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实践累积真知 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2016-1-20 10:12:23 |显示全部楼层 |          |
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实践累积真知——《美国联邦公路署正交异性钢桥设计施工和养护手册》背景、关键要素和经验教训

文/Myint Lwin

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       《美国联邦公路署正交异性钢桥设计、施工和养护手册》(以下简称“本手册”、“手册”)的编制,是用于补充并更新Roman Wolchuk先生编著、美国钢构协会1963年出版的《正交异性钢桥设计》。该手册涵盖桥梁分析、设计、详细设计、制造、试验、检验、评估和维修等各方面。此外,还包括材料、防腐、配比、连接几何学、焊接和架设流程等设计细节。手册中也采用各种案例研究和设计示例,来解释说明正交异性桥梁的各种设计和施工应用。该手册构成了AASHTO LRFD(美国国家公路与运输协会公路桥梁设计规范)有关正交异性桥梁最新设计规范的依据,最新的LRFD规范还体现了众多专家和工程专业人士的巨大贡献和审查意见。


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手册结构和内容

       该手册旨在收集并传播基于全球实践的现代正交异性钢桥面技术。重点强调正交异性钢桥的设计、详细设计和制造等一般受疲劳和断裂极限状态控制。为使这些结构发挥作用,需要在精确应力范围基础上得到的先进疲劳评估技术,而利用有限元分析(FEA)和/或原型试验,就能实现这一目的。最近几十年来,疲劳试验数据库大幅增长,为适当评估和详述抗疲劳强度提供了必要数据。该手册内容分为11章,覆盖正交异性钢桥工程有关的各项问题,包括桥梁分析、设计、详细设计、制造、试验、检验、评估、养护和维修等。

       第1章向读者介绍了各种正交异性钢桥面系统。用各种图表清晰展示了系统中所用的常用术语。讨论了正交异性钢桥面系统的各种优点,强调注意易疲劳细部和位置处的抗疲劳强度设计。本章还强调了磨损表面对正交异性钢桥面性能的重要意义。

       第2章着重介绍了几个来自美洲、欧洲、中东和亚洲的知名成功项目。探讨了从过去的项目中获得的经验教训,以便持续改进后续设计。还讨论了针对几个知名正交异性钢桥的案例研究,旨在学习了解这些桥梁中所采用的各种特性。案例研究示例中包括板桥梁、箱桥梁、悬跨桥梁、桥面板翻修和活动桥。

       第3章详细介绍了最近全球项目中所用的几何学设计,描述了形成最具性价比的耐用正交异性钢桥横切面的基本标准。讨论了肋板和桥面横梁(FB)比例、间距和跨度等面板几何学的详细布置标准。本章指出了开口肋板和闭口肋板系统桥梁和面板段布局中必须考虑的施工性、可用性和可检验性等重要因素。还讨论了建造模块化或标准化工段,以便加速桥梁施工的理念。

       第4章描述了正交异性钢桥工程分析所需的相关信息,包括基本特性和精练技术应用。本章主要着重于疲劳特性主题以及采用有限元分析(FEA)方法进行的疲劳应力评估。充分讨论了提高肋板-桥面横梁和肋板-桥面板连接处抗疲劳强度的国际研究和实践。本章还给出了推荐实践做法。

       第5章概括了利用荷载抗力系数设计法(LRFD)进行使用极限状态评估的正交异性钢桥上部结构整体设计的各种要求。结合AASHTO LRFD桥梁设计规范,讨论了包括荷载和荷载因素的各种设计规范。根据设计数据的可利用性,介绍了三大设计等级。一级设计因原有实验室试验数据或以前项目设计和详细设计的可利用性限制,只能基于少数或没有结构分析。二级设计基于一定的面板细节分析。三级设计则基于项目的精确三维分析,将应力精确至项目预期可达到的最精准程度。本章还给出了设计荷载和荷载组合。

       第6章着重讲述了材料、防腐、最小比例和连接几何学等方面的详细信息。强调了在详细设计中要加倍小心,避免因制造或焊接造成的应力集中现象的重要意义。同时还介绍了在详细设计决策过程中,与业主、制造者和承包商保持密切沟通对结构性能、经济性和施工性的重要意义。本章指出,防腐工作需着重在四个区域:桥面板顶部、桥面板裸露底部、闭口肋板内部、箱梁内部(适用时)。本章也介绍了面板详细设计比例的推荐极限。

       第7章利用多张车间和现场实践照片,介绍了正交异性钢桥构件的基本制造、焊接和架设程序。着重说明了合理保证最终产品达到可接受质量水平所需的控制。重点介绍了为尽可能减少失误而采取的自动化流程。说明了工程师、制造商和安装工团结合作,以控制焊接数量和复杂程度,同时降低制造和架设成本的重要意义。本章还试图协助编制可用于项目专用规定编撰的规范,也指出了正交异性钢桥面制造过程中质量和变形控制的重要意义,同时给出了各种质量和变形控制建议。

