核心筒复合桥梁:设计、生命周期评估、维护和决策

文摘

核心筒组合桥梁作为替代混凝土桥梁,因为他们的适应能力几何约束和设计重用的可能性的一些材料的结构。在本文中,我们报告的研究设计、行为、优化、施工流程、维护、影响评估和决策技术复合桥梁为了到达一个完整的设计方法。除了定性分析、多变量分析是用来确定知识差距与桥梁设计和检测研究的趋势。另外一个目标是使可见组合筒的间隙在可持续设计桥梁,它允许我们关注未来的研究。这项工作的结果表明研究人员集中研究桥梁的初步设计与主要经济的方法,虽然在全球层面,关心的是指向寻找可持续的解决方案。发现生命周期影响评价和决策策略允许桥经理改善决策,特别是在组合桥梁的生命周期的结束。

1。介绍

桥梁是最重要的一个结构类型由土木工程师对社会有很大的影响,有利于领土连接。桥梁的设计必须整合不同的需求达成设计根据所需的需求。此外,桥梁的设计必须考虑上下文的结构框架。这个上下文相关的特征的地方将位于结构和确定因素从经济、文化和环境的观点。

工程师面对在设计时必须考虑的因素超出了简单的事实,他们的工作满足的功能设计(1]。在桥梁设计中,其他方面,如施工过程结构的重用或拆除策略,必须评估。这需要一个清晰的理解的行为,强调他们的材料将被在他们的使用寿命(1]。此外,这些基础设施在建设一个相关的环境影响(2),也必须加以考虑。可以减轻这种影响具有良好的设计和规划3]。自从世界环境与发展委员会定义可持续发展指南(4),国家政策都集中在获得基础设施,实现可持续发展。此外,联合国定义可持续发展目标(52030年)作为目标。正因为如此,它可以明白社会的要求之一是公司可持续发展的基础设施的设计。德容(6)增加了环境友好的设计原则。此外,建筑材料和结构的形状给设计师更多的创新工具,使设计更符合当前的设计标准。在图1的方案设计标准已经显示出来。

达到当前的目标设计、核心筒组合桥梁(SCCBs)可以是一个不错的选择,由于钢的部分结构的再循环能力(7]。SCCBs 20以来已被广泛使用^th世纪,当复合结构理论是更一般的(8]。此外,穆萨和迪亚兹状态,这种类型的桥是高效的可能性将钢铁和混凝土部分的截面中他们表现最好的。他们还提供增值由于造型美观(9]。

本综述的目的是收集关于SCCBs知识来识别方法,设计师和研究人员设计。这项工作为设计师和技术人员提供了一个指南,目前收集的信息是关于这种类型的结构的行为,作者使用的方法达到最优设计、施工方法和维护以及维修策略。此外,缺乏相关知识发现SCCBs,提供研究人员把精力集中的可能性最薄弱的地区。差距是通过使用统计技术,分析不同变量之间的相关性。此外,所有的信息被认为是在这项研究中给出了一个更广泛的愿景SCCBs的可持续设计的可能性,考虑可持续发展在整个生产过程中。

2。数据采样策略

这个工作的搜索相关主题进行了斯高帕斯的科学文献数据库和网络科学。搜索被限制从1995年到2019年。术语用于搜索不同的文章的结合”核心筒组合桥梁用下面的词:“优化”、“决策”、“多属性决策”、“多目标决策”、“多准则决策”、“生命周期评估”、“生命周期”,维护”、“疲劳”、“可靠性”、“不确定性”、“鲁棒性”、“耐火性”、“施工过程中,”“安全,”“强度”、“地震”和“屈曲,“发现共有4784篇文章。

为了筛选工作,直接关系到相关的话题,首先排除准则应用只考虑同行评议的科学论文和会议工作。此外,研究不考虑完整的复合动作的结构或处理独立复合元素被丢弃的行为。最后,我们只考虑英文文章在这项研究中。这种筛查策略导致了90篇文章。

