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小跨度预制混泥土拱桥掩埋时的性能评估 Manoochehr Zoghi 和 Daniel N Farhey 摘要 通过试验场负载测试和有限元分析 利用模块化 掩埋等处理 对预 制混凝土拱桥性能进行评估 有限元分析模型结合土壤和土壤结构间相互作用和 其极限载荷 通过模拟分析来研究结构负载逐渐增加时的情况 同时通过试验来 与模型对比 比较两者的结果 分析二者间的联系 这项研究使得模型建立时考 虑土壤结构的相互作用的特点 使其更接近真实的结构 期号 10 1061 ASCE 0887 3828 2006 20 3 244 CE 数据库关键词 实验 有限元法的结构分析 土壤结构相互作用 混凝土 预制 地下结构 拱桥 引言 综合实验场测试中的结构的实际性能评估 和有限元法鉴定建模与分析结构所 受荷载与破坏 由于边界条件对结构的性能影响很大 要全面考虑土相互作用力 所以在有限元中对土壤建模要将土相互作用设计进去 因此模型的可靠性依赖于 土壤的模型与所给的地形 在桥梁更换规划中 主要关注的问题是经济建设 其中对于小桥来说 预制混泥土的组合 是最合适的 应为他们的初始成本低 可以快速安装 且维护成本低 为了认证模块化跨度 较长桥梁的使用单位 运输部门需要现场评估 因此 新建在迈阿密乡 蒙哥马利县 俄亥 俄 澳门国际机场 033 0 54 Crains Run 路交叉口 预制混凝土桥被认为是测试样本的实验 阶段研究 通过荷载试验和有限元 analysiswere这桥进行分析 承载能力和评估参照 AASHTO 标准 AASHTO 标准 1989 和AASHTO 手册 ASHTO 手册 1994 为了确定和评估最适 宜的土壤模型 桥梁有限元模型进行了标定与去年同期比较实地测量相应的分析 结果 测定最适宜的土壤模型及其 限制可能允许更高效的设计 因而得到更经济 有效的桥梁结构 目标和范围 本调查旨在 1 确定桥梁上部结构及其组成部分的完整性 2 确定 负载 变形特征 3 确定最终纳入土结构相互作用的载荷能力 文的目的是描述预制混凝土 模块化 三面受力 地埋 拱桥系统的极限性能评 价 根据工地的实际情况 此应用程序启用了的承载能力和土壤结构的埋结构相 互作用可行的评价 研究结合条件评估技术与传统的工程实践中的运用 结合现 场实验技与有限元建模和分析使程序更客观 适用范围包括 1 有限元建模与桥梁系统 包括桥梁结 构 土壤分析 土壤结 构相互作用 2 逐步增加静载试验 以观察有关的应力和水平位移和极限载荷 3 分析模拟各种土壤性质和土壤模型评价 4 现场校准的有限元模型 5 材 料取样和测试 分析使用材料的属性 6 评估桥梁的稳定性 图 1A 测试用桥B 安装 实验用桥简介 桥为一个 10 06m 33 英尺 的老化桥 将其作为有缺陷且多年修复的结构 从而观察其性能 这座桥梁的主体是按当代的结构和功能的要求而成 新大桥是 10 97 米 36 英尺 的跨度 采用预制混凝土 模块化 三面受力 埋地 拱结 构见图 1 它的设计是按 AASHTO 标准规范 AASHTO 1986b 车载增加25 为了构成 12 80m 42 英寸 的道路面 将桥由 7 个模块化单元组成 图 1 b 显示了第三模块单元安装在它的位置 每个单元是 1 83m宽 距地表有2 74m 该 模块单元是建立在一个半径为 12 19m 厚为305mm 的拱板上 侧壁为 356 毫米 这些单元是在工厂预制 使用钢筋焊接钢丝网垫 这座桥设在一 条形基础上 通 过起重机挖掘 并在全槽灌浆 其结构是用根据 