2005年--外文翻譯--計(jì)算活載剪力的橫向分布系數(shù)的簡(jiǎn)便方法（譯文）

1、<p><b>　　中文5200字</b></p><p>　　出處：Huo X S, Wasserman E P, Iqbal R A. Simplified Method for Calculating Lateral Distribution Factors for Live Load Shear[J]. Journal of Bridge Engineering, 2005

2、, 10(5):544-554.</p><p><b>　　英文翻譯</b></p><p><b>　　題目： </b></p><p>　　課 題 類 別： 設(shè)計(jì) ? 論文　□ </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　

3、學(xué) 號(hào)： </p><p>　　班 級(jí)： 橋梁 </p><p>　　專業(yè)（全稱）：土木工程專業(yè)（橋梁工程方向）</p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p><b>　　201 年 3月</b></p><p>　　計(jì)算活

4、載剪力的橫向分布系數(shù)的簡(jiǎn)便方法</p><p>　　X. Sharon Huo; Edward P. Wasserman; and Rizwan A. Iqbal</p><p><b>　　1 摘要</b></p><p>　　該項(xiàng)研究中呈現(xiàn)的簡(jiǎn)化的等效分布系數(shù)法來源于Henry的方法，這種方法在Tennessee已經(jīng)使用了將近40年。He

5、nry法適用于所有橋墩的活荷載影響的等效分布。通過由Henry法獲得的剪力分布系數(shù)與由有限元分析法和使用實(shí)際橋梁其他規(guī)范規(guī)定方法獲得的系數(shù)比較，這項(xiàng)研究集中于henry法的仔細(xì)檢測(cè)和改進(jìn)。24座有6種不同上部結(jié)構(gòu)的田納西橋梁用于這項(xiàng)研究。結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剪力分布系數(shù)的影響也被研究。對(duì)henry法的改進(jìn)系數(shù)的建議基于這個(gè)對(duì)比研究。這個(gè)推薦的改進(jìn)系數(shù)包括使用于不同形式的上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式系數(shù)和用來解釋斜橋傾斜角度的斜交系數(shù)。只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，簡(jiǎn)

6、化的等效分布系數(shù)法可為活荷載剪力提供合理可依賴的分布系數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：橋梁 斜交 梁 活荷載 剪力分布 有限元法 荷載分布</p><p><b>　　2 介紹 </b></p><p>　　活荷載對(duì)橋梁的主要縱向結(jié)構(gòu)的影響是橋面板表面的車輛輪軸荷載的量級(jí)和位置以及橋梁對(duì)活荷載的反應(yīng)的函數(shù)。輪軸荷載分布系數(shù)的概念使得設(shè)計(jì)人員可

7、以把縱向和橫向的輪軸荷載作為非耦合的現(xiàn)象來推測(cè)橋梁的反應(yīng)。使用剪力分布系數(shù)，橋梁工程師可以用由在汽車荷載下的單梁分析獲得的最大剪力乘以剪力分布系數(shù)來便利的決定一個(gè)單獨(dú)橋梁?jiǎn)卧淖畲蠹袅?。目前?duì)應(yīng)于活載力矩和剪力的橫向分布系數(shù)在高速公路橋梁設(shè)計(jì)中普遍用美國(guó)州立聯(lián)盟交通官方標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則或是荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)細(xì)則或是州立方法來決定。</p><p>　　在AASHTO標(biāo)準(zhǔn)方法中，橫向分布系數(shù)公式通常表示為DF=s/D，這里

8、s=梁中心到梁中心的距離而D=基于上部結(jié)構(gòu)和橋梁幾何形狀的種類來確定的常數(shù)。</p><p>　　這些公式對(duì)于非斜彎橋和簡(jiǎn)單支撐的橋梁來說已經(jīng)完善。AASHTO的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則的主要缺陷就是在過去的55年里橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變已經(jīng)導(dǎo)致荷載分布標(biāo)準(zhǔn)的不一致性?；趯?duì)這些公式的檢查發(fā)現(xiàn)這些公式可以為典型幾何結(jié)構(gòu)（梁寬1..83m跨長(zhǎng)18.29m）橋提供合理結(jié)果。這些公式在某些情況下可以得出高度不保守的剪力分布系數(shù)（多于40%

