文摘

几何协议,通常被誉为达到路径在桥梁结构、显著的关键桥梁结构的力学性能,如能力、变形、和崩溃的行为。本文提出一种方法依赖替代负载路径探讨崩溃的行为double-pylon斜拉桥与钢桁架梁受到过多的车辆装载。钢桁架梁的斜拉桥是简化使用串并联承载系统。这项研究显示,强制车辆装载可以转移到斜拉桥的替代路径在不同负载构造场景。建立三维有限元模型,利用计算机软件ANSYS探索的崩溃路径与钢桁架梁斜拉桥,考虑和弦失败,损失的电缆与腐蚀钢桁架梁。结果表明,和弦失败主跨导致明显的脆性损伤桁架梁或者是桥突然倒塌。此外,长电缆导致的损失与显著的位移延性破坏。腐蚀钢桁架梁的高度对斜拉桥的崩溃行为轻微影响。提出的方法可以可靠地用来评估和确定斜拉桥的脆弱性与钢桁架梁在服务生命周期,从而防止结构倒塌在这种类型的桥。

1。介绍

桥梁结构崩溃崩溃的整个结构或特征是不成比例的部分在结构上产生的初始局部破坏的个体成员。关键成员在桥梁结构的失败通常发生由于重载。斜拉桥与钢桁架梁被广泛应用于桥梁施工跨越江河、山谷。桁架梁可以提供足够的和谐空间分别为汽车和火车由于双层开车,还有电缆可以提供足够的张力在桥跨桁架梁最大化,如图1。不幸的是,其中的一些桥梁倒塌一般起源于损害由沉重的生活负担。例如,和弦和关节可以被疲劳损坏,如1 - 35在密西西比河在明尼阿波利斯公路大桥,突然倒塌,导致13的死亡和145人受伤,如图2(1]。同样,一个棒的突然失败导致了其他几个棒的断裂,导致银桥的崩溃在俄亥俄和西弗吉尼亚之间的俄亥俄河,导致46人死亡(2]。

桥系统崩溃在极其沉重的负载下的复杂连接组件和鲁棒性较低。现有的评估方法分为三类:确定性方法,概率和可靠性的方法,和基于风险的方法3]。

确定性方法评估结构安全载荷下的位移、结构能力,能量和组件的敏感性。Pandey和巴莱提出了结构响应灵敏度测量冗余连续和离散结构和评估结构损伤(4]。Nafday提出了刚度矩阵之间的最小差异和奇异矩阵和刚度矩阵之间的相关性和列向量作为离散结构的安全指数5]。此外,各种方法来确定关键结构部件和失败路径提出了(5]。亨利号和Harik调查double-steel盒子的冗余曲梁桥梁、考虑跨度的影响,连续性,曲率,梁的损伤位置,外部支持和梁间距对桥失败(6]。研究表明,额外的标准与美国州国家公路运输官员协会(AASHTO)负载和阻力系数设计(LRFD)代码被要求确保double-steel框曲梁的冗余桥系统[6]。砂浆抗崩溃的406是一个研究各种结构系统(7]。常见桥梁的开发系统因素表,包括简单的与多个梁和连续桥梁,逐步计算提供评估桥梁具有复杂结构的冗余(7]。分析了大跨度桥梁的坍塌行为使用实验和数值模拟[8- - - - - -12]。在文献[8),悬索桥和斜拉桥的崩溃行为由于突然电缆损失了。动态放大因子(DAF)所需的2.0是满足安全要求的电缆设计;斜拉桥没有生存的突然丧失超过两个电缆(8]。横截面上的弯矩实施桥梁主梁的计算来确定失败的重要性在极限状态在斜拉桥停留的位置。无阻尼和阻尼运动的平均DAF)值分别为3.35和2.52,分别对正弯矩(9]。平均来说,塔横截面上的轴向应力值和斜拉桥的保持是小于2.0和1.68为无阻尼运动和1.47 2%的临界阻尼,分别为(10]。模型描述大位移效应和内部损伤和时间损失函数建立了描述本构关系(11]。结果表明,电缆的突然失败导致DAF垂直位移值的2.5 - -3.5,5.5 - -8.5弯矩,-2.8和1.3中跨的扭旋转(11]。电缆系统的混合斜拉桥/暂停(高碳钢)桥可以重新分配产生的附加应力桥组件的内部损伤(12]。以反映结构损伤前后斜拉桥的安全定量,提出了一种基于塑性极限分析的技术,考虑极限承载力的变化(13]。分类的双钢桶梁桥梁作为冗余和nonfracture关键,关键参数对冗余的影响调查,从而缓解担忧这桥式的选择降低制造和生命周期检验成本(14]。极端载荷和危害以及维护的成本是基于文献,考虑桥梁的专注于崩溃的影响(15]。