ODOT 1989 年 第 304条规 定的级配土料颗粒回填 回填按 Proctor 密度压缩到 95 19 93 kN m3 126 87 lb m ft3 整个回填过程都要进行强度测试 以确保其质量 有限元分析 土与结构的相互作用 对涵洞 桥梁分析其上的土结构相互作用与对涵洞的影响 在很大程度上取 决于其相互作用的基础与周围的土壤 一般来说 当土壤压实在正确的地方时 掩埋结构和回填将作为协同单位 能够承载比独立的结构更高的荷载 拱涵洞与 传统的刚性框架这种承载能力的提高是比较明显的 当埋拱箱在负荷载增加开始 转移 它受被动回填土压力 因此发展成弯曲的结构上段推力 因此 这个涵洞 桥型便进行了优化设计 同样的结构可用于支持比其独立的刚架结构更大的负荷 设计荷载 用两个两个并排侧轴 178 kN 40硖 个 按HS20 44 25 AASHTO标准 1989b 设计卡车 j进行有限元模拟车载分析 车辆装载见图 2 设计荷载为整体受力的负 载 车轴强加给一个1 83米宽的单元通过0 91米土壤覆盖在该单元的中心线 荷 载的值是按AASHTO标准 1989b 第6 4 1规定 车轮中心距为1 22m的两架车 为1 7 8负载分布两侧边坡 载荷分布在0 91米土层宽度上时 L 1 22 2 7 8 0 91 2 81 m 以1 83m为单元 模拟荷载需要的液压千斤顶为 W 178 kN 1 83 2 81 116 kN 对于覆盖大于或等于0 91米时 影响为零 图 2 设计荷载 1 英尺 0 3048m 建模 这项研究的目标之一是比较有限元分析结果 从实验得到的负载测试 并相应 地校准前者 因此 桥的有限元模型建立了 对这一初步模型进行了分析 表征 桥梁和确定其临界反应 修改后的有限元程序 CANDE 由联邦公路管理局卡托纳 等人开发 这项程序使塑料建模和土壤状况全面超越传统的弹性范围土壤结构的 系统相互作用的研究 在二维有限元分析的基础上演变的方法 即该模型被认为 是长度无限且在横向方向没有变化 一个典型的有限元与四边形土壤元素和梁柱 构件如图 3 所 输入符合设计要求的有限元模型性能 经实验测试 实际的材料 性质 从试验装置 通过具体的核心 钢筋 土壤测试 来更新的有限元模型 为了模拟真实的现场条件 边分析边完成其一步一步的过程 因此 该系统是表示安 装不同的增量阶段 回填时的车辆活载的应用程序 一系列土升降过程占实际安 装过程的一部分 这种渐进式建设的方法是持续进行的 一次添加一个元素层 直至回填 过程和对周围结构完整为止 可见图 3 随后 车辆流量负载分析 模拟在表层土壤表 面轮载 图 3 有限元模型 土壤性质 关于土壤的材料特性和土壤结构的相互作用是假设 验证 分析 接受掩埋结 构设计的要点 因此 有限元模型的输入参数的关键通常在于土壤的性质 大桥的现场勘 查时发现地下土壤基础的基石组成 在迈阿密里河谷地区土壤页岩交替层由硬质石灰石组成 在以河床为基础的有限元分析中采用的相关参数中包括了基岩的工程性质 地基模型 测试的桥梁分析反应 对五个土体模型进行了比较严谨的有限元程序分析 并 以此作为输入测定的土壤特性 土壤模型考虑是 各向同性线弹性 正交异性非线性弹 性的邓肯 塞利格模型 由于土壤一般既不是线性弹性 也不是一个恒定刚性材料 两个线性弹性土模型中给了一个不准确的相关性质 覆盖层土体模型与覆压土体 刚度相关 但仅限于一维土壤压缩 在区域中的二维压缩流行 如靠近涵洞或墙壁 这 种模式是不准确的 因此 它给了一个大概的参数 从而得到更好的参数 邓肯 Duncan etal 1980 与塞利格塞利格模型是非线性的 并具有参数设置 