钢桁架桥连续性倒塌分析及延性评价
在美国和日本，由于钢桁架桥的劣化已经发生过严重的事故。通过采用大变形和弹塑性分析方法，对总长度230.0m的三跨连续钢桁架桥模型进行了连续性倒塌分析。分析是为了阐明活荷载的强度和分布是如何影响两种钢桁架桥模型的极限强度和延性，桥梁模型A的跨度比为1：2：1，桥梁模型B的跨度比为1：1.3：1。确定桁架构件的尺寸和型钢等级，使其在设计静载和活载的许用应力范围内。施加设计荷载之后，再增加活载直至桥梁模型倒塌。虽然倒塌过程因活荷载分布和跨度比的不同而不同，但由于受压构件的屈曲，两种钢桁架桥模型都发生了倒塌。在跨中施加满载活载的情况下，跨度比足够大时不会影响承载能力极限状态，并且模型桥是安全的。当在侧跨施加活载的情况下，边跨较长的模型桥具有较高的极限强度。当在中间支座附近施加活载时，中心跨较长的模型具有较高的极限强度。对于由极限载荷和屈服载荷定义的延性系数，桥梁模型B通常比桥梁模型A更具延性。这表明了桥梁模型B的中跨和侧跨长度比率是更常见的、更合理的。本研究阐明了坍塌过程、抗弯强度、荷载分布和跨度比对钢桁梁桥的影响。
关键词：钢桁架桥 连续性倒塌 承载能力极限状态 大变形 弹塑性 延性
- 引言
美国明尼苏达州明尼阿波利斯密西西比河上的钢桁架桥I-35W在2007年1月1日突然倒塌，在这次灾难中有许多受害者[1,2]。 关于I-35W倒塌的报告指出由于桥面板的修复和加固导致静载增加数倍，并且角撑板的厚度只有设计值的一半。此外，在I-35W倒塌的那天，桁架桥上有建筑材料和重型机械进行维护。 这些因素都是I-35W坍塌的可能原因。
在日本，还有许多老化的桁架桥，需要及时检查、加固和维护。在木曾川大桥和本庄大桥上，对角线构件穿过钢筋混凝土板，因腐蚀而断裂[3]。Nagatani等人研究了桁架桥的冗余度[4]。Kasano等人侧重于角撑板，并提出具有初始变形的较薄的角撑板增加了应变并可能引起开裂[5]。
然而，目前并没有关于活荷载强度和分布如何影响坍塌过程、最终变形和极限强度的研究。关于主跨和边跨之比的影响也没有被研究。本研究旨在阐明这些因素如何影响固定跨长的三跨连续钢桁架桥。但是，本研究的目的不是澄清I-35W的坍塌机理，而是评估一般钢桁架桥的承载能力极限状态。找到坍塌载荷及机理非常困难，因为材料和几何的非线性必须考虑复杂的不确定结构。因此，结构模型被简化为二维桁架构件直接连接而没有角撑板。采用大变形弹塑性分析对两种不同跨度比的桥梁模型进行了四次活荷载分析。然后，获得塌陷过程、坍塌载荷和最终变形，以及跨度比和活荷载分布如何影响钢桁梁桥的延性。
图1 模型A立面图
图2 模型B立面图
- 结构模型
如图1、图2所示，一个三跨连续的沃伦桁架桥总长度为230米。 桥梁模型A的跨度比为1：2：1，中跨为115 m，侧跨为57.5 m，高度为10 m。 虽然桥梁模型A的尺寸与I-35W的尺寸几乎相同，但本研究的目的并不是要研究I-35W坍塌的原因，模型桥梁的桁架高度和宽度也不同。本研究的目的是进行连续坍塌分析，以阐明活荷载分布和跨度比的影响。
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