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倾斜角度对连续组合梁桥的影响 摘要 在工程领域倾斜桥梁的设计正变得越来越常见了 在本文中 倾斜角对 连续组合梁桥的影响采用三维有限元分析 对七十二座不同矢跨比 N 1 1 55 和 1 82 倾斜角度 0 60 以及各种不同中间横向系数的两跨桥 梁模型进行了分析 所有的模型都进行了 AASHTO HS20 44 加载 对于斜 交桥的结果与有着AASHTO标准规范和AASHTO LRFD规格的nonskewed 桥相比 结果表明 随着倾斜角度的增加 在内部和外部的梁支座弯矩迅速 下降 它减少了约 10 当倾斜角为 20 时 倾斜角度达到 45 时 达到 33 随着倾斜角度的增加 桥墩支撑的剪切力在外部梁处下降 在内部梁 处增加 对于外部梁 当倾斜角度为 45 时 剪切力增加的比例高达 1 3 n 1 时 AASHTO 标准规范对最大弯矩高估了 20 当倾斜角度为 45 时 则高估了 50 当倾斜角度为 45 时 剪切力增加约 10 AASHTO LRFD 规范高估纵向弯矩和剪力 这种高估随倾斜角度增加而增加 倾斜角 度为 20 时达到 12 倾斜角度 45 时达到 45 结果表明 横隔板垂直 于桥梁纵向梁的载荷分布是最好的安排 通过比较经过有限元分析的简单联 系的倾斜夹板 表明所提出的方程的结果是一座保守的连续斜交桥 虽然说 趋势是趋于相同的 但是值得注意的是当涉及那些桥梁的具体配置时 如果 假 定 的 条 件 不同 结 果 可 能 会 改变 工 业 部 10 1061 ASCE BE 1943 5592 0000273 2012 美国土木工程师学会 数据库主题词 连续梁桥 组合桥 梁桥 斜交桥 关键词 倾斜角度 连续梁桥 分布因素 组合桥 介绍 斜交桥在那些对齐的问题比经济问题更能影响桥梁设计的发达地区尤 为常见 斜交桥在那些地形特征可能使桥梁上部结构不垂直于桥台和桥墩的 山区也相当普遍 在非斜交桥中 荷载路径是桥跨的支撑方向 在斜交桥中 就不是这样的 一个实心板斜梁桥 荷载往往集中在该桥比较尖锐的地方 在纵向梁的桥面板上 这种效果也发生了 虽然不是很明显 这种变化在高 度歪曲的荷载路径方向有一下显著特点 在桥面板上有显著的扭转力矩 纵 向力矩减小 横向弯矩增加 反力和负弯矩在钝角处集中 反应小 在尖锐 的隆起部位可能会增加反应程度 斜交桥的这些特点使它的分析和设计比非 斜交桥更加复杂 在过去 不管斜交角度有多大 斜交桥的设计 分析和构造都是和直桥 的方法相同 在很多设计方面 斜交桥和直桥都是用同样的方式处理的 许 多设计因素进行处理的倾斜的直桥相同的方式 这方面的一个例子是活荷载 分布系数 LLDF 这在设计规范使设计简单 提供了一个简单的和快速的 评价方式的桥梁 LLDF 这是一个有着如桥的几何形状功能的参数 部件的 相对刚度 和负载的性质 AASHTO 标准规范 2003 并提供室内梁分 布的因素简单支持桥为梁间距功能 此代码不考虑影响的倾斜角度和桥的连 续性 安大略省公路桥梁设计的代码 OMTC1992 账户纵向和横向的除了 桥梁刚度梁间距 然而 该方法仅限于简单支撑和斜交角度较小的桥梁 当前美国公路桥梁设计规范 AASHTO 2010 认为 LLDF 是一个包括的 跨度 梁间距 板的厚度 和梁的刚度的函数 该 LLDS 对于外部和内部的 梁在剪切和力矩 和一个加载车道和两个或两个以上的加载车道的情况的规 定是不同的 AASHTO LRFD 规范介绍了 LLDF 作为斜交角的一个折减系数 的功能 倾斜角度对于倾斜桥的一些行为因素 如载荷分布的因素和对轴承的负 荷影响来说无疑是一个重要的参数 Zokaie et al 1991 年 Khaleel 和 Itani 1990 给出了在活载作用下确定连续梁和斜交板梁的弯矩的方法 他们的结 论是 当倾斜角度为 60 时 AASHTO 标准规范低估了正常桥梁外梁的弯矩 多达 28 而对于内梁弯矩 最大低估约为 71 Helba 和 Kennedy 在 1994 年通过测试连续倾斜复合桥梁来定义极限载荷 结果涉及简支梁桥和连续梁 桥 两跨和斜梁桥 Ebeido 和 Kennedy 在 1996 年研究了倾斜角度 以及其 他设计参数 对剪切力和两跨 连续 组合桥梁反应分布因素的影响 Khaloo 和 Mirzabozorg 2003 利用有限元分析 FEA 方法 对 简支梁桥 