       第8章介绍了养护和评估正交异性钢桥的推荐方法,包括检验、LRFR荷载定级、恢复策略和疲劳改造。讨论了桥梁检验员参考手册(出版号:FHWA NHI 03001)和AASHTO桥梁评估手册中规定的正交异性钢桥面检验和评估指南。本章还给出了施工期间,为避免磨损面断裂而进行质量控制的推荐做法。

       第9章介绍了磨损面有关的所有问题。指出磨损面的主要用途,如防滑行驶表面,桥面板防腐,增加桥面板抗疲劳强度等。本章还确定了磨损面系统的理想特性。给出了为验证磨损面系统是否具有各理想特性而需进行的推荐试验。

      第10章介绍了正交异性钢桥面的试验。正交异性钢桥面的设计较为复杂且无前例时,需要进行零部件或原型面板实验室试验,作为设计整体的一部分,以验证设计标准或假设,便于在两个和多个备选方案中选择最佳方案。本

章还介绍了连接的疲劳试验、磨损面的性能试验以及全尺寸原型试验。指出在大量生产正交异性钢桥面构件前,最好进行全尺寸原型试验,以便对设计进行验证。

       充分利用全尺寸原型试验,对纽约市内的威廉斯堡悬索桥进行改造翻修。威廉斯堡大桥于1903年开放通行,桥面板于20世纪90年代更换为正交异性钢桥面,作为改造翻修项目的一部分。设计师们在对全球正交异性钢桥面系统的性能进行综合审查后,完成了这座正交异性钢桥面的设计。但是,对于模板和闭口肋板之间的关键焊接连接的疲劳性能,仍然存在疑虑。最终有两种详细设计,即方案A和方案B纳入选择。此时并无研究或实际现场经验,对这两种方案的疲劳强度进行定量比较。纽约市、纽约州和FHWA同意对这两种方案进行全尺寸静态和疲劳试验,以便获得相关数据,进行最终选择。试验显示,方案B在疲劳强度方面比方案A表现更好。

       第11章介绍了各种设计示例,一座多梁连续桥和一座索拉桥,根据本手册要求采用精确分析方法演示正交异性钢桥的工程设计。


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AASHTO LRFD

       AASHTO LRFD桥梁设计规范拟用于桥梁设计、评估和改造翻修,FHWA规定强制适用于所有联邦投资项目。AASHTO是一所代表50州、哥伦比亚特区和波多黎各高速公路与交通主管部门的非营利性无党派组织。它主要分为五大分支:航空、高速公路、公共交通、铁路和水路。主要目的旨在加强对美国综合国家运输系统的发展、运营和养护。AASHTO桥梁和结构小组委员会负责AASHTO LRFD的编制和养护。

       更新后的正交异性钢桥面规范见AASHTO LRFD第7版(2014)第9.8.3条正交异性钢桥面。详细论述了荷载、荷载因数、极端状态(尤其包括疲劳状态)、抗疲劳强度和分析要求等有关标准。依据更新后规定进行的设计表现出色,能够满足AASHTO LRFD规定的所有设计使用寿命要求。

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性能经验

       自1936年德国首次设计建造了第一座正交异性桥梁以来,目前在全世界已经建造了成千上万座同样类型的桥梁。桥梁所有者通过广泛汲取正交异性钢桥面性能方面的经验教训,深入研究改进可使用性和抗疲劳性能,设计、制造和检验质量以及养护等方面,使正交异性钢桥面成为众多桥梁工程师的理想选择。正交异性钢桥面以其重量轻和结构厚度薄著称。正因为于此,以及部分其他原因,正交异性钢桥面广泛应用于世界各地,如下表所示。数据来源于桥梁工程设计手册,第二版,上部结构设计,第16章,Alfred Mangus著。


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       正交异性钢桥面施工的最大优点体现在长跨桥梁中,因为正交异性钢桥面的重量相对较轻,且能结合主要纵向构件,实现复合动作。如果没有使用正交异性钢桥面,许多创造纪录的长跨桥梁都不可能实现,如目前世界上最长的悬索桥——日本明石海峡大桥、美国加利福尼亚州旧金山-奥克兰海湾自锚式悬索桥以及法国的米洛高架桥。

       在活动桥中,较为理想的选择也是正交异性钢桥面,这种桥面能够减少对机械、水力和电气系统的需求量,确保持久性能,同时实现更大程度的活动性。此外,从结构方面看,相比其他桥面系统,这种桥面在高位的表现更佳。正交异性钢桥面已经成功应用于许多不同类型的活动桥梁,如升降桥、竖旋桥活动衍架、连接式坡道、浮桥和平旋桥。

