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排头山桥施工图设计,排头,施工图,设计
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测试、分析和评价玻璃钢桥面的钢梁威廉斯蒂勒，P.E，M.ASCE；姚Gergely，P.E，M.ASCE；罗杰罗谢尔，P.E摘要：北卡罗莱纳州最近在联合县安装了纤维增强复合材料（以下简称FRP）钢梁甲板。这座桥上使用了仪表箔式应变计，应变传感器和位移传感器。这座桥是一个模拟MS-22.5设计荷载测试。实验数据测得中性轴383毫米高于618毫米深梁的底部法兰，证实复合梁和FRP甲板板之间的复合作用。结果发现，复合作用可以用换算截面分析的甲板面板估计在3%。对于加载两个车道，计算最大的活载荷分布系数为0.75。从结构的整体表现看，甲板偏转5毫米，材料的许用应力测量是至少10倍以上的最大应力。在美国国家高速公路和交通运输协会（以下简称AASHTO）所列参数下梁挠度在7毫米范围内呈良好。简单的跨中挠度方程发现，当使用转化的截面特性时，保守模型梁的预期偏转大。关键词：复合材料，钢梁，桥面，负载测试，北卡罗来纳州，纤维增强聚合物介绍在北卡罗莱纳州的桥梁，并在全国范围内已建成使用传统材料，如混凝土和钢材。然而，太空时代工程社区引进新技术和新材料，如玻璃纤维增强聚合物（以下简称GFRP）。最近，北卡罗莱纳州已采用玻璃钢甲板板的桥梁更换项目。在这个项目中，复合甲板板用来代替传统的混凝土楼板。该项目的资金来自联邦公路管理局的创新大桥研究和建设计划的酌情补助。北卡罗来纳大学夏洛特分校（以下简称UNC-夏洛特）会同北卡罗莱纳州的交通运输部（以下简称NCDOT）安排在2001年11月18日进行北卡罗莱纳州的第一复合甲板面板系统性能测试。2001年10月18日该系统被安装结构089-022。坐落在新的萨利姆路（SR1627）联合县，始建于1950年，由11个钢梁与混凝土桥面组成，桥横跨约12.5米，进行农村两条车道的交通。NCDOT检查员认为该桥需要维修或更换，这被证明是一个很好的测试玻璃钢桥面面板的地点。现有的甲板与老梁一起被移除。在他们的地方，NCDOT架设了七个新W610140梁相隔1.194米并且用玻璃钢面板。每个梁跨中和在四分之一点的外部大梁由C31031帧交叉连接。建立了几个玻璃钢面板测试的目标。第一个目标是确定GFRP板与钢梁是否有复合作用。其次，如果观察到复合作用，是使用基本转化部分分析预测？还是活荷载分布在第1页共12页整个结构的问题。另一个目标是观察桥本身，以确定AASHTO的活载挠度标准是否被满足。最终的目的是审查和量化应用于玻璃钢复合材料的应力和应变的材料。仪表为了测量在负载下的桥梁的应变和挠度，有一些工具选择用来评测。有位移传感器（DT），应变传感器（ST），和金属箔应变计（SG）。金属箔应变计被用来评估钢梁的应变，应变传感器用于评估玻璃钢甲板板，位移传感器则被用在这两种仪器上。图1示出了本文中提到的仪器的位置。图1选定仪器的位置和类型加载方法负载测试结构设计模仿MS-22.5装载结构的瞬间响应。MS-22.5模拟一辆满载的公路牵引车拖车。对于测试结构，MS-22.5卡车后轴负载4.3米梁车道荷载的剪力和弯矩。为了测试在服务级别上的结构，研究人员需要尽可能紧密地匹配一个MS-22.5卡车的装载条件。总重量为使用完全装载的（用碎石和水）305.3千牛的混凝土卡车。装载卡车车轴轴重和间距（图2），最大弯矩计算，该计算假设为简支结构，产生最大力矩为695.9千第2页共12页牛米，这是基于MS-22.5762.4千牛米的最大设计弯矩。