四个可靠性指标是限制四个州的一座桥在沉重的静态负载的情况下,即成员失败,极限状态,功能极限状态和破坏极限状态(3]。成员出故障的可靠性指标的差异在后者的三种极限状态结构冗余,作为证明标准TS-20卡车负载(3]。因此,开发了基于可靠性的几种方法来评估结构冗余和失效概率由于能力不足和超载16- - - - - -20.]。在[16,17),几何桁架桥系统的配置和安全使用系统的可靠性进行了分析,考虑到不确定性的关键成员和未来的负荷。结果表明,系统安全,影响公共安全与国防,取决于数量的大梁,梁间距,横隔膜的存在(17]。目标可靠度指数计算了考虑结构的预期寿命,个别成员的重要性,设计经验和材料成本18]。这个指数是用来确定成员的力量和适用性,防止疲劳损伤(18]。冗余的概念被应用到许多类型的基础设施。目标可靠性指标提供了一个良好的基础设施网络安全性和成本之间的平衡(19,20.]。值得注意的是,结构倒塌的后果可以采取多种形式的结构性破坏和人类伤害功能停机时间和环境的影响,包括结构性破坏的概率和造成的经济和社会效应21- - - - - -26]。结果表明,结构应分类的经济崩溃,社会和环境后果以及人类损失(21]。

取得了许多重要成果的研究聚焦于冗余和结构的崩溃。然而,有必要扩展当前的方法对大跨度桥梁。的简化确定方法评估悬索桥的崩溃行为已经扩展到复杂的桥系统,拱桥和斜拉桥等。在这项研究中,变形和有线电视的力量与钢桁架梁double-pylon斜拉桥是使用一个串并联承载系统调查的转移吸收负载在不同的场景中可选路径。桥的倒塌行为分析使用增加交通负荷来确定最优结构体系。结果表明,串并联结构的承载系统成员影响斜拉桥体系的力学行为。

2。斜拉桥的选择和描述

斜拉桥的总长度为700米,两塔之间的360米和170米塔的两侧,如图3。主光束由2桁架梁的高度6米和26米的间距。和弦有框部分,垂直和斜条h型的部分;104钢丝电缆固定在桁架梁和塔。每个塔由3部分组成,长度为133.5米,38 m, 38米44米。表中列出的材料属性1。

3所示。数值模型

桥的替代路径加载失败中个别成员调查研究斜拉桥的崩溃的行为。建立了数值模型来模拟桥梁在车辆负载下的性能在不同的情况下,使用动态加载一个实验验证。

3.1。分析细节

没有选择加载路径,一座桥可以完全或部分负荷下崩溃。如果一个斜拉桥钢桁架梁和电缆组成的完全崩溃时梁失败,梁缺乏替代负载路径,如图4(一)。相比之下,这座桥不崩溃当一个电缆失败如果相邻电缆作为替代负载路径和贝尔的吸收负载电缆失败,如图4 (b)。结构分析的加载路径,斜拉桥可以简化为一个概念模型,包括串联和并联系统,如图5。梁段,缺乏替代负载路径,包括系列系统,而与许多替代负载电缆路径并行系统形式。

