的函数。杠杆原则和标准规范分布因素都针对桥面板和梁的结构性能的荷载分布做了一个简单的假设。钢结构设计规范允许设计者使用更精确的分析方法，包括桥面板和梁系统的有限元模型，来确定活载的分布（美国国家公路与运输协会标准 1998） 。一般情况下，有限元或者梁格法分析步骤是更小的分布系数的结果（Chen 和 Aswad 1996） 。 为了简化常见桥型的过程，钢结构设计规范包含了一个近似的方法，这个方法以选定的桥梁几何参数分析为基础提供了一个以这些分析结果为基础的分布因素的方程（AASHT 1994a，1998） 。为了充分利用钢结构设计的分布因素，设计者必须选择一个几何要素，这个要素必须适用于以方程为基础的参数分析，也就是“适用范围”（美国国家公路与运输协会标准 1998） 。一些桥的几何性（梁的间距和悬臂板的距离）在标准规范下是可以接受的，但可能不在钢结构设计方程的“适用范围”，这需要在桥的布局或桥的分析中用更多细节模型来改变。这座桥的钢结构设计分布因素计算中的参数是A=360,000mm2 (559in.2);I=52*109 mm4 (125,000in.4)；yt=5627mm (24.7in.); ts=5203mm (8 in.); Kg=51.9131012mm4(4.603106 in.4); and E预制 /E板=51.25. 作为对外部设有刚隔板的梁体一个保守的假设，钢结构设计规范对分布系数还考虑了刚体转动的机制，而这是在标准规范（美国国家公路与运输协会标准 1998）中没有被考虑到的。鉴于隔板是歪的，比较细长和不连续这一事实，这种保守主义对于这座桥是没有必要的。 10. 倾斜 钢结构设计规范包含了修改剪切和力矩分布系数来考虑桥的倾斜的因素。对于某些特定的角度，力矩因素（表4.6.2.2.2e-1）降低了力矩分配系数，并显然使用于内部梁和外部梁，因为该表没有区分这两种情况。剪切系数（表4.6.2.2.3c-1）在增加了钝角角落的剪力。倾斜系数适用于内部和外部梁。 标准规范没有包含剪切系数。然而，标准规范设计显示这里在加州运输部的建议下用了倾斜的系数。倾斜系数减小了线性的最大值。另一方面，钢结构设计的倾斜系数没有随长度呈现不同的变化。稳定的倾斜系数被用作钢结构规范的规定。 11. 悬臂梁距离悬臂梁距离 悬臂梁距离必须满足条例4.6.2.2.1,4.6.2.2.2和钢结构设计规范C.3.6.1.3.1。根据第4.6.2.2.1，de是“从外部梁的腹板和内部路缘或者交通护栏的距离”（图5）。从人行道边缘测量到桥梁外部梁的腹板的中心，距离de=-0.533米（-1英尺8英寸）。 然而，当考虑到极端荷载事件，条例C3.6.1.3.1建议“在那些人行道不能油交通护栏从车道分离开的地方，应该考虑汽车能开上人行道的可能性”（美国国家公路与运输协会标准 1998）。为了保持车辆加载，行人加载，和碰撞事件 的一致性，最好将人行道作为车道的一部分。 如果允许车辆在人行道上行驶， 那么测量从自行车/人行道内边缘至外部梁的外边缘的距离，de=1.02m（3英尺4英寸）。由于de的可行的范围是-0.305mde1.68m（-1英尺0英寸de5英尺6英寸），这可以用表4.6.2.2.2d-1的分布系数。 出于比较的目的，梁被再次设计成用de=-0.533m（-1英尺8英寸）（人行道上没有汽车）和de=1.02m（3英尺4英寸）（人行道上有汽车）。两个悬臂梁的数值表明了de的巨大差距，事实上，较低的数值略低于de的可行范围。因此，对于两个案例的巨大性质差异并不感到惊奇。对于负的悬臂梁，当考虑到桥梁以3车道荷载刚体转动可以获得最大的分布系数，可能过于保守，就像前面提到的（见条例4.6.2.2.2d；美国国家公路与运输协会标准 1998）。