2.1。统计分析

识别领域被广泛研究和那些缺乏知识,进行了一个简单的对应分析使用IBM SPSS统计25(美国、IBM公司,纽约Armonk)软件(10]。这种方法允许我们来表示两个变量之间的关系。在这种情况下,它被用于相关领域的知识与设计的截面类型SCCB和阶段的设计过程。这种统计方法已经应用于其他文献综述研究[11]。

3所示。核心筒组合桥梁设计

3.1。总体概述

SCCBs已经被广泛的研究由于这种类型的结构的良好行为。获得的信息从文献综述分为六个领域的研究:设计和行为,优化、施工过程、维护和修理、生命周期评估(LCA),多标准决策(指标)。这个部门不是任意的。部门有关可持续设计阶段Penades-Pla等人等人提出了他们的工作(11]:规划和设计,建设,操作和维护,拆除和回收。

第一阶段包含了设计和行为知识领域,研究人员研究的行为结构和提出计算方法和结构的解决方案来提高特定区域或整个组的行为。在下一阶段的过程中,设计者使用技术来实现更好的解决方案和研究如何实现他们的设计。在这个阶段的设计过程中,优化和施工过程起到至关重要的作用,必须考虑到构建阶段的最佳解决方案。一旦结构实现,设计应考虑维护周期和方法评估结构的状况,为了评估行动,要么进行维修或维护。当服务生活已经结束,施工必须拆除和回收。所有这些过程和决策有一个关联的影响,这是LCA方法允许技术人员评估结构的影响。在整个设计过程中,必须做出决策达到每个阶段的最佳解决方案。指标方法为设计者提供一个强大的工具来选择最匹配约束的解决方案(12]。

此外,SCCBs发现文章的综述可以按类型分组的截面分为三个类别,板梁,双梁,或箱形梁,根据vaya和Iliopoulos[的分类13]。在图2显示,三桥部分描述。板梁桥由数量的钢梁与混凝土板的剪切连接器,使复合行为。双梁桥两个或两个以上的钢梁,通常工字形的大梁,,像板梁桥,混凝土板连接。板桥的区别和梁大桥钢梁的行为。一方面,板桥梁大量更小的光束。因为他们的苗条,这些光束分为类根据Eurocodes[1或2部分14]。另一方面,在梁桥梁、大尺寸的梁钢束使它不可能像类1或2;这些部分被列为第4类部分,必须考虑减少计算(14]。混凝土板的几何形状也减少了考虑有效宽度由于剪力滞后现象按照规定(14]。最后,箱梁桥是由一个开放的钢箱梁与混凝土板在上面。区别在于截面的扭转这种类型的行为,这对双胞胎比梁桥梁(9]。

分布的研究发现在每个字段显示在图3。如图所示,最大数量的研究集中在设计和行为桥梁(66%),紧随其后的是优化(13%)和LCA(8%)。此外,今年可以分组研究出版物和研究领域,如图4。SCCBs最大生产相关的时期是在2010年和2019年之间。在2019年,有一个变化的趋势,与更多的研究在相关领域进行优化和决策,而不是继续研究行为的桥梁和一代的新设计。

3.2。设计和行为

设计和行为包括所有领域的相关研究SCCBs的行为对交通负荷,扭力,火,疲劳,和抗震措施。此外,这个领域包括新设计提出了作者对桥面的全球设计或其他地方部分,具有独特的行为。

在这个领域,发现了三个主要的方法:设计提案,行为研究和计算方法。设计提案的重点是新的几何图形的概念或材料的分布,提高SCCBs的行为(15- - - - - -25]。行为研究是集中在应用程序的实验或数值方法研究桥梁响应当提交给火(26- - - - - -30.,地震31日- - - - - -39,疲劳40- - - - - -52),二次扭转(53],振动[54- - - - - -59],爆破加载[60),或其他现象(61年- - - - - -67年]。另外,一些作者的研究都把重点放在实现SCCBs[新计算方法68年- - - - - -75年]。