9、）在令一些情況下又得出高度保守的結(jié)果（多于50%）。這些不保守的分布系數(shù)可能導(dǎo)致不安全的橋梁設(shè)計(jì)（Zokaie和Imbsen 1993）。</p><p>　　令一個(gè)計(jì)算車輪荷載分布系數(shù)的規(guī)范規(guī)定的方法是AASHTO LRFD規(guī)范規(guī)定的（AASHRO1998）。AASHTO LRFD規(guī)范中的活荷載分布系數(shù)的等式呈現(xiàn)了一個(gè)與AASHTO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不同的主要改變。這個(gè)等式更加精確但是也比標(biāo)準(zhǔn)方式更加復(fù)雜。LRFD等式被

10、設(shè)計(jì)團(tuán)體接受是個(gè)緩慢的過程而且關(guān)于這個(gè)等式的要點(diǎn)的討論連續(xù)不斷。橋梁工程師主要關(guān)注LRFD分布系數(shù)等式的復(fù)雜性和多樣性。LRFD過程中包括不同的彎矩和剪力公式不同的內(nèi)梁和外梁公式以及考慮橫隔板的樁模擬法的應(yīng)用還有不同的彎矩和剪力斜交系數(shù)，再加上強(qiáng)加在等式上的結(jié)構(gòu)參數(shù)的適用性的極限范圍。當(dāng)橋梁的參數(shù)超過等式的適用性范圍，AASHTO LRFD規(guī)范強(qiáng)制規(guī)定應(yīng)用諸如梁格分析法和有限元分析法之類的優(yōu)化分析來處理梁的分布系數(shù)。在這些情形下，工程師

11、不得不一步步按情況設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)委員會(huì)希望獲得更簡(jiǎn)單的活荷載分布系數(shù)等式。</p><p>　　Henty式等效分布系數(shù)法是一種計(jì)算活荷載彎矩和剪力分布系數(shù)的簡(jiǎn)化方法。這種方法由Henry Derthick完善，他是結(jié)構(gòu)部門（田納西的運(yùn)輸部門）的前工程師，這種方法自從1963年就在田納西應(yīng)用。Henry式方法倡導(dǎo)考慮包括邊梁和外梁的所有梁的活荷載影響的等效分布。這種方式很容易適用于不同形式的橋梁上部結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵?/p>

12、分布系數(shù)計(jì)算中它僅僅需要知道橋梁的寬度，車道數(shù)，還有梁的個(gè)數(shù)。而且這種方式對(duì)橋梁的重要參數(shù)的范圍沒有限制。Henry法的計(jì)算如下：</p><p>　　步驟1預(yù)應(yīng)力鋼筋i型梁，預(yù)應(yīng)力鋼筋箱梁，預(yù)制箱梁：</p><p>　　把道路寬度除以3050mm來決定車道的分?jǐn)?shù)參數(shù)。</p><p>　　通過乘以由多元化現(xiàn)存系數(shù)線性內(nèi)插獲得的系數(shù)在1a中減小其值來確定考慮了承擔(dān)

13、活荷載車道總數(shù)。兩車道的多元現(xiàn)存系數(shù)是1，三車道的是90%，四車道或是更多的是75%。</p><p>　　用車道數(shù)除以梁數(shù)來決定每個(gè)梁的活荷載車道數(shù)或是每個(gè)梁的車道荷載的分布系數(shù)。</p><p>　　步驟2.鋼筋和預(yù)壓I型梁:繼續(xù)步驟1a-1c，并且用6/5.5或是1.09乘以由1c獲得的數(shù)值來確定單梁車道荷載的分布系數(shù)。</p><p>　　由步驟1獲得的數(shù)值

14、是基于EDF概念的梁的基本分布系數(shù)。在步驟1a中，橋梁是按所有可能的車道數(shù)滿載布置來考慮的。然后，活荷載的多元現(xiàn)存系數(shù)在步驟1b中被應(yīng)用。最后，活荷載的影響的等效分布系數(shù)確定。在步驟2中的乘數(shù)1.09是用來增大鋼筋和預(yù)壓I型梁的分布系數(shù)的，這僅僅因?yàn)檫@種形式梁的活荷載分布系數(shù)預(yù)期要比步驟1中獲得的數(shù)值高。在TDOT設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中明確規(guī)定設(shè)計(jì)者應(yīng)該使用來自AASHTO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范3..23章節(jié)或是來自主梁設(shè)計(jì)（TDOT 1996）中henry法中

15、橫向分布系數(shù)的較小值。于是，大量的田納西橋梁用henry法設(shè)計(jì)，因?yàn)樗a(chǎn)生較小的分布系數(shù)。</p><p>　　基于典型橋梁性能的基礎(chǔ)力學(xué)，當(dāng)?shù)湫蜆蛄旱臋M截面中的一個(gè)單梁超出了彈性極限，附加的荷載會(huì)非線性的重新分布在斷面上毗鄰的梁上。于是，橫截面上所有的梁都達(dá)到極限狀態(tài)來抵抗活荷載。主梁的分布系數(shù)的確定基于兩車道或是三車道主梁的最大作用。橋梁形式，幾何特性，二期橫載和加載條件使主梁分布系數(shù)的確定過程更加復(fù)雜。等效

