Barrier-Overhang连接的结构行为和设计混凝土桥上层建筑采用AASHTO LRFD方法

文摘

美国的交通部门采用AASHTO LRFD桥梁设计规范2007年,由AASHTO授权和供料。LRFD规范的应用程序发起的众多的研究在这个领域工作。这个调查地址LRFD和标准的混凝土甲板板设计方法,甲板过剩、障碍和barrier-bridge过剩相结合。本研究的目的是提出一个简化的手工设计方法barrier-deck过剩的混凝土桥梁。混凝土甲板板过剩和屏障的应用国家公路合作研究项目碰撞试验研究进展。失效机理,设计理念和负载情况下包括极端事件限制屏障,过剩的状态进行了讨论。悬垂设计弯矩和轴向拉力的共同作用可能是最重要的设计过程的一部分。的过剩可能是一个关键设计点与钢筋数量明显高于甲板。设计过程变得复杂,由于力效应相结合,LRFD碰撞试验水平要求和几个负载组合的存在。使用这个程序,不同LRFD负载组合一起策划交互图和设计验证。

1。介绍和背景

多年来美国州国家公路运输官员协会(AASHTO)标准规范1)被公认的主要桥梁设计工具在美国。在过去的25年,有了很大的发展混凝土桥设计方法以及利用新型混凝土材料。许多美国运输部门(USDOT)已经开始AASHTO负载和阻力系数设计的实现(LRFD)桥梁设计规范(2]。LRFD基于结构分析的最新发展和材料,以确保所需的可服务性和终极行为,安全,美观,和经济。它受益的宝贵的经验AASHTO容许应力设计(ASD)和负荷系数设计(最晚完成日期)方法,它已经应用了70多年。

这些变化导致了设计程序方法早些时候相比明显不同。新的LRFD规范已校准产生设计的结果不是非常不同的AASHTO标准规范3]。新的LRFD设计方法的变化和挑战桥梁工程师非常重要与标准规范工作多年。

联邦资助公路项目,USDOT必须采取和实施LRFD桥梁设计规范2007年,由AASHTO授权联邦高速公路管理局(供)。这种巨大的事业的任务准备发起了一系列的研究调查LRFD规范的不同方面。

在目前的工作,进行了比较详细的调查标准之间的差异和LRFD室内混凝土甲板板设计的方法。本研究的目的是提出一个简化的手工设计方法barrier-deck过剩的混凝土桥梁。障碍和甲板过剩设计,一个新的哲学基于屈服线理论和实际行为在一个真实的碰撞试验已经使用的AASHTO LRFD规范(2]。这种方法明显不同的和更复杂的比较传统的方法。

2。内部甲板板

一个计算机程序(电子表格)是为室内甲板板设计开发。当前AASHTO LRFD桥梁设计规范中介绍了三种不同的甲板板设计方法的分析。LRFD传统方法,近似方法(LRFD文章4.6.2)或精制方法(LRFD 4.6.3条)、混凝土板和LRFD经验设计方法(LRFD文章9.7.2)的例子(2]。的近似方法被认为是可接受的甲板除了完全填充和部分填充网格,指混凝土板梁的顶部,将部分梁的梁或完全嵌入。精制的方法通常是用于建模与有限元分析的准确性会影响分析的解决方案。经验设计方法是具体的甲板板纵向悬臂组件和应用不支持但只有到主板。

LRFD传统方法使用近似方法或精制的方法是基于一个弹性分析的制表设计时刻规范。LRFD实证方法与限制还建议,即梁间距必须小于4米(13英尺)。甲板板钢筋的实证方法是一个值,这就是梁/ web间距和依赖应用死和活载。甲板钢筋的数量由该方法明显低于那些由LRFD传统方法或标准最小的致命剂量的方法,和图1比较了甲板加固设计的三种方法。

如图,所需的钢筋数量取决于梁间距为最晚完成日期和LRFD传统方法而强化LRFD实证方法的数量是恒定的。采用经验设计方法为2.74 - m(9英尺)梁间距,所需的甲板钢筋约为75%和50%的人给出的最晚完成日期和LRFD传统方法,分别。由于显著的差异,大部分的设计师可能犹豫地使用LRFD实证方法。

3所示。混凝土障碍设计

联邦标准,国家公路合作研究项目(砂浆)报告350 (4),为高速公路的安全绩效评估功能已经发表,和广泛的试验研究[5- - - - - -8]研究障碍行为进行了基于标准。砂浆材料报告覆盖碰撞测试包括提出了桥的栏杆设计6个测试级别。根据报告,LRFD指定新的桥梁栏杆和混凝土屏障性能水平对负载的动态影响,车辆速度,和其他人。

表1(2)显示了最低要求的设计力量和维交通栏杆在当前AASHTO LRFD规范。在这个表中,设计横向荷载()、纵向载荷()、垂直荷载(),和其他几何设计参数(,,,铁路,和最小高度)。选择所需的碰撞试验水平,整体屏障维度和加固设计使用的参数表。这将涉及到一些迭代过程,因为碰撞力的大小和分布取决于设计能力的障碍。