表1总结了桥梁设计的研究,大多数的研究处理建议桥横截面和剪切连接器的设计。研究最多的箱形梁截面类型。

根据大量的研究发现,可以看出,工作重点是分析SCCBs的行为。防火研究的重点是与数值模型建模消防行动(26,30.)或流体力学(27]。其他的研究中,有关SCCBs的火行为的分析,还进行了实验测试校准数值模型(28,29日]。然而,所有作者得出这样的结论:很少有研究SCCBs的火行为。缺乏研究也反映在爆破加载等问题(60)或扭转弯曲SCCBs的行为(53]。相反,SCCBs疲劳和地震的行为在很大程度上进行了研究。

研究相关的新的计算方法集中在添加新概念SCCBs的设计。带等。68年)提出了一个概率非线性分析方法对桥梁设计使用一阶二次矩近似[76年)和直接微分法(77年- - - - - -80年敏感性分析)。聂和朱70年)创建了一个箱形梁桁架梁模型基于经典shear-flexible SCCBs梁格分析,获得10%的区别这个模型和传统的。贾et al。72年)包含在他们的方法失败的系统可靠性ten-degree-of-freedom有限元模型。其他作者集中他们的方法对剪力滞后(69年],收缩、蠕变和开裂[73年),或弯曲侧向加载74年,75年]。

3.3。优化

结构的设计是基于搜索的解决方案,使结构能够实现其功能使用尽可能少的资源。设计师使用一个迭代过程,包括几何和以后的修改确认到达一个更好的设计的结构。这个过程显然是根据设计者的经验和判断。研究人员已经开发出不同的方法来实现最优结构的算法。这些程序指导搜索最优解通过改变变量定义的结构。接受新的解决方案的价值取决于目标函数和算法的特点。这些优化方法已经应用到所有类型的结构,包括桥梁(81年- - - - - -84年]。

一些研究者的研究都把重点放在寻找最佳设计,采取客观的降低成本结构(85年),从基本的研究由应用技术,包括惩罚函数最优的搜索86年]。从那时起,技术已经变得越来越复杂,使用优化算法,研究穆萨和迪亚兹(9)使用Excel优化模块达到没有裂纹和疲劳的初步设计检查。优化过程通常使用一个数值模型来评估桥梁的应力,高计算成本,作者有发达的方法将优化过程分为两个阶段。Briseghella et al。87年)使用一个简单的模型来达到最优的几何有限元分析软件优化工具,后来应用拓扑优化(88年- - - - - -92年)一个更复杂的数值模型使用有限元方法,以减少钢部分受到局部屈曲。

佩德罗et al。93年应用不同的算法在优化过程分为两个阶段。他们的分析结果给良好的行为为SCCB优化技术优化,取得了很好的效果。其他作者也应用了fminconMatlab函数(94年]SCCB我梁桥梁、跨度长度20米的好结果。在其他的研究中,结构的生命周期成本进行评估,比较SCCB解决方案和预应力混凝土方案,说明预应力混凝土方案比合成的(95年]。这些结果可能取决于生命周期阶段被考虑。Rempling et al。96年]提出一种基于集合的参数化设计97年,98年)应用于SCCB优化。Kaveh等人应用和比较不同算法组合桥梁在学业成功99年,One hundred.]。总结了优化技术表2。

如今,结构的价值评估不仅通过他们的经济,还被他们的社会和环境影响。进行优化研究在当前文学关注单目标的优化,从根本上减少重量,因此在经济改善。社会和环境可持续发展的支柱不从的角度优化研究。此外,在研究混凝土桥梁,进行多目标优化应用(112年,113年),而在SCCBs,这些方法并不适用,也加速的优化(114年]。因此,可以说,缺乏知识领域的多目标优化和使用方法,使结构的优化从SCCBs社会和环境的观点。此外,该方法的优化结构主要由不同的算法的应用问题。没有研究算法的相关知识以更科学的方式优化领域的桥梁。索伦森和阿诺德(115年)暴露在他的作品中这种现象,表明这种趋势是对算法的行为的理解。优化算法的应用领域的领域的结构,特别是SCCBs很近,因此不同的优化方法需要进一步的研究来比较的可能性。然而,研究这些技术是如何工作的,为什么有些人比其他人对这一领域的研究不应该抛在了一边。

