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预应力自密实混凝土桥梁的荷载分布
A7957桥是密苏里州交通部(MoDOT)第一个采用自凝混凝土(SCC)和高强自凝混凝土(HS-SCC)的大型工程。摘要本研究的目的是利用现场及有限元模型资料，对A7957桥预应力混凝土主要构件的初始服役状态进行监测，获得桥梁的荷载分布。对桥梁上部结构进行了初步的诊断荷载试验。埋入式传感器记录了不同荷载配置下仪器梁不同部位的应变变化。自动全站仪(ATS)在不同的测试荷载作用下，收集了梁在不同位置的垂向挠度。通过试验(使用挠度和应变数据)、FEMs和AASHTO LRFD桥设计规范获得了弯矩的载荷分布。用AASHTO LRFD方程估计的弯矩分布系数较现场试验和有限元计算结果大。在第一轮现场荷载试验中，SCC和常规混凝土构件的响应没有差异。
关键词:主梁分布系数，横向荷载分布，荷载分布系数，诊断荷载试验，SCC预应力混凝土梁
引文
在过去的二十年中，自加固混凝土(SCC)和高强自加固混凝土(HS-SCC)由于其有效的特性已经在基础设施项目中成功实施(Ouchi et al.， 2003;McSaveney等人，2011;Keske等人，2014;Hernandez和Myers, 2015b)。SCC的流动特性使其具有更好的固结和布置，从而减少孔洞和蜂窝结构。微结构越致密，混凝土的耐久性越好，使用寿命越长。这再加上劳动力和设备成本的降低以及维护成本的降低，减少了项目的总体初始投资。此外，由于HS-SCC具有更大的压缩性，它给常规性能带来了更大的提高。这种较强的挠度特性为减少桥梁结构的主要承载构件和内部支撑提供了可能。尽管使用SCC和HS-SCC有很多好处，但是由于它的组成材料和比例，它的结构和服务行为也受到一些关注。更大的膏体含量和更小的粗骨料尺寸在混合物中使用的影响是特别有趣的(Myers et al.， 2012)。因此，利用自加固和高强度自加固预应力混凝土构件监测公路基础设施的服役响应是十分必要的
通过现场荷载试验，为有效评价桥梁结构的使用性能和活载能力提供了一种方法。一般来说，AASHTO桥梁评估手册(MBE)定义了两种不同的测试选项:证明载荷测试和诊断载荷测试(美国州高速公路运输官员协会，2015)。验证荷载试验用于获得桥梁在不发生非弹性变形的情况下所能承受的最大安全活荷载，而诊断荷载试验用于更好地了解桥梁的服役状态。诊断测试用于验证设计假设和验证结构的性能。大多数情况下，在诊断荷载试验后，桥梁的额定荷载会得到改善，因为这种类型的试验隐含地考虑了有利于abridgesuperstructure响应的现场参数(Cai和Shahawy, 2003)。本研究的目的是获得桥梁的试验荷载分布和弯矩的有限元横向荷载分布。为实现这一目标，提出并实施了A7957桥的诊断试验方案。
额定荷载是指对桥梁结构在不受损伤或不发生倒塌的情况下所能承受的活载能力的估计。桥梁结构的横向荷载分布是计算桥梁结构额定系数的参数之一。AASHTO LRFD桥梁设计规范(美国州高速公路运输官员协会，2017年)提出了一种估算横向荷载分布因素的方法，该方法量化了由主要支撑成员承担的桥梁活荷载的百分比。这种方法允许将三维(3D)结构分析简化为一维(1D)问题，设计工程师更容易处理(Barker和Pucket, 2013)。活荷载效应，如弯矩和剪力，乘以这些因素得到的设计效应是适用于一维成员，而不是整个三维系统。值得注意的是，AASHTO LRFD并没有提出一种方法来评估活荷载是如何分布在梁之间的，用于桥结构的服役评估。相反，aashtoapproach提出了一种方法，可以应用于跨度、梁间距和刚度范围广泛的桥梁，从而保守地估计桥梁设计的分布因素(Harris et al.， 2010)。
目前的AASHTO LRFD桥梁设计规范没有区分初级和次级桥梁结构的设计过程。然而，桥梁评估手册明确定义了两个与桥梁重要性无关的桥梁性能级别。第一个性能级别是与新结构的能力相比较的库存级别。第二级性能是用于评估现有桥梁的运营水平，这些桥梁的设计比目前的AASHTO LRFD采用的桥梁更轻，或由于老化导致结构能力下降。该水平一般描述了结构可能承受的最大允许活荷载(Zhao和Tonias, 2012)。库存和运行性能水平由负载和阻力因素来区分，以获得各自水平上的活负载效应。Gheitasi和Harris(2015)进行了评估。两钢桥在不同荷载和支承条件下的非弹性分布特性。结果强调了由AASHTO LRFD方法提出的梁分布系数的保守性(包括运营和库存水平)，因为临界阶段(极限承载力)对应的荷载远远大于服务荷载。本研究着重于在上部结构整体响应保持在弹性范围内的情况下，利用现场数据获取桥梁的原位挠曲横向分布因子。