对于正的仅又一个车道荷载的悬臂梁，钢结构设计规范利用杠杆原则来计算外部梁力矩的活载分布系数（见表4.6.2.2.2d-1；美国国家公路与运输协会标准 1998）。如果一辆汽车允许上人行道，悬臂梁的距离会相对变大，内部梁的分布系数增加了将近27%。减小悬臂梁的距离和调整梁的间距将会减小这一影响。一个关于标准规范设计和钢结构设计的最大活载分布系数比较见表2。 12. 预应力损失 钢结构设计规范提供了多种计算预应力损失的选择方法。最简单的涉及长远损失飞一次性的近似值，如表5.9.5.3.1（美国国家公路与运输协会标准 1998）。更精确的估计损失见条例5.9.5.4（美国国家公路与运输协会标准 1998）。如Barker和Puckett（1997）所描述的，一次性估计损失在条例5.9.5.3源于已经更详细的方法，列于条例5.4.2.3（美国国家公路与运输协会标准 1998）。由于所有这些方法依赖于预应力，而预应力随时间会发生变化，Lwin（1997）等人开发了一种用时间步长来确定总预应力损失的方法。通过用三种方法来计算桥梁外梁的损失。结果见表3。 预应力损失在释放混凝土弹性模量上是有些敏感。通常情况下，梁被释放一天至一天半。然而，条例5.4.2.4中的方程预测外梁的强度在释放一天半后大大低于特定的释放强度fci。 为了加强fci在方程中的应用来匹配特定的强度释放，fci=43MPa（6.3ksi），方程中转化时用到的时间虚构增加至6天，由Lwin等人建议。如果计算假设转化利用一个现实的值一天，模量释放会减小，损失会增加将近69MPa。 由于针对此桥是相当短的研究，最终的设计没有改变预应力的损失减小了，从393MPa至353MPa。这是由于之前钢结构设计假设的外梁的低加载影响。 当桥梁根据标准规范设计，强度的释放被指定为43MPa。最终的强度释放也被假定为43MPa，保守的认识到，它应该更高点。在标准规范设计中，外部梁的荷载要高于钢结构设计规范设计的荷载。当“非标准”（时间步长）损失被考虑，损失会减小，梁需要一个大于43MPa的抗压强度。 13. 服务极限状态 钢结构设计规范用服务极限状态检查预应力混凝土梁的压应力。服务极限状态的活载系数为1。预应力混凝土梁的拉应力检查用服务极限状态。服务极限状态包含钢结构规范，并只能计算预应力梁的拉应力。服务极限状态的活载系数为0.8。减小活载系数是正确的。这个系数相当于一个“被期望在有两个交通车道的桥梁上一年发生一次，更少地发生在那些多于两个交通车道的桥梁上，在那些只有一个车道的桥梁上一天发生一次”。 由于服务极限状态的活载系数小于1，可以认为这样偏于不保守。然而，钢结构设计规范被校准到标准规范，在这种情况下，就钢绞线数量和所需混凝土的强度而言，钢结构设计规范强度极限状态比标准规范设计更保守。 14. 弯曲设计综述 关于各种荷载组合及极限状态的对比表明，外部梁是标准设计规范和钢结构设计的最重的负载梁。表4中外部梁设计的对比表明，钢结构规范设计需要相同的预应力钢绞线数量和稍高的混凝土强度。钢结构规范设计的增加的强度是需要在活载的改变，荷载分布系数，影响系数，倾斜系数，和预应力损失。例如，减小悬臂梁的距离和增加梁的间距会减小外部梁的强度需要和均衡所有梁的钢绞线的数量。 15. 剪切加固 对于此桥，钢结构规范设计比标准规范设计要求更大的剪切加固。如图6所示，以钢结构规范为基础的设计要求每根梁需要119#16（#5）蹬形支架，而标准规范设计需要每根梁89#16（#5）蹬形支架。（这假设内部和外部梁的同样的设计和梁的钝角和尖角出用一样的剪切加固） 。 增加的加固是由于部分剪切增加的活载分布系数， 由表5列出。此外， 倾斜系数应用在外梁的标准规范设计从1.3逐渐变化呈线性至跨中， 而钢结构规范设计的倾斜系数是沿长度无变化的。 标准规范设计中内梁
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