16、分布系數(shù)過程簡(jiǎn)化了這一程序，這一過程是通過讓所有的梁在橋梁在所有設(shè)計(jì)車道都滿載時(shí)有一個(gè)等效的荷載分布。因?yàn)榈湫蜆蛄河信c其寬度相比相對(duì)較長(zhǎng)的跨度，全橋抵抗在每個(gè)梁上等效分布的極限荷載的概念是適用的而且易于實(shí)施。加拿大高速橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則遵循作為基線和橋梁形式結(jié)構(gòu)，幾何特性和為了鞏固準(zhǔn)確性的極限狀態(tài)的適用修正系數(shù)的等效分布概念。正交異性板理論是對(duì)等效分布改進(jìn)的基礎(chǔ)。正交板理論已被改進(jìn)的更加匹配擴(kuò)大參數(shù)研究的結(jié)果。</p><

17、p>　　許多研究人員已經(jīng)致力于發(fā)展新易得活荷載彎矩和剪力分布等式（Sanders 1984，Bakht和Jaeger1992，Ebeido和Kennedy1996）。大部分推薦方式使用于一個(gè)或是兩個(gè)特殊形式的橋梁。一些方法推薦對(duì)AASHTO標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行適中的修改。當(dāng)前，國(guó)家合作高速公路研究項(xiàng)目12-62（簡(jiǎn)化的活荷載分布系數(shù)等式）在進(jìn)程中，目標(biāo)是為了發(fā)展適用于設(shè)計(jì)的精確的更加簡(jiǎn)便的活荷載分布公式。</p><p

18、>　　圖1 所研究的橋梁上部結(jié)構(gòu)的種類：(a)預(yù)制混凝土擴(kuò)展箱梁（b）預(yù)制混凝土I型（c）現(xiàn)澆混凝土T梁（d）現(xiàn)澆混凝土多室箱梁（e）鋼管I型梁（f）鋼筋開口箱梁</p><p>　　表1. 不同上部結(jié)構(gòu)橋梁的數(shù)量</p><p>　　有限元分析法作為發(fā)展活荷載分布系數(shù)AASHTOLFD公式的重要工具來使用。許多研究人員已經(jīng)用有限元分析法指導(dǎo)分布系數(shù)的研究（Zokaie 2000，E

19、beido和Kennedy1996，Mabsout等）。Mabsout等報(bào)告了一個(gè)關(guān)于鋼管梁橋的四限元模擬技術(shù)的彎矩分布系數(shù)的比較研究。第一個(gè)和第二個(gè)模型把混凝土板理想化為四邊形的殼單元，把鋼管梁理想化為空間框架構(gòu)件。在第一個(gè)模型中，每個(gè)梁的質(zhì)心與混凝土板的質(zhì)心一致，而在第二個(gè)模型中，梁同殼單元通過剛性連接偏心地連接在一起。第三個(gè)模型把混凝土板和鋼管梁腹板理想化為四邊型殼單元，把梁的翼緣理想化為空間框架構(gòu)件。第四個(gè)模型把混凝土板用同位的

20、八節(jié)點(diǎn)塊狀體理想化，把梁的腹板和翼緣用四邊形殼單元理想化。從他們的研究中得出結(jié)論：當(dāng)使用第一種模型時(shí)，可以獲得典型鋼管橋的充分精確的數(shù)據(jù)。四限元模擬技術(shù)得出相似的分布系數(shù)。</p><p>　　表2. 資料庫(kù)一中所選24所橋的信息</p><p><b>　　3 目標(biāo)和途徑</b></p><p>　　這項(xiàng)研究的目的是通過對(duì)比研究來檢測(cè)Henr

21、y法的精確性，如果需要的話并對(duì)henry法進(jìn)行修訂。這個(gè)修訂的henry法將是活荷載剪力分布的設(shè)想的簡(jiǎn)化方法。有6種不同上部結(jié)構(gòu)的24座田納西橋梁（標(biāo)為數(shù)據(jù)庫(kù)1橋）選來進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。這些橋梁的剪力分布系數(shù)用henry法，有限元分析法，AASHTO標(biāo)準(zhǔn)和AASHTOLRFD法計(jì)算。由henry法所得結(jié)果與有限元分析法所得結(jié)果以及其他AASHTO等式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。在比較中，重要參數(shù)對(duì)剪力分布系數(shù)的影響被研究?；诒容^和評(píng)估的結(jié)果，修正系數(shù)建

