工字形钢梁桥的极限承载力破坏性试验分析

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摘要：当前桥梁设计和评价技术是基于构件等级，因此，无法直接预测的桥梁的极限承载力，这种承载力是一种系统等级相互作用的功能。虽然计算机技术的进步使得人类有可能进行准确的系统等级的分析，这种分析可用于设计更有效的桥梁和对现有结构能做出更准确的评价，但是，有关系统等级和桥梁性能之间相互关系的知识库对于这些被广泛认为是可靠的方法仍然太少。因此，为了提高系统级设计和评价，对一比例为1/5的钢板梁桥进行了极限承载力测试以及解析模型。这一测试体现了钢梁显著的备用能力和模型试样的响应受到钢筋混凝土桥面退化的控制。

关键词：钢；桥梁；梁；极限强度，

中图分类号：K928文献标识码： A

0引言

自70年代初，一些全面的破坏性测试已经完成。这些测试显示的主要趋势是，桥梁已经拥有了已超过现有设计和评估技术所预测的承载力。第一批用来说明这种承载力的增长的破坏性试验中的其中之一是由乔根森（Jorgenson）和拉尔森（Larson）（1972年）指导完成的。他们曾测试了三跨钢筋混凝土连续梁桥的极限承载力。伯德特（Burdette）和古德帕斯蒂尔（Goodpasture）（1973）测试了四座将被废弃的公路桥梁。这些桥梁所显示的承载力曾数次高出设计规范的预测。米勒（Miller）等人（1992年），随后通过测试三跨连续钢筋混凝土板梁桥测出其极限承载力。这次试验的结果表明，这座桥梁与设计荷载相比较其安全系数为7。Bakht和耶格（Jaeger）（1992）测试了一座现浇的非复合钢筋混凝土桥面的单跨钢梁桥。其结果表明，梁所能承受的荷载超过其首次屈服。有人还指出，随着荷载的增大，荷载横向分布下降。在这个测试中出于安全考虑，挠度受到了限制，因此未对弹性极限变形之前的荷载情况和挠度进行评估。Aktan等（1994）试验了两种将要废弃的钢桁架桥，实验表明，其安全系数比那些通过美国国家协会公路交通官方（AASHTO标准）方法所预测的增加了134%。奎恩（Quinn）（2005）测试了五梁三跨连续复合增强板，上梁桥。在这个测试中，每个梁下翼缘部分被移除，以减小桥梁的承载力，并降低导致破坏所需的荷载等级。然而，即使减少主梁横断面，一个塑料铰链依旧不能演变成一座桥。

以上所提到的相对于设计规范其强度增加主要是由于这一事实，即目前的设计和评估程序考虑到与假定荷载分配相比之下个别构件的抵抗能力，也就是说，它们其实是测试组成部分等级的程序。然而，系统等级性能在事实上发生了，这导致通过冗余负载路径荷载产生了重分配。对这种三维的桥梁性能更深入的了解有可能对预测一个真实结构的承载力产生更经济的设计结果和更有效的评价方法。由于目前的设计（和评级）方法论开始非常严重地偏离实际系统对于在这时候开始出现的荷载分配模式的变化导致的后弹性荷载等级的响应，一些具有破坏性测试（无论是身体测试或模拟计算）的标准是对这种性能提供重要见解是最有效的。

1相似的思考

量纲分析方法用来建立类似的全尺寸和比例为1/5的桥梁。这种分析的依据是白金汉宫（Buckingham）π定理（白金汉宫Buckingham，1914年），这一定理表明如果有一个由物理变量组成的独立方程，它可以转化为另一个由无量纲的含有π项的关系式的方程。此外，如果在两种不同比例的模型种含π项是相等的，那么这两种模型之间比起存在着相似。

确定起控制性作用的物理变量是进行量纲分析的第一步。每一种比例的桥梁需要有相同比例的首次屈服力矩和塑性力矩。之所以使用这些参数，是因为这些参数是美国国家公路运输协会（AASHTO）用来计算梁的承载能力，而且因为随着梁的力矩达到这些力矩水平时荷载的再分配特性通常会发生变化。My和Mp能够用表1所示的含有物理变量的函数表达。随着这些变量的确定，π分析才使用由Sabnis等规定的方法进行。