3.4。施工过程

SCCB的施工过程是独特的,因为建筑钢筋和混凝土之间的分化的部分结构。最常见的过程是首先构建和地方钢铁部分使用的支持系统,以减少变形量的钢桥的一部分。然后,混凝土板放置模板和钢筋和混凝土倒。这种独特的过程给出了结构特征行为研究人员正在开发和研究不同的施工过程SCCBs [116年- - - - - -121年]。施工过程可以概括为连续预制梁桥梁、增量发布,span-by-span建设,和悬臂施工122年]。

在这里,我们审查的影响,施工过程。玛丽等人研究了施工过程的影响和板预应力可服务性行为使用有限元模型的一维(122年在负弯矩区),增加了14%,减少50%的积极弯曲报道。荣格et al。123年]研究了预应力混凝土箱梁桥的行为与波纹钢网由增量发布。研究结果得出结论,这种类型的结构截面允许的最大span-to-depth比率由于自重减少结构的扩展与预应力混凝土箱梁相比。其他作者研究了预制桥梁建设在欧洲和美国124年]。他们国家,装配式桥梁的建设加快了建设的桥梁和这样做的可能性与核心筒的桥梁材料的使用是一个很好的解决方案。这是因为这样的预制结构通常工作在一种均衡的方式,因此上部混凝土板压缩和型钢拉。另一种可能性是使用可移动的预制元素,允许连接的预制混凝土板与钢梁,在研究Valipour et al。125年]。这项研究表明,取得了良好的效果在施工过程的延性和强度使用预制元素。

在这个领域,文学SCCBs是稀缺的,所以需要详细研究他们的结构行为有不同的施工方法。此外,还有新方法被用于建造桥梁与传统不同的混合。此外,重要的是要考虑新建筑模型和程序进一步作为边界条件,找到最优的解决方案。

3.5。保养和维修

达到一个可持续发展的设计,一个完整的研究的所有阶段的桥的使用寿命是必需的。使用寿命是一个概念,允许设计师和工程师定义的时间被认为是使用的基础设施。然而,维护活动是必要的,保持结构状态,允许在一个安全的方式使用。这些活动可以预防相关基础设施的设计时防止损坏的可能性(126年]或纠正,修复方法。关注SCCBs搜索,已经建立了两个主要趋势:修复和改造(127年,128年)和桥梁的评估条件(129年- - - - - -131年]。

相比之下,阿尔布雷特和Lenwari提出三种方法的疲劳损伤修复(127年]。出更好的结果的方法是张力钢丝在低钢部分压缩部分的一部分,所以当加载应用,部分总是会被压缩。这给了一个抗疲劳强度高于AASTHO强加的。杉本学等。128年)提出了铁路桥梁钢的强化将混凝土板上方的钢梁,改变钢桥在复合,利用钢筋和混凝土之间的混合作用,对变形量和改善行为。另外,作者提出了不同的方法来评估桥条件,给利益相关者基础设施管理数据关于桥的维修决策。Gheitasi和哈里斯(129年),使用有限元模型,评估复合行动仍在桥梁损伤混凝土板;这种方法允许我们评估如果需要维修或结构,相反,它仍然具有足够的抵抗能力。在其他的研究中,作者提出了一种决策方法根据获得的数据通过检测桥梁的腐蚀损伤对钢梁(130年]。作者提出的数学模型可以评估桥梁的维修需求的基础设施经理。此外,马托斯et al。131年)提出了一个模型,能够将数据从桥上条件,并使用贝叶斯推理(132年,133年)降低模型参数的不确定性,使利益相关者根据维护采取更好的决策。