22、議用到henry法里。修訂的Henry法適用于資料庫(kù)2（一個(gè)更大的在NCHRP項(xiàng)目12-26中被分析的實(shí)際橋梁的數(shù)據(jù)庫(kù)）中的橋梁，用來進(jìn)一步的檢查它的的精確性和適用性。人們期待，合適的修訂后，修訂henry法或者簡(jiǎn)化的EDF法可以有效地用于不同形式的橋梁，從而以合理的精度確定剪力的活荷載分布系數(shù)。彎矩分布的簡(jiǎn)化EDF法已經(jīng)被研究而且出版在橋梁工程ASCE雜志上。</p><p>　　表2. 資料庫(kù)一中所選24所橋

23、的信息</p><p>　　表3 活荷載剪力分布系數(shù)匯總，數(shù)據(jù)庫(kù)1</p><p><b>　　4.所選橋梁的說明</b></p><p>　　如上所述，有六種不同種類的上部結(jié)構(gòu)被研究，在這項(xiàng)研究中有兩個(gè)橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)被應(yīng)用。圖1展現(xiàn)了被研究的集中橋梁上部結(jié)構(gòu)。這六種上部結(jié)構(gòu)包括：（1）預(yù)制混凝土箱梁（2）預(yù)制混凝土I型梁和小箱梁橋（3）現(xiàn)澆混凝土

24、T梁（4）現(xiàn)澆混凝土小箱梁（5）鋼管I型梁（6）鋼管開口箱梁。表1列出了資料庫(kù)1和2中每種上部結(jié)構(gòu)橋梁的數(shù)量。</p><p>　　資料庫(kù)1包含24座實(shí)際的田納西橋梁。資料庫(kù)1中24座橋的信息在表2中給出。這些橋的跨徑范圍在10.74到74.81m之間變化。梁間距在1.73到4.19m之間變化。板的厚度在178到235mm之間變化。傾斜角度再0到50.16度之間變化。這些橋梁在1958到2002年間修建。資料庫(kù)2

25、包含419座在NCHRP項(xiàng)目12-26用來分析的真實(shí)橋梁。這些橋梁從15個(gè)州中隨機(jī)選中。資料庫(kù)2中的橋梁參數(shù)與資料庫(kù)1中的橋梁相比有較大范圍?？鐝皆?.72到85.56m間變化。梁間距在0.74到7.32m之間變化。板的厚度在127到279mm之間變化。傾斜角度再0到61度之間變化。這些僑在1920至1988年間建成。資料庫(kù)1和2中的橋梁剪力分布系數(shù)用AASHTO標(biāo)準(zhǔn)，AASHTO LRFD和henry法進(jìn)行計(jì)算。表三列出了資料庫(kù)1中的

26、24座橋梁由這三種方法得出的結(jié)果。</p><p>　　5 . 24座所選橋梁的有限元分析</p><p>　　有限元分析軟件ansys6.1在這項(xiàng)研究中用于資料庫(kù)1中的24座橋梁剪力分布系數(shù)的分析。這個(gè)程序有所有需要的線性的非線性的結(jié)構(gòu)承載力來輸出殼依賴的結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果。對(duì)所有板梁橋來說，兩種模擬情況要被考慮：在例子1中，梁?jiǎn)卧?lt;/p><p>　　圖2 .有限元模

27、擬技術(shù)：（a）例1和（b）例2</p><p>　　圖3.多室箱梁的有限元模型：（a）邊梁的橫截面（b）內(nèi)梁的橫截面（c）整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　的質(zhì)心與混凝土板的質(zhì)心一致，如圖2（a）所示。在例子2中，模型中梁的偏心如圖2（b）中所示。在兩個(gè)模型例子中，混凝土板被理想化成4節(jié)點(diǎn)的四邊形殼單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由角度，所有的梁被理想化為2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?，這個(gè)單元式個(gè)具有張力，壓力，扭轉(zhuǎn)和

28、彎曲能力的單軸元。例子1的模擬過程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是實(shí)際復(fù)合性能不存在。這個(gè)模擬案例與Mabout研究的第一個(gè)例子相似，除了這項(xiàng)研究是為了得出剪力分布系數(shù)。ANSYS程序有從相關(guān)節(jié)點(diǎn)偏移梁?jiǎn)卧哪芰?。在梁的質(zhì)心軸偏移梁?jiǎn)卧a(chǎn)生額外的自由度。這些額外的自由度通過兩點(diǎn)間施加的剛性連接與板的自由度相聯(lián)系。對(duì)于模擬技術(shù)例2，梁偏移從梁質(zhì)心到板質(zhì)心這么一段距離。在這種情形下偏移的節(jié)點(diǎn)使得模型更接近真實(shí)橋梁的條件，還完成了梁和板之間的復(fù)合效應(yīng)。<