多跨度的斜交桥 倾斜角度 梁间距 和内部的横隔梁的布置进 行了三维 3D 分析 他们发现 与非斜交桥相比 倾斜角为 60 的斜交 桥的外部梁的荷载分布系数被降低了 24 此外 研究表明的内部大梁的荷 载分布因素的灵敏度和倾斜角度有关 相对于非斜角桥梁 斜交角为 60 的甲板的荷载分布因素会降低 26 3 结果表明 AASHTO 标准规格的荷 载分布因素比的有限元分析的荷载分布因素高 43 1 Khaloo 和 Mirzabozorg 建议应重新评价倾斜桥梁梁的活荷载分布系数 黄朝志等人 在 2004 年进行了现场试验 利用有限元分析理论分析了一座倾斜角度为 60 的两跨连续板钢组合桁梁桥 Ashebo 等人在 2007 年研究了动力载荷对斜 交连续箱梁桥的影响 2007 年 Menassa 等人通过对一座简单的单跨多车 道钢筋混凝土板梁桥进行了有限元分析 结果发现 当斜交桥倾斜角度范围 为 0 30 时 歪斜对桥梁在静态和动态上的行为影响都很小 他们的结论是 桥梁斜交角度小于 20 时 斜桥和直桥通过有限元分析得到的纵向力矩之 间的比率差不多等于 1 当桥梁的倾斜角度在 30 和 40 之间时 这个比 例下降到 0 75 并进一步下降到 0 5 当桥梁的倾斜角度增加到 50 在这些 研究中 横隔板的布置和高跨比的影响还没有被考虑 在本文中 倾斜角度等设计参数对两跨连续组合梁桥在弯矩 剪切力 和荷载分配系数的影响是利用有限元分析进行了研究 倾斜的桥梁的有限元 分析的结果参考直线桥梁 也与 AASHTO 标准规范和 AASHTO LRFD 规格 进行了比较 此外 早期研究中对倾斜桥梁精度的一个简单方程被重新检查 了 而且 横隔梁的安排和高跨比对斜交桥的影响也进行了研究 对七十二 种有着不同跨度比 I 1 55 和 1 82 倾斜角度 0 60 和两种不 同安排的横向联系的桥梁模型进行了分析 桥梁模型和假设的描述 一座设计宽度为 11 8 米的工字截面双车道桥梁被考虑了 结构是基于 以下理想化的假设 1 倾斜的甲板在铺在由六块工字型组成的中心间距为2米的纵向梁上 2 所有的材料是有弹性的和均质的 3 甲板和纵向工字型梁由桥墩简单支撑 在桥墩上连续布置 第一个跨度的长度为24m 跨度比 N 第二跨长度 第一跨长度 为 1 1 55 1 82 对于中间横隔板的两个不同的安排进行了研究 在第一模式 横 隔板是垂直于纵梁的 在第二个模式中 横隔板是平行于甲板的支撑线 对 于第一种模式 斜交角在0 至45 间变化 对于平行模式 斜交角在0 至 60 间变化 主梁是高度为2米的工字型钢梁 其断面系数为 3 046 0m Sx 我们用长为80 8mm 的 X 型中间横隔板与顶部和底部的线交叉 对于所有 的桥梁 都使用能抵抗30兆帕的25cm 厚的混凝土甲板 而且甲板的顶部和 底部用400 mmm 2 的钢筋网来加固 图1显示了有限元模型的截面 FEM 和两个安排的横向联系 有限元分析 许多变化的方法 在各种文章中已被用于制定的梁板模型 海斯等人 在 1986 年开发了一个模型 采用四边形壳单元来代表桥梁空间框架单元 除了元素仅仅是连接在重力的中心这种情况 这种类型的模型都是类似于偏 心梁模型的 而且刚性连接是不需要的 一个真正的偏心梁的研究方法是易 卜生和纳特在 1978 年进行操作的 该模型利用通过刚性结构连接的壳单元 和梁单元来分别代表的甲板和梁的梁单元 Brock enbrough 在 1986 使 用一个详细的梁的方法和把梁分成三部分 每个凸缘被建模为一个梁单元 每个网络被建模为一个壳单元 板坯的利用通过刚性连接的壳单元来连接每 个元素的质心 偏心梁模型被确定为最经济的模型 同时还能准确地预测梁 的行为 我们利用通用的有限元分析程序 SAP2000 cs12000 来做三 维有限元分析 模拟混凝土板在每个节点上采用四节点三维弹性壳单元 每 个节点拥有六个自由度 模拟的纵向钢梁在每个节点上使用了两个节点的三 维弹性梁单元 拥有六个自由度 壳和梁元素是通过刚性连接件连接的 这 些元素通过连接有着梁单元和壳单元的甲板单元的节点来模拟甲板和梁之 间的复合动作 在框架的横向隔板采用梁单元模拟 梁和横隔板之间的连接 是固定的 简单的支持在桥梁两端分别采用边界约束的平移位移被限制除纵 向建模 并没有转动约束 结果表明 简支边界条件可以提供更均匀的结果 EOM 和 Nowak 2001 此外 中间桥墩支架使用平移位移约束时的边界 约束来建模 荷载和有限元分析结果 卡车 