3.6。生命周期评估

桥梁产生相关影响在所有阶段的生命周期。因此,研究人员寻找不同的方式来评估桥梁以客观方式的影响。韦德曼[134年]应用环境优先战略在产品设计(EPS)、方法(ETM)环境主题,ecoscarcity方法(EM)的生命周期评估一个箱形梁SCCB。这个评价导致低维护这座桥的影响。作者指出,维护阶段是非常小的,因此,没有必要保护结构,最好是修复它。ISO 14040: 2006 (135年)定义了方法首次评估桥梁的生命周期;这样,生成一个框架,允许研究人员有指导他们的学习。Gervasio和da Silva混凝土组合桥解决方案相比,分析成本和对环境的影响,结果表明SCCBs有更高的成本,但较低的环境影响(7]。杜和Karoumi136年]国家SCCBs更好从环境影响的角度来看由于显现苗条部分的可能性和钢结构的回收能力更高。钢钢结构回收率为98% (137年),这可以让我们减少SCCBs的影响。在其他的研究中,作者做了文学评论的LCA方法和软件和实施新的LCA方法达到SCCB铁路桥梁的影响评价138年)和短桥(139年]。

见表3,SCCBs的LCA研究一直集中在经济和环境支柱。SCCBs,存在知识差距在社会的LCA的方法。此外,研究人员认为是摇篮到坟墓的方法。有必要进行研究与更广阔的视野来考虑整个生命周期过程,包括拆除,拆除的阶段结构和材料的回收和重用。

3.7。多准则决策

决策是一个过程,可以获得解决方案,满足不同的目标。这个过程可以在很多方面进行。黄和尹142年)多标准决策过程分为多属性决策(MADM)和多目标决策。madm用于决定一个离散的解决方案,通常发生在桥梁设计,在SCCBs更具体地说。

Penades-Pla等人进行了评估指标的方法应用到桥梁(11),但在SCCBs,这些方法并没有被广泛应用。只有两个出版物被发现与这个领域有关。第一个应用分数(143年]和PANTURA [144年混凝土之间)的方法来选择最好的选择和组合我梁桥梁145年]。在其他的研究中,该方法层次分析法(146年]和Vikor [147年被应用于短桥梁。在第二个研究中,获得的结果给了最合适的解决方案的两种方法-复合。此外,作者在短桥梁状态指标的应用可以为短暂提供好的设计桥梁实现的需求之间的联系不发达国家(地区139年]。

根据少量的有根据的调查与此相关的研究课题;可以说,缺乏知识在这个领域。这个必须完成与未来的研究,考虑到指标的方法在每个阶段SCCB设计周期,在决策过程中引入的不确定性和健壮性(148年,149年]。

4所示。讨论

大多数的研究集中在初步设计和结构的行为,因为这些表示与55文章总数的66%。在这个类别,发现了三大趋势:桥梁设计(18%)、行为(42%),计算方法(13%)。桥梁设计的研究一直集中在桥梁的横向部分的定义和钢筋和混凝土之间的连接部分的结构。行为的方法,缺乏研究中观察到的意外动作,如火和爆破荷载,与其他主题作者认为相比,如地震和疲劳行为。此外,其他作品都集中在新计算方法考虑灵敏度和可靠性,开展统计方法应用于结构的设计。

优化的研究中,这意味着与11篇文章总数的13%,主要集中在成本优化。缺乏知识在应用多目标优化方法和优化考虑其他条件,如环境或社会。此外,优化只是集中在应用程序的不同算法结果;然而,作者没有考虑到研究的算法在结构优化的行为。缺乏知识根据寻找原因和一些启发式的工作比别人更好的理由。相关的领域,作者不强调在建设过程中,在许多情况下,这是决定性的。这可能是由于缺乏研究的行为SCCBs在建设过程中,只有5%的论文总数的考虑。

一旦定义了最终设计,结构定义了使用寿命。要达到这一点,定义维护是很重要的时期,如果它是必要的,维修。很少有研究关注于SCCBs的修理和维护,代表总数的6%。在这一领域的研究工作着重于评估桥梁的条件和定义进行维修。缺乏知识的预防性维护,这种类型的结构。目前的技术评估这些行动和决策方法的影响关于维护、修复、拆除。这些方法是LCA和指标。

LCA与指标研究,代表了8%和2%,分别是密切相关的研究综述。这些方法用于选择最好的选择,比较混凝土、钢材、复合、和木材桥梁。这些方法总是给SCCBs与混凝土相比是一个不错的选择。由于这个原因,重要的是不仅要应用这些方法对桥梁的类型选择也使用这些方法来评估桥梁建设的需要,维护,维修,或拆除根据不同的标准。