29、/p><p>　　對(duì)于現(xiàn)澆的多室箱梁橋和鋼管開口式箱梁橋的模型，僅僅四邊形殼單元比使用。圖三展示了殼單元怎樣用于模擬頂部和底部板以及多室箱梁的腹板的。如圖3（b）所示，內(nèi)梁作為有上部和下部翼緣以及箱梁腹板的I型梁考慮。梁?jiǎn)卧殖删W(wǎng)格狀的610mm長(zhǎng)，殼單元分成合適的610*610。對(duì)于斜橋，梁的單元尺寸是305，用于靠近支撐區(qū)域的用來獲得更好結(jié)果或是使車輛荷載便于應(yīng)用的一些三角形殼體尺寸305*305橋梁中的膜片被考

30、慮進(jìn)來并且理想化為與實(shí)際橋梁薄膜一樣有相同截面特性梁?jiǎn)卧?。?dāng)模擬橋梁支撐時(shí)，鉸和軸被典型的用于橋梁模擬中。</p><p>　　圖4. I型梁橋上剪力活荷載的樣本加載形式：（a）卡車的縱向位置和橋的平面圖（b）卡車橫向位置和橋的橫斷面</p><p>　　表4 . 有限元分析與其他方式對(duì)比的匯總</p><p>　　AASHTO規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)用活荷載是HS20-40

31、卡車或是Hl-93卡車。橋梁加載一輛兩輛三輛或是更多卡車取決于橋?qū)挕？ㄜ囋跇虻目v向和橫向獨(dú)立的移動(dòng)，從而獲得內(nèi)梁和外梁上的最大剪力。最大剪力通常發(fā)生在靠近橋墩和橋臺(tái)處。圖4展示兩卡車加載形式。內(nèi)梁和外梁的的剪力分布系數(shù)是用FEA模型得出的最大剪力除以由車輛荷載下梁線性分析得出最大剪力來計(jì)算。</p><p>　　從例1和模擬技術(shù)2的結(jié)果可以看出FEA模型的偏心距的存在對(duì)剪力分布系數(shù)有明顯的影響。對(duì)于同一橋梁，例2

32、模型將會(huì)產(chǎn)生比例子1更高的剪力分布系數(shù)，這主要是因?yàn)槔?考慮了梁和腹板的復(fù)合作用。例子2中梁和板橫截面剪力分布表明模型呈現(xiàn)了橋梁體系的實(shí)際性能。因此，為了獲得精確的結(jié)果，在有限元模型中考慮梁的偏心距是十分必要的。表三列出了用模擬技術(shù)例子2由FEA獲得的剪力分布系數(shù)。模型FEA的結(jié)果用于對(duì)比研究。</p><p><b>　　6.對(duì)比研究</b></p><p>　　

33、資料庫(kù)1中的24所橋由Henry法獲得分布系數(shù)與FEA，AASHTO標(biāo)準(zhǔn)，AASHTO LRFD法獲得的結(jié)果比較。所有的分布系數(shù)都是基于軸向荷載。這個(gè)對(duì)比在每種橋上部結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。這個(gè)對(duì)比研究的目的在于觀察Henry法與其他三種方法的聯(lián)系，檢查Henry法是否需要修正。預(yù)制混凝土I型梁和預(yù)制混凝土箱型梁在對(duì)比中分別檢測(cè)，因?yàn)閮煞N體系特性的不同，但是在修改中他們合并為一種上部結(jié)構(gòu)體系。表4列出了由FEA獲得的剪力分布系數(shù)的平均比率的匯總。&

34、lt;/p><p><b>　　7.結(jié)論</b></p><p>　　簡(jiǎn)化的EDF法和修正的Henry法假設(shè)所有的梁（包括內(nèi)外梁）有相等的活荷載效應(yīng)分布?？捎写隧?xiàng)研究得出以下結(jié)論：（1）與結(jié)構(gòu)種類系數(shù)和傾斜修正系數(shù)一起，Henry法可得出所研究的六種上部結(jié)構(gòu)形式的橋梁的可靠剪力分布系數(shù)。（2）梁間距的增加對(duì)剪力分布系數(shù)有重要的影響，而跨徑長(zhǎng)度的增影響較小。。（3）應(yīng)用諸如