串并联系统的概念崩溃模型描述的配置选择加载路径的斜拉桥。这些负载路径明显影响崩溃的行为。和弦的桁架梁的损失和失败的电缆对应串联和并联系统,分别。桁架梁段的两个桁架见图5。每个桁架部分上下和弦和酒吧提供有限替代负载路径,表明上下和弦的失败将会显著降低桁架部分的能力。如果和弦失败,桁架梁的极限替代负载路径代表了系列系统。因此,如果一个小变形发生在崩溃之前,斜拉桥是容易全球崩溃,指示不足数量的替代负载吸收了和弦的加载路径。相比之下,电缆代表并行系统,提供足够数量的替代负载路径,由部队的变化反映在相邻电缆损坏的电缆损耗模型场景。改变电缆部队和大变形之前全面崩溃表明加载失败的电缆是吸收其他电缆。

串联和并联系统模型是用来评估的崩溃行为桥。一个三维有限元模型建立(3 d FEM)模拟桥梁在不同负载场景和使用现场加载试验验证。桥的力学行为(力和变形)切除后的个体成员和桁架梁的腐蚀调查。此外,损坏的桥的和弦和电缆后彻底调查分析能力和崩溃的行为。串并联结构系统的力学行为是评估来确定替代负载路径。分析的流程图如图6。

3.2。数值离散化

建立了三维有限元ANSYS软件的研究结构崩溃的行为。塔和桁架梁离散使用BEAM189元素,和电缆建模LINK180元素。MPC184刚性链接/梁元素用于连接电缆和塔。BEAM189有三个节点在每个节点有六个自由度,即。,三个译本的节点x- - - - - -,y- - - - - -,z方向和三个旋转x- - - - - -,y- - - - - -,z相互重合(27]。得票率最高的梁单元是基于梁理论,其中包括剪切变形的影响;因此,适用于分析三维细长中等粗短/厚梁结构。链接180有两个节点,每个节点三个自由度,即。在节点,翻译x- - - - - -,y- - - - - -,z方向(28]。此元素不弯曲或旋转,使它适合3 d建模电缆,链接和弹簧。MPC184刚性链接/梁有两个节点在每个节点有六个自由度,即。,三个译本的节点x- - - - - -,y- - - - - -,z方向和三个旋转x- - - - - -,y- - - - - -,z相互重合。

这个元素模型刚性约束或刚性组件。材料刚度属性不需要;因此,它可以用来模拟一个刚性约束两个变形的身体或刚性组件之间传送部队和时刻。为了简化塔上的支持,节点的翻译水平拉杆的塔和附近的桁架梁的节点耦合的节点x——z的方向。桥的目的是限制在所有自由度,即。,三个译本的节点x- - - - - -,y- - - - - -,z方向和三个旋转x- - - - - -,y- - - - - -,z相互重合(29日]。支持在桁架梁的两端模拟通过约束自由度,即。在节点,翻译z方向和x方向的津贴±500毫米。

节点到节点交互建模精细离散化结构模型,说明了共同行动的斜拉桥30.]。共同节点桁架梁和梁元素之间的链接元素的电缆,电缆和链接元素之间的刚性连接/梁刚性连接的元素,和塔梁元素之间的刚性连接的刚性链接/梁元素(31日]。三维结构模型、网格和结构分析的约束图所示7。

采用非弹性材料特性的有限元结构分析极重型车辆荷载作用下崩溃。电缆和桁架梁理想弹塑性特性与产量的优势1670 MPa和370 MPa,分别(表2)。所有失败的和弦和酒吧的钢桁架梁受到相当大的压缩是在分析,因为他们可能会导致桥梁坍塌。随着静载荷的增加,数据成员失败和力量的变化记录,直到分析桥坍塌时终止。

3.3。标定的数值模型

选中的桥是受到现场载荷试验校准斜拉桥的三维有限元法(图8)。32应变仪连接到上下和弦确定桁架梁的力学性能,和桥是受到一个标准的卡车负载(图9)。应变仪连接到有线数据采集系统收集数据。

根据斜拉桥的影响线,三个负载情况下为了获得临界弯矩和主要跨越。三轴自卸卡车总轴重量300 kN用于应用加载。卡车的车轴重量60 kN前轴和120 kN的两个后方轴,轴向间距是3.5米在前面,1.35在后面,如图9。数据9和10显示的位置应用卡车负载在横向和纵向视图和偏转点的位置。数据被用来获得垂直桁架梁的变形。