图2装载卡车车轴重量和间距沿着五条路径结构进行了测试。路径选择将车轮沿着主梁的中心线G2和G6，中间的托架2和5，车轮负载沿中心线放置。其目的是选择压力最大的钢梁及玻璃钢板的路径，以在测试中作为比较之用，提供冗余。选定的负载路径示于图3。在所有五个路径中，卡车行驶小于8公里/小时通过整个跨度。这样做是为了消除冲击的效果，并使检测过程中尽可能收集尽可能多的数据。载荷路径1和4的结果被模拟叠加到两条车道同时加载。图3负载路径复合动作当玻璃钢复合板替代混凝土甲板，它是可取的具有面板连接的梁的方式，将允许两种材料在一起工作。通过预制剪力钉口袋的面板连接到被测试的大梁。每个面板有四个口袋梁（见图4），其中每个允许放置三个梁剪力钉。一旦螺栓焊接到位，口袋用灰浆填充（参照图5），因此，将两种材料结合在一起。第3页共12页图4典型的甲板梁连接图5 玻璃钢面板典型的抗剪栓钉口袋布局钢梁连接在俄亥俄州的复合甲板的测试，2000美国国防部高级研究计划局确认两种材料之间的复合作用。然而，在2001年纽约阿兰帕里和库宁的类似结构的测试中，没有显示在面板和支撑纵梁之间的复合作用。由于玻璃钢面板的连接方法比先前那些测试略有不同，089-022的结构设计师保守选择假设纵桁和玻璃钢甲板板之间没有复合作用会发生。这种假设没有复合作用后来被实验数据检查。第4页共12页证明桥的复合和非复合作用的一种方法是将主梁的中性轴定位。中跨主梁2和4的顶部和底部的凸缘上有应变仪，分别示于图1。该测量仪被放置在底部法兰的底部和底部的顶部法兰。这些工具被用来帮助找到中性轴的位置。假设梁的应变保持线性，这应该是梁应力低于产量水平的情况下，从梁的底部测得的中性轴 （ ） 可以计算为H= 梁深度 （mm）t= 顶部轮缘厚度 （mm）B= 底部轮缘应变 （mm/mm）T= 顶部轮缘应变（mm/mm）对顶部和底部法兰的中点梁4柱进行了检查，从所有五个负载路径收集到的数据。路径2的数据表明，最大的底部法兰应变 130.0 和顶部凸缘的最大应变-78.2。梁深度618毫米和一个顶部翼缘厚度为22毫米，中性轴的计算式1将约为372毫米。重复这种计算的其他负载路径平均中性轴位置为369毫米。为了验证梁4上测得的中性轴的位置，相同的负载路径顶部和底部的法兰压力表被认为在梁2的中跨。所有五个载荷路径计算当梁2的中点时的中性轴，中性轴的位置计算平均梁的底部法兰383毫米以上。底部法兰309毫米非复合梁的中性轴处，有复合动作发生。分析复合动作的下一个步骤是确定它是否可以证明使用的材料性能和主梁的布局。目前的设计方法使用一个转化的部分，以估计复合截面的中性轴。使用的相似的方法，被用来估计在钢和复合材料的模块化比中性轴的位置。使用制造商的信息（2002年DuraSpan）的甲板板的弹性模量（ EFRP=17 ，240兆帕）与钢的弹性模量（=200 ，000兆帕）模块化的比例计算为11.6。使用这个比率和1，194毫米梁间距为支流的宽度，甲板面板部分转换后的宽度计算为103毫米 。中性轴使用此转化区和梁的尺寸，计算利用式（2） ，将设在梁的底部法兰375毫米以上：第5页共12页yb=从底部梁到换算截面中性轴的位置（mm）As=钢梁面积(17,900mm2)H=钢箱梁的高度(617mm)h=玻璃钢甲板面板的高(195mm)btran=截面转换宽度 (103mm)Tpf=截面转换宽度(17mm)此常规转化的部分将支流区域的宽度，通过使用模块化的比率使其成为等价的面积的钢。对于混凝土板厚度均匀性和一致性，标称的钢筋整个铸坯断面均匀行为是一个很好的假设。然而，玻璃钢甲板面板是由中空管构成的。对于转化截面分析的目的，在本文中它是假定管中的腹板材料没有添加显着的耐弯曲性的钢梁。