可代表多种类型的 土壤 经过有限元素运行 很明显的邓肯和塞利格模型代表更加准确 邓肯模型 使用了变轻的和体模量 剪应力随围压弹性模量的增加随着弹性模量下降改变 该塞利格模型是邓肯模型的扩展 使用了体积弹性模量替代配方 为双曲线模型 Lin 1987 Yang 1987 该双曲线模式是基于三轴压缩试验中 土样是最初受静水压 力 随后 轴向应力 偏应力为 1 3 增加 直至发生剪切破坏 指定的实际 破坏偏应力比最终的失败时偏应力大 因此推出了个转换公式 1 在上面的方程 初始切线模量 是指在围压下的 2 大气压力 pa k 则是模量数目 模指数为 n 3 下面的体积弹性模量功率公式 4 这是 1987年研究 塞利格鈥檚在 1988 年制定的双曲体积模量则更加紧密地代表了一静土体 压缩 5 这里 7 使用最合适的直线 内摩擦角 邓肯模型代表为 8 前面的方程的详情及其他相关资料超出了本文的范围 这在Duncan etal 1980 和Selig 1988 中有 提及 从现场土壤和材料塞利格模型的参数是最准确的 在桥位勘探取得地表下的 土壤性质应用于塞利格模型的刚性材料参数 有限元分析的其余部分是用塞利格 模型的土壤参数 通过改变周围的桥梁结构的土壤属性 包括下面的地基土 压 实回填土毗邻一侧墙壁 超出回填夯实土 压实土壤覆盖在上面的桥梁结构 对 参数进行了一系列研究 利用土壤数据进行参数 来自Selig 1988 与他们相关的 属性进行研究 先后到上述地点周围土壤研究在桥的系统行为的效果 现场试验 测试设置 为了评估桥梁的性能 设计了一实验测试 对七个单元模块化桥梁系统的中 央单位进行满量程负载测试 本次试验成为了载荷试验的主题 仪器仪表放在相 邻模块单元验证他们的反应 并确定横向荷载传递 根据桥的几何形 将关键载 荷加载在最合适的位置 考虑单一负荷 模拟卡车装载 桥梁遭到垂直 准静态 控制和逐步增加负载 所提供的装载模式表示的是两个并排的卡车车轴 图 4 测试设置 在回填过程中 两个嵌入式高强度 Dywidag 拉杆和灌浆到下面的岩石桥如图 4 所示 这些锚棒延长至本单位拱桥梁板钻孔向上 杆顶部的两端分别加上一个框 架 由在测试顶部单位和一顶梁组成 还有一个890 千牛 200 kip 100 t 液压千斤 顶 一个枷锁 在液压千斤顶的之间 连接顶梁拉杆的枷锁上分布式负载两个 1 22 米长的钢管 该管的两端分别支持对桥顶单位 这大约产生 1 22 1 22 平方米面积 的荷载 仪表 从周围的土壤回填的被动压力 对土壤的外侧边壁压力分布测量进行必要的核 实 为了捕捉土压力分布 压力测定仪附着在顶部和底部上 仪表摆放如图 5 所 示 然后 他们被装在外部通过过大孔螺栓设置为单位的桥梁侧墙中心 安装在 靠山板 回填材料压实 压力按照正常程序传递到下方的压力测定仪 在此同时 仪器的周围换上松散的砂以避免压坏仪器 土的的回填和压实按照正常程序进行 图 5 仪表 大桥的整体结构反应是通过有关地点的位移来表述 由 16 个显示器连接到底面在 七个单位的桥梁位置 如图 5 所示 仪器设立了监察跨中和四分之一跨度挠度 在其 顶部和底部侧面墙壁测水平位移 除了直接加载的模块化桥梁单位 相邻单位仪器额外 计算 此仪器是为了监测桥梁荷载横向分布特点和个别单位埋桥集成度和挠度测量 提供独立的参考 负载测试 仪器的参数归零后 第一荷载开始加载 当加载稳定后 则测量记录 负荷增加 通过指数得到位移和土压力 加载方式是以 89kn阶段递增 直到千斤顶的最大值 890kn 然后 荷载被释放 测试停止 将仪器仪表移走后 加载架拆除 后来 桥 单元测试被拆除更换一个新的单元 检查测试条件 