表2显示了三种负载情况下,应变仪位置,测量应变和应变有限元法获得。同样,垂直位移测量中获取的值和有限元法三种负载情况下表中列出3。

测量应变的比值和垂直位移有限元模型结果表2和3范围从0.89到0.99的三个负载情况下,指示之间的测量和模拟结果吻合很好。因此,有限元法准确地模拟与钢桁架主梁斜拉桥的行为受到重型卡车装载。

3.4。分析过程

桁架梁的不稳定和电缆的失败会导致斜拉桥的崩溃受到高垂直加载。钢铁腐蚀可以显著改变材料特性,如弹性模量和屈服强度,有可能导致失败的成员或桥梁倒塌。我们分析了桥的极限容量通过删除个别成员。没有替代的加载路径,斜拉桥崩溃,导致自动终止的分析软件。腐蚀的影响桁架梁的力学行为的桥是评估通过改变电缆部队和桁架梁的变形程度。删除成员和腐蚀部分斜拉桥是描绘在图11。

根据影响线的成员桥,假设和弦A8-A9, A29-A30, A44-A45,和A59-A58′和电缆S9, M8, M13失败了。根据公路工程技术标准(JTG b01 - 2014), Highway-I巷加载结合360 kN,均匀分布的集中力载荷10.5 kN / m。加载类型和位置导致桥梁坍塌如图12和表4。

4所示。结果与讨论

两个负载情况下,删除单个和弦和电缆,和腐蚀的桁架梁部分被认为是进行深入分析斜拉桥崩溃的反应。载荷和位移之间的关系和崩溃模式研究。

4.1。对斜拉桥的破坏

和弦的失败A8-A9、A29-A30 A44-A45,和A59-A58′和电缆S9、M7, M13改变桁架梁的内力和电缆,数据的描述13和14。相比完整的桥,电缆S6的部队,S7、S8, S9,和S10增加0.3%至4.4%,而电缆S1 S5和S11的力量向减少0.3% - -1.7%。和弦的损失A29-A30减少电缆的力量M1和S1固定梁的跨度最大的34.7%和32.1%,分别向塔和比例增加。相比之下,和弦的失败A29-A30或A59-A58′不显著增加电缆力量(最大增加3.5%)。由于桁架梁是一系列轴承系统缺乏替代负载路径,吸收负载不是转移到电缆,导致小电缆力量的变化。

在电缆S9损失情况下,轴向力的增加电缆的跨度范围从1.9%到13.8%,和其他的力量电缆仅略有变化。电缆M8的失败导致增加电缆力从4.7%到13.3%不等。减少电缆S6的轴向力向,M1 M4,和M2 S6′′是有线电视向至少15%损失的情况下,当轴力增加电缆S5 S1, M5 M3′, S7′,向′范围从0.1%到23.2%。由于电缆是一个平行的轴承系统与许多替代负载路径,吸收负载转移到其他电缆,电缆力量的变化中反映出来。

材料属性可以改变成员的腐蚀,导致不同的属性不同的腐蚀速率。假定腐蚀速率等于我酒吧和和弦的10%部分,II, III, IV的桁架梁(图11)。弹性模量和抗拉强度的计算值的材料是146.26绩点和292.3 MPa,分别。这些值导致电缆的力量的变化受到静负荷,如图15。

完整的电缆部队桥相比,电缆S5的部队,S6, S7、S9, S10从2.2%减少到2.6%,增加了3.4%的力量电缆13节我腐蚀情况。同样,在电缆M1增加5.7%在第二部分腐蚀的场景中,而第三部分的腐蚀会导致减少电缆M1 M10和S9的力量向2.0%至3.7%和1.1 3.9%,分别。电缆的力量向M13,向下降了3.7%,2.7%,和3.4%,分别在第四节腐蚀情况。相比之下,腐蚀梁的垂直位移的影响可以忽略不计,的最大值(图14毫米16)。桁架梁,一系列轴承系统,不吸收负载转移到电缆如果主声束腐蚀是由于一个足够数量的可选路径。