含π项不能解释恒载在全尺寸和缩尺模型之间的不同是其特征之一。这是一个经常遇到的问题而且经常在缩尺模型的物理测试中通过增加恒载的方式抵消。伴随着增加恒产生的问题是增加适合重量所需的材料数量是显著的并且将改变模型的刚度。虽然所前面提出的测试是静态的，以致测试忽略了恒载的不同，并且发现了由于恒载不成比例的情况，使得更小尺寸的模型与大尺寸模型相比将表现出更强的恒载承受能力。在动态分析中，恒载将会变得非常重要，因为它决定着许多动态参数的大小而且是不能被忽略的。

2缩尺模型设计

为了建立一个准确的缩尺模型，伴随而来的是运用2004年美国国家公路与运输协会（AASHTO）标准桥梁设计规范的荷载与阻力因子设计法设计的一座假设的全尺寸桥梁。这座全尺寸桥梁经过Strength I and Serviceability II Limit States的检验。疲劳没有被考虑是因为疲劳荷载在实验中未曾应用。长度、宽度以及倾斜度的目标值是以特拉华河和海湾大桥管理局7R机构为依据的，后来通过McConnell（2010年）等人互补性的工作测试得到其极限承载能力，同时也得到了可用的实验设施和材料的可用性。使用这些约束条件和方程中的含项，得到全尺寸桥29米（95.0英尺）长，5.9米（19.3英尺）宽，倾斜25 º。Bridge 7R仅有一条运输车道，这也是基于桥宽所设计的车道数目。

对于缩尺模型来说，含项 被用来计算梁的长度（5.8米，19英尺），量的宽度（29.5厘米，11.6英寸），以及桥面板厚度（5.1厘米，2.0英寸）。这使得缩尺模型的横截面和平面图分别如图1和图2所示。此外，美国钢结构学会（AISC，2005年）M30.5x52.5（M12x11.8）轧制型钢梁钢材为桥梁主梁所采用。这种配置使得每一种复合梁各自具有初弯矩和弹性力矩，分别为679牛顿 米（50.1千磅 英尺）和98.8 牛顿 米（72.9千磅英尺）。这座桥倾斜25度。表2 显示了计算全尺寸桥梁和所尺寸桥梁模型的含项。由于含项至少在千分之一的地方相同（导致在所有九项几乎没有差别），因此在这些模型之间存在着相似。

剪螺栓的设计采用了2004年制定的美国公路桥梁设计规范桥梁设计手册第三版中的章节6.10.10.4。每一片梁都需要24个12.7毫米（0.5英寸）的剪螺栓。一排间隔为254毫米（10.0英寸）的剪螺栓满足了这一需求。

美国钢结构学会的M30.5x52.5 (M12x11.8)是一种紧凑型钢（AISC, 2005），因此，在特殊的设计荷载下就不需要横向加劲肋来满足剪力要求。基于评估2004年美国公路桥梁设计规范桥梁设计手册第三版（2004）中的章节6.10.9.3，这一点得到了证实。然而，横撑架连接板包括在促进横撑架和端部隔膜的连接的设计中。这些连接板被焊接在梁上，充分扩展了腹板的最大厚度，并且是由宽38.1毫米（1.5英寸）和6.4毫米（0.25英寸）厚的棒形钢材构成的。

2004年AASHTO标准LRFD桥梁设计规范第三版（2004）没有提供横撑架设计的详细程序。由于这样的情况，所以采用美国钢结构学会桥梁施工手册第13版（2005年）中的附录6中6.3.1a来设计横撑架。其中，方程A-6-6是用来设计刚度，方程A-6-5是用来设计构件的检验强度。设计的结果是两根相同的用作横撑架连接板的棒形钢材。一根水平放置于腹板的顶部附近，另一根水平放置于腹板的底部。横撑架用一根直径为12.7毫米（0.5英寸）的1级螺栓在每个构件的各端与横撑架连接板连接。

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