4所示。为混凝土栏杆设计过程

产线分析和强度设计通常使用钢筋混凝土障碍(2],名义栏杆抵抗横向荷载,,可以确定使用收益行方法如图所示(1)的影响在一个墙的影响(屏障)段和墙(屏障)或联合,分别。一个人 在哪里总横向阻力障碍(kip),屈服线模式的临界长度(英尺)墙段内的影响在墙或在关节,影响纵向分布长度(英尺)是附加弯曲阻力(除了(如果有的话),在这里不适用,的抗弯抗障碍对其纵轴(k-ft /英尺),对其纵轴的抗弯抗障碍(kip-ft /英尺),然后呢势垒高度(英尺)。

5。甲板过剩的行为

LRFD规范要求甲板过剩应该有足够的强度承受负荷收到车辆事故障碍和阻力,迫使收益率线故障模式保持内部的障碍。图2显示了横向和纵向载荷(和)应用的障碍在车祸事件。

建议由AASHTO LRFD规范,具体的甲板悬垂在障碍前坠毁事件不应该失败。这意味着过剩也应该有能力抵抗反应部队收到屏障崩溃期间(2]。极端事件张力,在(2每线性英尺),弯曲弯矩,在(3),甲板的barrier-overhang连接如下: 在哪里总横向阻力障碍(kip),屈服线模式是至关重要的长度(英尺),然后呢势垒高度(英尺)。

悬臂甲板应该设计依照AASHTO LRFD节13(附录A,文章A13.4),以下设计情况下单独考虑。

设计案例1
这种组合是极端事件II包括横向力()、纵向力()和其他死去的负载。分布式(每英尺)横向设计张力及其相关的弯矩和计算(2)和(3)。

设计案例2
这种组合是极端事件II包括垂直力()和其他死去的负载。

设计案例3
这个组合就是力量与应用程序我死去的加载和正常的车辆活载。一个轮载荷将被放置在30.5厘米(1英尺)面临的障碍分布式计算(每英尺)弯矩的过剩。另一种等价的连续活载1 k /英尺放置在1英尺(30.5厘米)内部面临的障碍是由LRFD 3.6.1.3.4。

注意设计案例1和2可以被视为连续或联合位置barrier-overhang连接。也静负荷因素情况下1和2可以假定为1.0根据LRFD规范。数据3和4显示弯矩沿过剩为所有适用的荷载组合。

6。荷载组合的比较

悬顶长度假定从0.76米到2.44米不等(2.5到8英尺)的数据3和4。看到,弯矩的大小对于极端事件二世应用程序和服务我,成比例地依赖于过剩的长度。这意味着通过增加过剩长度,产生的弯矩或者轮载荷比例会增加。另一方面,对于极端事件二世(生产和沿着过剩),现在几乎是不变的(除了死载荷的影响微不足道)。很大一部分原因是在这些组合在整个长度上的过剩的崩溃弯曲反应收到障碍。换句话说,对于极端事件二世,只有两种力量被认为是过剩的提示:拉伸力()和一个时刻()。的影响和将常数沿整个长度的过剩。它是在数字3和4极端事件II负载组合几乎是常数和管理设计一个过剩的长度约1.52到1.98米(5到6.5英尺)(这可能是最大的实际长度)。

恒力作用在悬顶长度,一个变量过剩厚度不能优化设计。如果使用一个变量厚度,最小厚度(过剩)的提示将管理设计。传统上,设计师考虑一个变量(腰形)部分过剩与最小厚度的小费。很有趣的一个变量(腰)过剩部分不能为极端事件二世负载优化设计组合。表2显示了轴向拉力和相关的时刻为1.52米(5英尺)积压在我大梁81.3厘米(32)屏障使用AASHTO LRFD测试4级(tl 4)。

7所示。轴向Tension-Bending时刻相互作用

前两个载荷组合表2需要一个设计过程作用下矩形混凝土截面轴向力(张力)和弯矩。经典的手工应用列分析将耗时且乏味。此外,大多数现有的列设计图表仅适用于轴向压缩,不包括列的拉伸部分相互作用曲线。

决定在这个调查开发计算机程序在“电子表格形式”来执行这个过程。程序的初始信息,如支持元素(梁)的宽度,过剩的长度和厚度(最小和最大的鹿腿画廊形状),和材料属性。然后程序建立所有负载组合(如表2)。然后启动一个近似设计仅基于最大弯矩在所有四种荷载组合和忽略轴向拉力计算所需数量的增援部队(在图2)。底部的酒吧()被认为是相似的(延续)到下酒吧为室内设计的板在同一个程序。在下一步中,执行详细的部分分析构造轴向force-bending交互图。这涉及到所有可能的失效模式的假设(拉伸、压缩和平衡模式)建立失败的表面。分析扩展为负(拉伸)过剩设计所需的轴向力。