在接下来的章节中，将介绍仪器、现场测试程序以及PC/PS常规混凝土(CC)和SCC成员的初始服役响应之间的比较。此外，本文还比较了现场测量、有限元法和AASHTO LRFD法所得到的挠曲荷载分布因子，以估计这三种方法在评估预应力混凝土桥梁服役响应时所产生的差异。
桥A7957描述
位于密苏里州奥色治县50号公路旁的A7957大桥是一座三跨、连续的PC/PS混凝土桥梁，斜角为30度(图1)。每一跨采用PC/PS混凝土内布拉斯加大学(NU) 53根梁，用不同的混凝土混合物制成。第一跨主梁长30.48米，由常规混凝土(MoDOT A级混合物)制成，目标强度为55.2 MPa。第二跨梁尺寸为36.58m, HS-SCC混合料为68.9 MPa。第三跨梁长30.48m，采用SCC，标称抗压强度为55.2 MPa (Hernandez等，2014b;埃尔南德斯和迈尔斯，2016c)。
PC/PS混凝土面板的抗压强度目标为55.2 MPa，在现浇钢筋混凝土(RC)板甲板下的梁的上翼缘之间横向跨度(图1B)。CIP甲板是用25%的粉煤灰替代波特兰水泥浇筑而成
设计强度27.6 MPa。桥梁上部结构由两个桥台和两个中间支架支撑(图1A)。第二中间弯和桥台浇筑混凝土混合物，掺加20%粉煤灰替代波特兰水泥，标称抗压强度为20.7 MPa。第三个中间弯采用高体积粉煤灰混凝土(HVFAC)，用50%的粉煤灰替代波特兰水泥，规定的抗压强度为20.7 MPa。交通的方向是沿着西-东疏离带，如图1、2、5所示。
野外数据采集
A7957桥在施工前进行了构件检测。仪表元件包括:每跨两个PC/PS大梁和两个PC/PS面板(图2A)。仪表化的面板放置在梁线2和3之间，梁线3和4之间，位于第二个跨的跨中(图2B)。选择使用的传感器类型及其安装细节将在下面的小节中描述。
嵌入式传感器
共86个内置热敏电阻(EM-5型)的振丝应变计(VWSG)用于监测从制造到使用寿命的温度变化和应力变化(Hernandez et al.， 2014a;Hernandez和Myers, 2015b)。
预应力混凝土梁
在3号线和4号线的PC/PS梁内的所有跨内共安装了62个VWSGs。安装了VWSGs的PC/PS大梁的集群位置如图2所示。在跨1和跨3的梁内，仪表集群位于两个关键区域:第一个位于跨中，第二个位于距2和3号弯管支撑中心线约0.61米的位置。跨度2中的簇被布置在三个不同的截面上:一个在跨中，其他部分距每个支撑中心线约0.61m。在混凝土浇筑之前安装在梁的近支撑和跨中部分的VWSGs的详细信息如图2A,C所示。以下符号(Hernandez等，2014a,b)用于定义VWSGs在PC/PS梁中的位置
bull;TD:甲板底层以上150毫米
bull;BD:甲板底层以上50毫米(仅跨中)
bull;TF:主梁顶层以下50毫米
bull;CGC:复合部分的重心
bull;CNC:非复合材料部分的重心(仅跨中)
bull;CGS:预应力束的重心
bull;高炉:50毫米以上的底部层的梁。
现浇甲板和预应力混凝土面板
VWSGs纵向安装在CIP RC甲板(图2C)内(传感器TD和BD)。VWSG横向部署在两个选定的PC/PS面板的中间高度(图2B)。最后，在梁线2和梁线3与梁线3和梁线4之间，有两个VWSGs位于桥梁的横向上。这两个传感器被直接放置在面板的传感器上方，与面板的顶部光纤隔开114毫米(图2A)。
远程非接触式设备
自动全站仪(ATS)， Leica TCA2003，精度为1mm 1ppm(距离测量)和0.5角秒(角度测量)，被用来记录梁在活载测试期间的垂直挠度。选取24个位置监测上部结构竖向挠度响应。在现场测试中，ATS通过向安装在结构上的目标(棱镜)投射激光，连续读取水平和垂直平面上的条形码(Hernandez和Myers, 2018a)。据报道，ATS在垂直挠度测量中的精度为plusmn;0.1毫米(Merkle and Myers, 2004)。在第三主梁上布置了15个ATS棱镜，它们分别位于跨度长度的1/6、1/3、1/2、2/3和5/6处。此外，在每个跨的梁的跨中截面放置三个棱柱(图2D)。