HS20 44 标准是根据 AASHTO 标准规格来使用的 SAP2000 CSI 2000 移动荷载选项是用于装载的 为了验证在 N 1 55 和倾斜角 度为30 的情况下的有限元分析 该模型扩展为Ebeido和Kennedy在1996 创建的模型的相同品 对于室内梁的弯矩分配系数的比较表明 它们的差异 小于 2 5 随后有了考虑两车道的桥在最大纵向弯矩和外部和内部在墩支撑梁 的剪力的有限元分析结果的报告 有限元分析的最大弯矩在 0 MM 的形式 介绍 其中 M中的是斜交角度为 的斜桥的有限元分析的最大弯矩 0 M为 非斜交桥的有限元分析弯矩 同理 比值 0 VV 用于计算剪力 在桥墩支撑上的最大纵向弯矩比 对于三跨斜交桥的比值 1 1 55 1 82 比值 0 MM 在内部梁上的最 大纵向弯矩如图 2 a 所示 这个图显示 在桥墩的内部梁最大纵向弯矩 随着斜交角度的增大而减小 当斜交角度小于 20 时 减少大概 10 当 斜交角度上升到 45 时 支撑的弯矩减少将近 33 如图 2 b 中阐释 当斜交角度小于 20 时 外梁弯矩的减少对纵向弯矩影响不大 然而 当 斜交角度上升到 30 时 比值减少到 0 86 当斜交角度达到 45 时 比值 将会进一步减少到 0 71 在桥墩支撑上的最大剪力比 图 3 a 显示出斜交角度在内梁上桥墩支撑处剪力的影响 随着斜交 角度的增加 内梁桥墩支撑处的剪力会减小 当斜交角度为 30 时 比值 大概为 0 87 当斜交角度上升到 45 时 比值会减小到 0 78 图 3 b 显示出外梁上桥墩处支撑的剪力比 0 VV 显示出当斜交角度 增大时 桥墩支撑上每个三跨剪力比 1 1 55 1 82 的剪力会增大 当 角度达到 45 时 剪力比大约为 1 3 结果表明 对于外部梁和内部梁 桥 墩支撑处的剪力随着跨度比的增加都会减少 横向联系布置的影响 Khaloo 和 Mirzabozorg 在 2003 年研究了内部联系板对简单斜交 桥的影响 他们的结论是 在桥梁的内隔板的布置对负荷分配模式的一个显 着的影响 连续弯桥在本文中 考虑了中间横隔膜的两个不同的安排 在第一种情 况下 垂直于纵梁和倾斜角度从 0 变化到 45 的横隔膜 第二种情况下 横膈膜是平行于支撑线的甲板上的 0 倾斜角度 60 中间横膈膜隔开 每 6 米 这满足 AASHTO 标准规范 结果的时候比在内部和外部两个安排 的隔膜梁是在图所示 分别是 2 和 4 在第一系统中 目前 0 MM 显着下降 在斜角度的增加是因为比 0 MM 约17 个倾斜角度和30 下降到约37 为桥梁的倾斜角度增加到 45 在第二个系统 倾斜角度为室内梁的弯矩比的影响可以忽略不计 然 而 这个比例下降到16 60 倾斜角度 在这个系统中 外部梁下降约 60至11 的斜矩比 而在第一系统 减少了比 0 MM 的出现是了不起的时 候的倾斜角度增加 减少达到约有斜角度45 29 这些结果与实验相符与 以前的研究调查提出的参数 例如 khaloo 和 mirzabozorg 在2003得出的 参数 为了进一步降低弯矩比 与垂直于纵向梁横隔梁桥是最好的 最经 济的连续复合斜交桥的设计 弯矩和剪力分布因素 在 AASHTO 标准规格中 荷载分布因素被发展运用简支梁桥的内部 梁上 许多研究已经开展了对弯矩和剪力分布的因素 Ebeido 和 Kennedy 1996年 衍生的剪切力和在两车道不等斜连续梁桥桥墩支撑内部的弯矩和 那些从 AASHTO 标准规范和 AASHTO LRFD 规范得到的结果相比 分配系 数 Barr 和 Amin 2006 研究了倾斜角度的影响 梁间距 跨度 和悬伸 距离对剪切荷载分布系数 他们发现 AASHTO LRFD 规格准确地预测剪切 分布系数梁间距和跨度长度的变化 然而 AASHTO LRFD 规格的剪应力分 布的外梁的因素被认为是偏不外伸距离和过于保守的内部梁高的倾斜角度 CAI 2005 开发的负载的一组新的公式对板梁桥的分布的因素 休斯和伊 德里斯 2006 评估 AASHTO 标准规格为预应力混凝土的荷载分布系数 AASHTO LRFD 规格 扩散箱梁桥 皱褶等 2005 建立简化的活荷载分 布系数方程的弯矩和剪力来取代在 AASHTO LRFD 规格的研究 力矩分配 因子 糖尿病 和剪切分布因子 DS 在内部支承在两跨连续组合梁是由 下列关系确定 ebeido 和 Kennedy 1996年 max MMDm max VVDs M