管板顶部和底部中的材料被假定为处理大部分的压缩力。测得的中性轴位置已为每个位置的平均值。跨中梁2测得的平均中性轴位置383mm。与375mm的计算中性轴的材料特性和转化部分相比，相差不到3。实时负荷分配当前NCDOT设计实践使用分布系数（DF），估计被传输到多大比例被应用于活荷载梁设计。美国国家公路和运输官员规格协会（AASHTO2002）假设DF=S/1,680（AASHTO式3.23.2.3.1.5）支持四个以上的钢筋混凝土板，S=梁间距（毫米），DF是车轮荷载施加于梁线上的百分比。结构089-022的设计师关心这个假设在复合甲板上有多准确。因此，甲板板的设计者使用了保守的分配系数 S/1,525，造成了DF=0.783。桥的试验确定适用于主梁的结构的分布因子。观察应变读数，以确定各种梁所采取的负载。每个梁的底部法兰都沿着桥跨中应变计使用。使用这些工具所获得的信息，DF计算使用斯托林斯和Yoo（1993）开发得 ：公式（3），n=桥上轮线数i=应变在第i个梁的底部(mm/mm)第6页共12页j=第j个梁的底部的应变 (mm/mm)wj=典型的室内梁的第j个的剖面模数的比率k=主梁根据AASHTO，道路宽度大于6.0m应被设计为同时装载的两车道，每个等于一半的道路宽度。对所有五个载荷路径进行了检查，并计算了每个梁分布系数 。负载路径1和4的叠加，最能代表这个条件。主梁的分布因子示于表1中。此条件下的最大分配因子被发现是0.75，这种情况发生在梁4。相对于主梁的间距，DF=S/1,592。这显示了AASHTO标准混凝土桥面用于这座桥的设计值估计值之间的力矩分配为中心。桥梁挠度梁1，4，5，6，7，记录每个负载路径下的中跨梁挠度。叠加负载路径1和4，模拟两车道加载，梁4产生了7mm的最大挠度。结构的活荷载挠度是根据AASHTO建立的也受L/800（AASHTO10.6.2）的限制。AASHTO标准限制该结构的最大挠度约L/1.680。根据结构的位移在规定范围内的知识，估计结构未来变形的方法。对于一个单一跨度的梁桥，最大位移预期发生在跨中。利用跨度的简单假设，生成一个模型验证测试过程中记录的挠度测量室内梁。该模型使用由美国钢结构协会（AISC1998）给出的简单的跨中挠度方程。这些方程中使用所施加的负载，负载的位置，以及复合的截面特性，来计算在任何一点上的梁的挠曲。挠度参照沿着桥的跨度1米处的增量计算。（参照图6）第7页共12页图6 梁挠度比较以转化部分为基础的综合转动惯量和钢的弹性模量，梁段模型一起使用。为了估计从装载卡车模型的轴施加的负荷的量，使用一个车道加载的分布系数。从测试数据中估计0.50分布因子（DF），且用来转换轴载的梁负载。被确定为记录的最大桥梁挠度 5mm，它发生在1,6梁载荷路径。在四分之一处，跨中和三分点处挠度绘制的梁6，路径1加载（图6）。挠度与实测挠度计算的部分性能和简单的跨度梁方程的计算值与实测值之间有一个明显的区别。这种差异是由于固定梁端排架提供的旋转克制造成的。假定由于主梁端部的约束，跨度不会像完全固定或简单支承或者介于两者之间。为了验证，该模型1998被美国钢结构设计协会（以下简称AISC）调整为固定梁方程。一旦图6中的三个图像进行了比较，很明显，梁挠度测量应使用固定的支承和简单的支承机型估计值之间的。基于这些信息，被确定简支结构的假设有点保守。玻璃钢性能测试的另一个方面涉及GFRP板本身的性能。研究人员检查甲板面板所施加的荷载的反应。两个感兴趣的领域是玻璃钢复合甲板面板挠度和应变。选定的应变传感器的读数和位移传感器（仪器的位置在图1）被用在这两个方面的评价。路径2装载卡车时注意力放置在收集到的数据。