测试程序和更换过程中进行了 1 天 在每个载荷加载过程中 传感器的读数进行线性处理确保准确性 关注每个加载 过程以确保该传感器和数据采集系统的正常运作 通过数据逻辑与相关性分析与 估计来核实记录 负载的配置和步骤适用于逐步增加负荷的测试电桥 只有当每 个加载所得到的结果比较合理时 然后才进行下一个 测量一致性检查通过其对称传 感器来验证 材料测试 当实验测试完成后 对测试单位的实际材料特性进行了测定 对焊接在桥钢筋 网上有代表性的钢丝样品进行了测试 其屈服强度为 fy 577mpa 另外 从测试 单位的核心取样进行压缩试验 得到抗压强度fc 49 5 Mpa 这些值被用作校准有限 元分析输入的参数 结果 观察 相邻的模块单元的垂直挠度 其中在测试过程中不能直接加载则归零 因为不是 由横向钢筋连接模块化单元来提供结构上的连续性 因此这样预期 在桥条形基础基地支 持保持稳定时进行加载 当撤去模拟活载时 跨中结构挠度反弹了 6 4 毫米 在 跨中底板横向裂缝封闭 此外 内表面裂纹已经封闭 因而看不到测试单位 图 6 描述了在整个测试在跨中宽度裂纹发展 对测试模块单元进行没有限制标准的弯曲或压缩强度的测试 虽然单元没有严重 损坏 但还是要更换 该单元被更换后 没有任何一侧的墙壁或拱板的外表面发生发 现了破坏 此外在桥轴承与条形基础上没有开裂 剥落 变质 损坏 负载 KN 裂纹宽度 裂纹宽度 mmmmmmmm 图 6 在跨中裂缝宽度 土压力 夯实松散土体 在测量仪器周围创建一个缓冲代保护仪器 将沙压缩 图 7 的数 据说明在桥东西两侧的仪器所得的荷载与正常的土压力相当 从而被证明是与有 限元分析到的载荷能力接近 随着土壤压力在荷载增加时增加 显示了土压力在 维持土壤结构中的重要性 当结构进一步偏转 它将自然调动了回填材料以抵抗 在单元东侧的分布土压力随荷载的增加如图 8 所示 这个数字还显示有限元法的 计算结果分析 观察到最终设计负荷最终荷载为 254 kN 57kip 即为 AASHTO 设计中增加 25 除了最终设计负荷 压力分布实测值线性与有限元部分弹性分 析结果显示大致相同 在这种条件下 有限元分析预测在底部的压力高于正常实 测压力 图 7 在顶面的压力与正常相比 负载 kn 正常的土压力 kpa 图 8 侧墙底部压力与正常的压力比较 负载 kn 正常土压力 kap 位移 在跨中负载测试过程中 记录相应负载增量的挠度图绘制图 9 也将在此数字 作为通过有限元分析负载的位移变化预测 很明显 无论是解析计算还是实验测量数据 按照基本相同的趋势直至最终设计荷载约 254 千克 这个负载代表了土壤结构系统的实际线 性极限载荷 此外还有一个预测和实测挠度基本偏差 图 9 跨中挠度的比较 负载 kn 位移 mm 设计荷载为 116kn 预测和现场实测挠度均约1 6 毫米 这是允许挠度 L 800 的 12 在实地测量和分析 相应的偏转所需的最终设计强度为 254 千牛 其最 低为约 4 0 毫米 这使得只有 12 的差距四点五毫米基础 在 890 kN 的载荷下 该跨中挠度实测最大不超过 38 毫米 这相当于 44 5 毫米的最大挠度计算 这与 给出的有 17 的偏差 这些结果表明 分析预测和实际现场必须在一定的条件下 才有相关性 在非线性下的数据超出了设计荷载的范围 且也不接近两个大值之 间 究其原因可能是该模型的实际刚度与结合土壤和条件的实际非线性的有限元 模型模型不一样 负载测试测量和有限元分析之间良好的相关性被作为设计荷载条件的依 据 有限元模型跨中挠度比较较保守的预测 而实际负载测试过程中则更高 超出 了设计极限 在这些负荷水平差异 