现场测试程序
为了监测A7957大桥的使用响应，开发了一套监测试验方案，包括在一系列现场荷载试验中加载上部结构。2014年4月和8月进行了第一轮诊断负荷试验。在测试期间，莫多自卸卡车装载桥梁上部结构(Hernandez和Myers, 2016a)。本文共报告了13种测试配置。在第一期负荷试验的第一部分(2014年4月)使用了6辆自卸卡车，在第二部分(2014年8月)使用了3辆卡车。在试验开始之前，这些卡车装满了碎石和沙子。图3显示了不同的横向负载配置和测试期间使用的卡车的平均尺寸。表1列出了测试开始时MoDOT人员报告的卡车车轴的重量(图3D)。卡车的重量是通过同时测量前轴和中后轴的重量得到的。因此，卡车后中轴的重量被认为是均匀地分布在这两个轴之间。
图3、图4显示了在加载一个或两个车道时，用于获得桥的最大响应的负载配置(停止)。图4所示尺寸表示的是在一次测试中，从支座(端基台或桥墩盖)中心线到用于定位1号和4号卡车前轴外轮(靠近安全栏)的参考线的测量距离。在前6个装载站，每辆卡车的外轮中心距安全屏障的内边缘3.25m，如图3A所示。在1 - 3个装载站的情况下，卡车从东向西行驶2条车道，分别用于装载跨越3、2、1的中心区域，如图4A、C所示。
在4-6个装载站，卡车由西向东行驶，分别放在1、2、3跨的中间
(图4 d、F)。对于7-9个装载站(图4G,I)，卡车从西向东行驶，它们的外轴距安全屏障边缘1.63米(图3B)。A7957桥上部结构受1-9位荷载的作用，这是一个值得注意的问题。对于装载站10-12(图4J,L)，一条卡车车道从西向东移动，卡车停在桥的南侧，距离安全屏障边缘0.60米(图3C)。在13号挂载站(图4M)，卡车车道由东向西行驶，位于桥梁北侧，距安全护栏边缘0.60 m(图3D)
纵向应变试验结果
表2报告了根据跨中截面记录的实验数据得出的下法兰纵向应变。这些值对应于前一节中描述的双车道和单车道负载配置。更大的应变被收集在室内外梁的跨中，靠近施加荷载的区域。测量应变值，从双车道加载停止配置作用于跨1和跨3(即。分别比较了第1次和第3次、第4次和第6次、第7次和第9次。最大的差异相当于接近2%的值。在使用中的外部和跨1和跨3的内部梁的行为没有观察到明显的差异。
对于7号和9号荷载站(双车道荷载情况)，室内外梁的报告应变值相差接近10%。这种差异可以归因于两个可能的原因。首先，在这些站点期间装载上层建筑的卡车的车轴可能被放置在与图4G (I)中显示的最初计划的站点配置(跨的中心区域)不相对应的位置。第二，对于7-9号试验站，由于时间限制，垂直挠度只记录在梁的中心线(跨中位置)。在测试7-9期间记录桥梁响应所需的时间是记录1-6站桥梁响应所需时间的一半(12分钟vs. 24分钟)。试验时间的缩短可能使桥梁无法承受预期的弯曲响应。这两个可能的低相关性的来源都需要静态负载测试配置。在未来的系列负荷试验中进行了研究。然而，收集的跨1 (CC梁)和跨3 (SCC梁)的双车道荷载配置数据比较接近。这些结果表明这些跨的挠曲响应与PC/PS梁的制作材料无关。
垂直变位
表2列出了在前一节中描述的荷载停止时，在跨中获得的垂直挠度。这些偏差值被截断为ATS的精度(Hernandez和Myers, 2015a, 2018b)。与试验应变的情况一样，位于试验荷载作用区域附近的梁的挠度更大。在1、3段中分别得到1、3段、4、6段、7、9段(双车道加载)的可比值。单行加载的情况下(停止10和12),一个更大的不同比例(大约18%的梁1)观察当梁跨度1和3的1和2进行比较(见表2)。这种差异可以归因于ATS的准确性,接近实测挠度值。在未来的荷载测试中，必须计划荷载的大小，使桥梁承受大于ATS精度的垂直挠度，以最小化数据收集过程中产生的误差。结果表明:1、3跨梁的受力性能在同一数量级内。这表明，跨度的行为是独立的类型的材料用于制造PC/PS混凝土梁。
有限元模型
使用商用有限元分析(FEA)软件ABAQUS (Simulia, 2012)为图3、4所示的每一种荷载停止构型，建立桥梁上部结构的三维线性有限元模型(FEMs)。该桥梁的几何形状是根据施工文件创建的，并使用20节点实体元素建模(图5)。
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