识别研究领域之间的关系,可持续设计阶段,和桥梁的横截面的结构类型,进行了统计分析。该方法用于研究变量之间的关系是简单的对应分析(150年]。使用这种方法,每一个出版物必须分类根据研究领域,设计阶段,结构类型被认为是在每一个研究。分类完成后,每个变量的组合的频率必须获得。该方法使用卡方距离给结果每个类别的每个变量之间的关系。IBM SPSS统计窗口,版本25.0 (10),软件被用来进行统计分析。清晰的结果,变量已经成对比较,得到结果如图5和6。

在图5,简单的对应分析结果的显示研究领域和可持续设计阶段变量。图形显示一个明确的关系设计和行为与规划和设计之间的阶段,建设和优化。这些结果是合乎逻辑的,因为规划和设计获得第一阶段是与设计,必须是在后期改进。到达第一个设计,有必要考虑SCCB的结构行为。获得最终设计建这座桥,桥的施工过程必须考虑和优化过程。这些概念与图形,但可以看出,在本文研究认为,建筑设计更侧重于优化施工过程。这个结果显示了一个缺乏考虑施工过程的优化。此外,它可以看到LCA和指标很有关吗拆除和回收设计阶段。这是因为这些研究大部分集中在决策之间SCCBs维修或拆除。这是一个重要的话题,应该在后续开发的研究由于缺乏SCCBs这些主题相关的研究。

图6显示之间的关系研究领域和横截面的结构类型。

文章考虑的箱形梁部分研究28。否则,板梁和双梁部分被认为是在23日和64年的文章摘要。有一个箱形梁截面和之间的关系优化场,而双主梁截面的更相关LCA。之间的距离箱形梁部分与其他研究领域显示了需要开展研究与建设过程中,维护和维修,考虑和研究的设计和行为指标和LCA。分析结果之间的知识领域和横截面的结构类型,一般来说,不清楚他们之间的关系。这是一个缺乏研究的迹象在大多数领域,这是一个机会,研究人员在更大的深度开发这些主题。

统计分析完成综述显示之间的关系领域的知识与每一设计阶段。根据获得的结果,它可以是国家建设应考虑优化作为一个决定性因素。LCA和指标方法相关维修和拆除阶段由于决策和评价方法的需要,以缓解基础设施管理的利益相关者的决策。研究并没有一个清晰的关系研究领域和SCCBs截面类型。应该做一个更大的研究来完成知识的缺乏中确定这项工作。

5。结论

本文集中在核心筒组合桥梁的设计方法。四个设计阶段被认为是,研究领域相关的阶段了。这些研究领域设计和行为(66%),优化(13%)、施工过程(5%)、保养和维修(6%)、生命周期评估(8%)和多目标决策(2%)。提高文献综述,进行了统计分析,寻找关系的研究领域,设计阶段,桥梁截面类型。

大多数的研究集中在初步设计和结构的行为。桥梁设计的研究一直集中在桥梁的横向部分的定义和钢筋和混凝土之间的连接部分的结构。它是观察到的行为缺乏研究SCCBs到达意外操作。此外,这一趋势的新计算方法与增加灵敏度和可靠性分析。优化的研究都集中在成本优化。缺乏知识在应用多目标优化方法和优化考虑其他条件,如环境或社会。这远不是寻找可持续的解决方案的当前趋势考虑可持续发展的支柱。研究集中在维修和保养条件评估的桥梁和定义进行维修。缺乏知识的预防性维护这些类型的结构和LCA为维护管理和指标的方法。这些方法仅适用于比较类型的桥。 It is observed that the results of these methods give SCCBs as a good alternative from an environmental point of view.

SCCB文献综述进行显示空白与桥梁设计相关的领域。这项工作可以是一个有用的工具为研究者重点分析这些差距。通过这种方式,研究与设计核心筒组合桥梁能够专注于那些尚未处理的主题深度。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项研究是由西班牙经济和竞争力,与菲德尔资金(DIMALIFE项目bia2017 - 85098 r)。

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