路径2位于行车轮中心梁5和6之间。此路径上的负载桥侧的较多位移传感器定位记录甲板面板3的相对变形。桥的这一侧还包含较多的应变传感器，安装在面板的底部。1999 希夫和菲尔布里克证明了这些仪器在复合材料中测量应变水平的准确性。当卡车沿路径2加载时，托架的挠度绘制在图7中。从该曲线图中，人们可以看到第8页共12页面板的最大挠度为5mm。也有人指出，面板似乎略有上升外倾角托架6。此外倾角最大值达到2mm。图7 路径2负载下的应变面板调查最终面积是在面板本身的应变。由玻璃纤维增强聚合物层合板的不同取向，纤维的面板中的应变评价，没有允许的面板制造商给定的纤维本身的应变。制造商提供设计压缩主面板底部上的整体许用应变(2,600)和极限应变(2,600) 。在托架5和6上进行了路径2负载的检查（参照图8）。托架5中观察到的最大拉伸应变，在面板的最大应变约为240。在材料的许用应变比在面板中经历的应变超过10倍的放大，录得最大负应变托架6在此位置上的应变达到8。而且，在材料中的应变诱导甚至没有达到允许在材料中的应变。图8 路径2负载情况下面板的应变第9页共12页结论研究是为了确定复合动作是否可以依靠一个玻璃钢复合甲板连接到钢梁。从梁的应变收集数据，确定复合行动确实发生在主梁和玻璃钢面板间。从底部法兰进行测量中性轴约为380毫米。这沿梁在不同的点，以及在不同的负载条件下都是一致的。通过使用复合材料的弹性模量和梁，一个标准的转化部分计算的部分。随着转化节段模型，从底部法兰估计中性轴约为375毫米。由此得出的结论是，主面板和主梁之间发生复合作用。这种复合动作可以有效地使用转换部分分析建模，应指望在未来的设计中加入类似的甲板梁连接。活荷载的分布由装入两车道的应变读数确定。分布的最大因素约为S/1,592。这是介于由AASHTO推荐的S/1,680与面板设计师推荐的S/1,525之间的。对于桥089-022，载入两车道的最大梁挠度估计为7毫米。这对应的跨比为L/1，680，是一个在AASHTO所设的L/800范围内的值。使用改造部分特性以及AISC提供的标准梁方程，生成一个模型，提供了一个保守估计的桥梁挠度。此模型基于一个简单的跨度假设，被视为只是稍微保守，因为最终由排架提供约束。负载路径选择GFRP加载条件下的极限加载。从应变传感器记录的数据记录最大拉伸应变GFRP240。在材料中是允许的拉伸应变2,600。在允许压缩应变2,600下，在材料中有8的最大压缩应变幅度。最大面板挠度记录5mm，最大倾角2mm。从应变计和传感器收集到的信息，很明显，在玻璃钢的应力水平的允许应力范围内。但是，有些领域，无法放入仪器。甲板板的腹板是封闭的，因此，研究人员无法将应变仪或传感器附加到这些位置。因为网路的部分是从垂直位置略微倾斜的，可能有相当数量的网路在材料中压缩应变。面板上的自己的面板制造商已经有广泛的测试报告，并且发现他们经得起75年的生活模拟，在MS-22.5装载（2002年DuraSpan）。在这项研究中对此之前的研究有着相当的信任。致谢作家想表达自己的感谢，北卡罗莱纳州运输部和马丁玛丽埃塔复合材料桥计划提供支持本研究的数据。我们也要感谢瑞德博士的宝贵意见。第10页共12页= 钢箱梁面积= 钢箱梁底部法兰应变= 分配系数= 位移传感器= 钢梁的弹性模量= 钢箱梁的高度= 玻璃钢面板高度= 梁数= 轮线数= 梁间距= 应变仪= 钢箱梁顶部法兰应变= 玻璃钢面板的法兰厚度= 钢箱梁顶法兰厚度= 第j个典型室内梁的截面模量的比值= 从梁的底部测量中性轴的距离= 从梁的底部到转化部分中性轴的距离=
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