从约 100 左右约 440kn 到最大范围的 890kn 约 19 这一基本偏差似乎接近负载的增加 测量显示了周围的土在 540kn负荷下水平刚度降 低 从而描绘了土壤近似结构体系 在约 630kn 时 测得的刚度加强是结构的一 个明显的应变硬化 据分析跨中挠度 其产生是在设计荷载水平位于 254kn时 这显示了实验测量和分析计算所得的屈服极限的偏差 而后者则提供了一个较低 的屈服极限 图 10 水平位移比较 负载 KN 水平位移 mm 正如所料 在一侧的墙上所有负载下相应的水平位移增量 可以忽略不计 如图 10 所示 这是由于其在一个立足点 在灌浆键槽位置没有本质的纵向移动 因此 在桥梁基 础针支持条件为适当的分析模型 在墙壁顶部的一侧的水平位移与负荷增量图如图 11所示 这再次表明 在同等条件实验与计算其屈服极限有基本偏差 负载 KN 水平位移 mm 与传统评估比较 基于在现场性能评定后获得的实验数据 分析模型进行校准 以更准确地模 拟了桥梁的参数 这样对不同设计荷载 校准模型 从而提供了更明确的评估 综合性能评估还应包括土壤和土壤与桥梁结构的相互作用 通常情况下 地下结 构如涵洞的设计采用了结构上的一个恒载周围的土壤 而不是作为一个组成部分 的结构强度 拱在三面受力 由于上述官方土壤棱镜和活载按自上而下的结构重 量 侧壁往往向外移动 从而水平克制周围回填土提供产生一个拱形推力 比没有任何 回填独立的结构 这有助于建立一个推力拱作用 从而增加了桥土系统承载载荷 的能力 因此 桥与周围的土壤相互作用 可模拟了一个有限元模型 负载抗性机制 该桥梁结构埋承载能力的影响因数有以下三点 1 钢筋混凝土截面的弯曲强度 2 由沿侧墙的被动土压力 产生的一个推力 3 在基底水平的影响 每个因数在整体结构载荷受力过程中都很关键 有限元结构在两个水平负荷下 进行分析可得到这一结论 图 13 显示了在荷载分别为89 kN 和水平分别为 890KN 时 结构的正弯矩 在图 13 中 MC 是指定截面钢筋混凝土阻力 MR 是基础侧阻力 MP 是侧向 土压力分布 根据上述参数的关系两个不同的载荷增量比较发现 在更大的负荷增 量下 拱涵偏转 从而进一步向外弯曲的侧壁受到周围的土壤较高的压力 观察 到上述分析结果 正常工作负荷下土压力的影响是比较小的 此外 由于高跨度到高 层的这种结构 由基岩产生的反应推力最重要的作用 在 890千牛负载下 沿墙边产生 的被动压力分布 结论与建议 结论 从对满量程负荷试验和有限元分析资料整理显示 箱形拱结的受力有相关处 但也有不同 其中在对土壤结构的相互作用有不同 1 结构的土体的阻力保持在较低的应力水平 2 拱箱形表现出了巨大的承载能力 承受了达到了将近8倍 AASHTO 标准的设 计荷载 即 HS 25极限载荷 3 得到一个在设计荷载和别的因素下小变形 4 无论是测量裂缝宽度还是结构恢复到非常接近原来的形状都表明结构没有发 生屈服 建议 1 当前荷载试验的一个目的是确定最终箱形拱桥的承载能力 该单位测试的 液压千斤顶达到最大容量890KN 时结构并没有破坏 通过全面的负载测试 以确 定失败的模式和类似的结构 这在以后是可能的 2 在这个项目中 回填土被认为是自由的 没有多余的预期排水孔隙水压力 从而在设计中普遍的考虑有效应力的概念 以后 在考虑土壤和回填材料必须更 加密切监测孔隙水压力方面 3 加有土压力的单元和挠度传感器应当应用在今后的工作中从而提供土壤结构 相互作用 更好的观察其性能 这将进一步确定与现时的负载测试结果的不确定 性部分 致谢 研究中的部分资助由俄亥俄州的运输部提供 此应用程序在该领域认为是继续 进行研究性能桥