混凝土简支板梁桥车轮荷载分布

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1、混凝土简支板梁桥车轮荷载分布作者：M.Mabsout1;K.Tarhini2;R.Jabakhanji3;andE.Awwad4摘要：本文介绍了轮荷载在单跨、简支、多车道钢筋混凝土板梁桥上分布的参数研究结果。使用有限元法来研究分析跨度、板宽、是否有板肩和荷载情况对典型桥梁的影响。总共分析研究了112个公路桥梁案例。人们认为承载单向交通的桥梁是独立的结构。对一、二、三、四车道桥梁并结合四个典型跨径进行了有限元分析（FEA）。公路桥梁设计车辆HS20在车道纵向最不利位置上加载。考虑两种车辆横向加载位置：（1）中心加载，设计车辆加载位置在每个

2、车道的中心；（2）偏心加载，设计为将车辆放置在板最边缘并且相邻车辆按最小间距放置。对桥梁进行边缘加载的有限元分析结果表明《美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）》的标准规范算法对于跨度小于7.5米(25英尺)的单跨单车道桥梁高估了30%的弯矩，但对于更大跨径桥梁的弯矩与有限元分析结果基本吻合。对于多车道并且跨径小于10.5米（35英尺）的桥梁，《美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）》算出的弯矩结果与有限元分析结果相同。然而，随着跨度的增大《AASHTO》的算法将会低估有限元分析弯矩的15%到30%。结果表明，桥梁两边的桥肩会增

3、加板宽从而增加桥梁的承载力。一种特殊加载情况是在桥梁边缘附近停了一辆故障汽车，并且在各车道上还有与其尽可能靠近的其它车辆。在这种特殊荷载情况下，对于跨度低于7.5米（25英尺）的桥梁，《AASHTO》算法给的纵向弯矩结果类似于有限元分析结果；但对于跨度在9到16.5米(30至55英尺)之间的桥梁，低估了有限元分析结果的20%到40%。新的《AASHTO》中荷载和阻力系数设计（LRFD）桥梁设计规范高估了桥梁正常交通荷载产生的弯矩。然而，LRFD计算方法给出的结果类似于边缘车辆加载情况下的有限元分析结果。此外，有限元分析结果表明，对于跨度

4、介于6到16.5米（20到55英尺）的多车道板桥梁必须考虑边梁。本文对桥梁工程师进行实际的简支、多车道、钢筋混凝土板桥梁设计以及评估现有公路桥梁的承载力将有所帮助。数字对象标识：10.1061/（ASCE）1084-0702（2004）9:2（147）土木工程（CE）数据库关键词：载荷分布；桥梁、公路；混凝土板；有限元法；车辆。简介根据美国联邦公路管理局的2001年全国桥梁库存数据，《更好公路》杂志（2001年11月）发表了全国590984座桥梁中约27%存在结构性缺陷或功能过时的报道。其中163000座单跨混凝土桥中约有23%存在结构

5、性缺陷或功能过时。绝大多数是小跨桥梁，平均跨度不到15米（50英尺）。大量有缺陷的桥梁意味着许多桥梁将被限载、进行修复或拆除新建。钢筋混凝土板梁桥将是小跨桥梁的经济可选桥型之一。现浇混凝土桥梁的主要优势是在施工期间能够提供一个平滑的可调整道路标高的平面。通常情况下，在美国公路桥梁的设计必须符合《AASHTO》对公路桥梁的标准规范（1996），或者符合《AASHTO》关于荷载和阻力系数设计（LRFD）的设计规范（《AASHTO》1998）。由于活载情况的不同，每种计算方法将给出不同的结果。12任何公路桥梁的分析和设计必须考虑车辆荷载和车道

6、荷载。然而，《AASHTO》标准规范对于小跨结构的车辆荷载有管理规定。《AASHTO》指定了公路荷载分布宽度或按照一个经验公式，以将双向弯曲问题简化为梁（单向）弯曲的问题。因此，钢筋混凝土板桥梁通常设计成一系列的长条梁。这种方法不考虑其他承载机制，几何形状的影响，和边界条件。弗雷德里克（1997）提出了一个基于实验和有限元分析研究混凝土板桥的载荷分布的结果。考虑一种典型的跨径8.5米(28英尺)，三车道（10.4米宽）简支板桥。设计计算活载弯矩按照《AASHTO》标准规范的规定。有限元分析是使用矩形板弯曲单元（0.85×0.6米）执行计

7、算。在实验室里进行了1：15的实体的模型构建和测试。设计车辆一次性布置在这三个车道的中心。有限元分析结果试验数据相吻合，低于《AASHTO》经验公式的结果。多车道加载的结果表明，板的受力基本上与宽梁纵向弯矩在整个宽度上的小变化相同。同时也表明，没有必要在规范中制定边梁的相关规定。Shekaretal在1993年进行了大量的实验和调查分析来评估现有的钢筋混凝土板梁桥的承载力。调查的实验阶段对六座板梁桥进行了实地测试。工程师将试验结果用来改进3d有限元分析模型。测试数据和有限元分析结果相比较能很好的验证混凝土板桥梁能够承担公路荷载。基于78

8、0个不变的单元生成的每一个桥的板壳单元的大小大约是0.53×0.53m（1.75×1.75英尺）。同时也获得了2维和3维分析最大的弯矩的显著差异的原因是如边界等非结构化因素的参与。因此，在分析板梁桥时推荐进