4.2。崩溃的行为

和弦的损失A8-A9、A29-A30 A44-A45, A59-A58原因减少剩余的终极能力和延性结构。图17描述了梁的轴向和垂直位移的结构受到交通负荷增加。

A29-A30,和弦损失场景A8-A9 A44-A45, A59-A58,退化结构的垂直位移值远远大于外侧值桥时受到高流量负荷。其余的结构表现出明显的偏转和崩溃当和弦A8-A9, A44-A45, A59-A58丢失。在A59-A58和弦损失场景中,梁的轴向位移增加迅速,而垂直位移很小。退化的桥能承受12倍设计负载,但其偏转,包括垂直和轴向位移,很小。桥梁的倒塌模式对不同加载情况下描绘在图18,最大位移和负荷因素表中列出3。脆弱的崩溃发生损坏的桥不变形。自从桁架梁是一系列轴承系统,是在有限的传输路径的负载桁架梁后单个和弦失败。

电缆S9的丧失、M8和M13导致减少剩余的终极能力和延性结构。图19描述了梁的轴向和垂直位移的结构受到交通负荷增加。临界载荷作用下,其余结构表现出明显的垂直位移崩溃之前,它表明足够的延性退化的桥。轴向和垂直位移值增加到29毫米和580毫米,分别,当桥是受到最关键的电缆S9损失场景中加载。这些最小值的三个电缆损失情况。另一方面,一旦达到4.7毫米的位移、轴向位移值增加到20毫米相反的方向桥坍塌时电缆向损失情况。桥的倒塌模式不同的负载场景如图20.。垂直位移达到1150毫米,最大价值的三个电缆损失情况(表5)。塌桥前的大变形电缆损失情况表明,并行轴承系统为吸收提供了充足的可选路径后的负载电缆损失。

和弦损失不会导致电缆部队在静载下的变化;然而,电缆的电缆故障导致重新分配部队。近和弦失败导致整个桥梁关键载荷作用下的脆性破坏,而电缆损失导致优秀的剩余结构的延性。此外,桁架梁的腐蚀不显著影响电缆力和梁的垂直位移。总的来说,桁架梁,一系列轴承系统,提供有限的替代负载路径桥后受到损失的共鸣。相比之下,电缆,一个平行的轴承系统,提供足够的荷载路径桥梁损坏电缆的损失。

5。结论

一个方法,考虑一个串并联承载系统和替代负载路径,提出调查崩溃的行为与钢桁架梁斜拉桥。这种方法揭示了结构荷载路径和崩溃的行为。承载系统还可以用于评估和确定斜拉桥的损伤,进一步提高结构性能设计。得出如下结论:(1)提出了斜拉桥的串并联承载系统评估和确定替代负载路径受损的桥梁和实现结构极限承载力。(2)作为一个系列轴承系统,单个和弦在桁架梁的损失可以忽略不计对电缆的影响力量;因此,桁架梁能承受大部分的负载不需要选择加载路径。同样,在桁架梁高度腐蚀轻微影响电缆部队和主声束垂直位移。相比之下,作为一个平行的轴承系统、电缆时提供替代路径传输负载力量改变由于电缆损失。(3)单个和弦失败后,脆弱受损的桥梁发生坍塌,最大位移的40毫米沿着纵轴。桁架梁的系列轴承系统可以加载在有限的路径转移到其他成员在桁架梁单个和弦的失败。因此,额外的酒吧应该推荐添加到桁架梁创造更多选择加载路径中跨和桥塔附近。(4)与和弦损失情况下,damagedbridges崩溃后表现出显著的变形在电缆损耗情况下由于其他电缆吸收加载;这种效果很长的电缆失败时更明显。作为并行轴承系统、电缆提供各种可选路径吸收加载如果个别电缆失败。对于钢桁架梁的斜拉桥,承载力在电缆需要两次,死和活荷载小于规范中推荐的2.5倍。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从作者在合理的请求。

信息披露

任何意见、发现、结论或建议本文中表达的是作者的,不一定反映机构的意见。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突对本文的发表或资金。

确认

作者要感谢陕西通信科技项目的支持。20-45K和基础研究基金为中央大学、冠心病。300102210116。