8。过剩的设计

计算设计结合力量(如表2)单位宽度的过剩。过剩的长度和材料特性。程序计算所需的上层钢筋面积仅基于这四个组合的最大弯曲。首次近似,张力的影响被忽略。过剩底部的酒吧是假定为内部甲板板钢筋的延续。可以构造交互图(破坏面)的部分。每个荷载组合可以绘制一个点在同一个交互图。设计是可以接受的,如果所有的四个点在曲线内,否则平板厚度或甲板钢筋应修正定位加载点在曲线。应该注意的是,只有消极的部分图将用于过剩设计。注意负载因素根据AASHTO LRFD极端事件组合和强度折减系数为0.9应用于钢筋设计的时刻。

图5显示了交互图和负载组合的情节点具体过剩AASHTO IV型预应力工字大梁用以下信息:

设计输入
设计输入包括以下:梁间距= 2.44米(8英尺),内部甲板厚度= 20厘米(8),过剩CL大梁的长度= 2.22米(4英尺),测试水平= tl 4,障碍大小= 81.3厘米(32),分钟过剩厚度,在,max。过剩厚度,= 30.5厘米(12英寸)(腰部)。

设计输出(第一运行)
设计输出包括以下:过剩顶部横条(5 @6。)过剩下横条(5 @12。)内墙板顶部横条(5号@10.3。)内墙板顶部横条(5号@10.3。)内墙板底部横条(5号@9.1)。

图6是一个爆炸视图的拉伸部分的交互图。看到的是,所有内部的荷载组合点曲线,满足设计要求。

计算机输出的设计室内面板和过剩部分混凝土甲板板图所示7和8。

9。设计变量的意义

几个甲板悬臂具有不同几何图形设计观察每个设计变量的重要性。

9.1。荷载组合

重要的是极端事件负荷情况与横向碰撞力传输常数弯矩和张力沿整个长度的甲板过剩。这是与轮活载产生的影响变量(0到最大)。在图3或4如果第一和第二负载情况下(这几乎是平的)与第三和第四例(约。线性)。出于这个原因,传统的惯例使用变量(腰)过剩厚度不会帮助如果前两个案件之一是管理设计。被观察到前两个极端事件负载组合将支配过剩设计5英尺,6.5英尺的长度测试水平的tl 4和TL-5,分别。这些可能是最大的实际长度限制。如果使用一个变量厚度,甲板部分和增援障碍位置必须用于设计。甲板过剩部分的内部面临下一个点在这个程序中使用的障碍。

9.2。障碍结束或关节

结束或关节位置创建一个更关键的失败屏障(因此甲板)相比,连续点。比较联合和连续病例(前两个负载组合)在数字2和3。在关节或屏障结束,事故弯矩比连续高约60%至75%的位置。障碍和甲板悬垂在这些点应该设计合理。

9.3。过剩强化的意义

需要过剩之间的比较进行高层钢筋与相邻内侧板上酒吧、和图9显示的比例要求过剩内饰面板的钢筋。纵轴显示的是比率(见图10)的上层钢筋的过剩的上层钢筋邻内侧板。结果表明,这一比率将与过剩长度显著增加。

9.4。过剩的设计

直接人工设计的钢筋混凝土部分在结合张力和弯曲似乎耗时且乏味。解决了许多例子,这个自动化的计算机方法。这是观察到,过剩的长度限制在前面提到的,可以建立一个简化的手工设计如下。(我)过剩的上层钢筋可能是设计基于最大弯矩(和忽视相关的拉伸力)在四个负载组合(大多数时候第一或第二的情况下,极端事件)是至关重要的。为简单起见,底部的酒吧的影响在这个过程中可以忽略。的变量(腰)厚度、设计应基于甲板部分属性的位置barrier-to-deck连接(最小厚度)。(2)底部的酒吧过剩可能会认为是类似于底部附近的酒吧内部甲板面板。这意味着我们可以继续从内部面板底部的酒吧到过剩。

10。结论和建议的简化设计方法

详细调查进行具体的甲板板通过开发一个电子表格的计算机程序。不同的设计方法内部甲板板进行比较。采用经验设计方法为2.74 - m(9英尺)梁间距,所需的甲板钢筋约为75%和50%的人给出的最晚完成日期和LRFD传统方法,分别。由于显著的差异,大部分的设计师可能犹豫地使用LRFD实证方法。

barrier-overhang交互及其设计、砂浆材料碰撞试验数据合并到项目检查屏障充分性。对于大多数实际情况下,悬置的设计是由极端事件极限状态数据加载的碰撞试验结果。这需要具体部分设计弯矩和轴向拉力的共同作用。程序能够构造轴向载荷和弯矩交互图和检查设计充分性崩溃极端事件和强度极限状态。一个简化的手工设计方法也提出了。

下面显示了简化设计方法提出基于这项研究。这种设计方法将通过LRFD碰撞力量最实用的案例。结果表明,该简化方法是可以接受的悬臂高达7英尺的崩溃的tl 4水平。(1)设计上层钢筋对于极端事件引起的破碎的时刻(忽略轴向拉力)。(2)提供名义下酒吧(或延续设计相邻内部面板底部的酒吧)。

引用

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