       建成或改造成带正交异性钢桥面的桥梁在各种地震中表现良好。从日本、韩国和美国加州地震后各大正交异性钢桥情况来看,就能观察出这种桥梁具有良好的抗震性能。地震后,这些桥梁仍然继续使用。

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加州正交异性钢桥面的应用

       加州曾经经历过各种大地震,严重毁损了原来的混凝土桥梁和带现浇混凝土桥面的钢桥。为了减轻上部结构重量,改善抗震性能,加州路桥工程师研究、测试,并在加州州内地震高发区域的新建和改造结构中采用了正交异性钢桥面。1967年与旧金山海湾建造的圣马刁正交异性钢桥,就是在抗震性能方面的成功典范。经历过1989年洛马-普雷塔大地震后,这座桥仍然继续使用。这座大桥在地震中的成功表现,促使加州建造或改造了更多的正交异性钢桥。加州旧金山金门大桥,于1937年建造,原本是一座钢筋混凝土大桥,而后在1985年改建成为一座更轻的正交异性钢桥。这样的改造减轻了施加在悬索桥塔和其他桥梁组

件上的地震力。正交异性钢桥面板一般预先制成,用于替代夜间拆除的小型混凝土桥面段。在见证了新建和改造正交异性钢桥的良好抗震性能后,加州发起了一项抗震改造计划,利用正交异性钢桥面升级改造抗震性能较为薄弱的桥梁。

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威廉斯堡大桥


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塔科马海峡大桥中正交异性钢桥面的应用

       位于华盛顿州塔科马市的塔科马海峡悬索桥于2007年7月建成开放通行。桥梁选择了重量更轻,性能更好,能减少地震作用力,同时能够模板化施工,以便加快制造、装运和安装速度的正交异性钢桥面。新塔科马海峡悬索桥的正交异性钢桥面焊接详图(包括肋板切割详图)配置与纽约州纽约市威廉斯堡悬索桥桥面重建所用的详图类似。桥面板厚度为16mm,隔板厚度为8mm,闭口肋板厚度为8mm。

       磨损面由热拌沥青(HMA)构成,添加有特立尼达湖沥青,以便使更加灵活的正交异性钢桥面增强耐用性,并提高抵抗应力所需的稳定性。2014年10月,华盛顿州根据美国国家桥梁检测标准(NBIS)要求开展了一项在役桥梁检测活动。报告显示,这座桥梁(包括正交异性钢桥面)在使用7年之后,仍然处于非常良好的状态。其短期良好性能有望持续相当长一段时间。

       美国联邦公路署正交异性钢桥设计、施工和养护手册由工程专业人士编著而成,其中还倾注了众多国际专家和业内人士的心血。文中罗列了各种推荐实践做法,介绍了各种疑难问题,标明了各种注意事项,还讨论了各种改进办法。遵照该手册规定指南,正交异性钢桥面能够实现良好性能。由于基材和焊材缺陷、连接详图或焊接不当、制造或施工工艺差,以及未曾预料的拥挤交通,桥梁服役期间经常出现疲劳问题。现场经验表明,大部分疲劳断裂都是从肋板、桥面、模板和隔板的焊接连接处开始。只要稍加注意这些焊接细节和质量,就能延长正交异性钢桥面的使用寿命。


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塔科马海峡大桥


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       正交异性钢桥面(OSD)提供了一种模块化的预制设计方案,经证实,在要求速度和延长使用寿命的新建桥梁施工中非常有效,同时在需要减轻重量的现有桥梁改造翻新中也发挥积极作用。正交异性钢桥面还具有其他优点,如养护要求低,适用于设计与制造标准化,施工期间能减少对交通的干扰,提高工作区安全性,同时减低生命周期成本。利哈伊大学的John Fisher博士根据其大量研究和现场经验,在多个场合中指出,正交异性钢桥面是最能保证百年使用寿命的桥梁系统。

       正交异性钢桥面设计能够为以下情形提供最具成本效益的结构解决方案:

       ◆ 长跨桥

       ◆ 活动桥

       ◆ 地震区桥梁

       ◆ 要求加快施工的桥梁

       ◆ 要求延长使用寿命的桥梁

       ◆ 现浇混凝土难以实现的寒冷天气条件下

       ◆ 其他创造性和创新性应用

       为保证正交异性钢桥面的长期性能,需要正确的研究测试、卓越的设计、小心谨慎的详细设计、高品质的制造与施工、不辞辛劳的检查与评估、及时的养护维修。


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      ( 该手册复印件可自以下网站免费获取: http://www.fhwa.dot.gov/bridge/pubs/if12027/if12027.pdf )


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(作者系美国联邦公路署原桥梁技术总监)

(编辑:陈晨)

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