桥梁毕业设计外文翻译对木桥的负载和阻力系数的校准Word文档格式.docx

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10英寸及4英寸×

12英寸）、应力板（多层应力作用板）和钢筋混凝土板（非混合型的）。

由多层薄片制成的层面板，通常是50毫米（2英寸）厚和l00-300毫米（4-12英寸）长，它们是用钉子、胶水、尖刺、横向预应力而连接在一起的。

然而，后者的方法通常是用于板桥而不是梁桥。

薄板通常被制成900毫米到1500毫米的面板。

设计师可以指定这些面板或互连或非互连（在与薄片平行的方向上）。

可以通过镙钉、金属销钉或加劲梁将组合面板固定在一起，从而形成了一个连续的面板上表面,而剩下的非组合面板是彼此独立,虽然在一些情况下的数据要求用横向加劲梁来提供一些连续性。

至于梁体，各种种类的木材和商业等级的面板薄片是可以得到的。

连接面板和梁体是通过铁钉、长钉或特殊紧固件来实现的。

面板结构可以垂直或平行于运行车道。

拥有长跨度面板的梁桥需要底梁来支撑面板并且把荷载分散到长梁上。

如图1、图2所示，它把这些结构都呈现出来了。

图1.梁桥（面板垂直于交通通行方向）

图2.梁桥（面板平行于交通通行方向）

当桥跨大概为11米（50英尺），制造板桥比较经济，并且桥板大致为200-400毫米（8到16英寸）厚（如图3）。

这类面板的类型与那些梁桥桥板的类型比较相似，在加上用了这种连续的由单一的大板钉合而成的面板，用来搭建在现场工地上。

这种类型的甲板，和之前描述的所有梁桥板一样，在建造中都是可以用的。

图3.面板桥

负载模型

静载通常占作用在木桥上的总负载的10%-20%。

自重荷载参数是符合那些用于校正钢材和混凝土的设计数据（诺瓦克1999年，1993年）。

在考虑到的统计参数中包含一定比例的书面（设计）值，即所谓的偏差值λ，变异系数V，那些就是标准偏差的比例。

对于木材和混凝土（面板）构件而言，其偏差值为λ=1.05，变异系数为V=0.10；

对于钢（梁）构件而言，λ=1.03，V=0.08；

而对于沥青路面而言，其平均厚度为90毫米且变异系数V=0.25。

可以认为静荷载是呈正态分布的。

图4.活荷载作用下的偏差值

图5.活荷载作用下的变异系数

由于木材强度是受持续荷载作用影响，可由持续的活荷载计算得到不同的时期。

每日车流量（ADTT）的平均值可得三个值，被认为是：

低于ADTT=500，等同于ADTT=1000，高于ADTT=3000。

据推测，那些实际重型卡车所占比例为20%，这相当于每天会通过100、200、600辆卡车，这分别是所考虑的车流量的三倍。

注意到这些是ADTT值很高的典型桥梁,这类桥通常坐落于车流量较小的道路上并且只能有公路桥梁一小部分的车流量。

然而，当前的设计程序规定对于木桥的车流量是没有限制的，对于数据校准的目的而言，仅仅在车流量很小的公路上加上基本的持续荷载的作用是非保守的。

考虑到各种桥梁跨度的长度和通行速度的限制，人们可据此推测出卡车通行的平均时间大概是1s。

对于一个典型的单跨结构木桥，荷载在跨中处的作用（弯矩）会逐渐地从零增加到最大，然后逐渐地减少回零。

实际中持续的最大活荷载效应是低于跨越时间，因此,平均下来在最大活荷载效应理论上是等同于0.5秒。

在大多数情况下，这是一个保守的假设：

对于许多木桥部件，其受力作用部分的影响线要比所有的跨度长度小。

因此，活荷载持续时间（相当于很重的卡车）为75年，而三种考虑到的车流量是

1、低ADTT=（100辆卡车）（0.5s）（365天）（75年）=15天；

2、中等ADTT=（200辆卡车）（0.5s）（365天）（75年）=30天；

3、高ADTT=（600辆卡车）（0.5s）（365天）（75年）=90天。

虽然木桥通常建在车流量低的道路上，但在可靠度分析中，人们做出了一个保守的假定，那就是活荷载的持续时间是2个月。

对于短跨度桥梁,活荷载是由轴荷载甚至是轮轴荷载所引起的。

因此,活荷载模型是由轮荷载的变化所决定的,而非整个卡车或车轴。

对轮轴荷载的统计参数来自于现有的测量数据（诺瓦克教育学，1994年）。

座落在密歇根的桥梁是以轴荷载为基础来减少现场测量量的，以及州警察对超载的车辆进行了存档登记，以方便最大限度地观察到超载车辆在受轴荷载一年时间内的变化，其中车所受的轴荷载接近200kN（40千磅），每个车轮（每个车轮有两个轮胎）产生50kN（10千磅）的荷载。

因此，在这个标准中，每一个车轮荷载在一年中的最大平均值为50kN（10千磅）。

其变异系数为0.15（诺瓦克教育学，1994年）。

轮胎接触区域的大小对活荷载能分散到短跨梁桥的组件上是一个重要的原因。

基于这个由Pezo（1989年）和Sebaaly（1992年）等人发表的测量报告，可以知道每个轮胎与地面的接触面的横向尺寸大小是185毫米（7.5英寸），而且每一个双轮胎车轮的间距是125毫米（5英寸）。

在车轮荷载和车轮与地面接触面的长度之间存在一种近线性关系。

对于一组大小为50kN的轮轴荷载，轮胎长度近似为250毫米（10英寸）。

因此，在这类研究中，单个轮胎与地面的接触面被认为是一个180毫米×

250毫米（7.5英寸×

10英寸）的矩形，而对于双轮胎的车，可将其与地面的接触面看成是一个250毫米×

500毫米（10英寸×

20英寸）的矩形（差距可忽略不计）。

在那部美国国家公路与运输协会标准（1996年）中，木桥的设计中并没有考虑动荷载的影响。

而在美国国家公路与运输协会标准设计规范（1998年）中，木桥设计中所受的动荷载值被规定是混凝土和钢梁桥上所受动荷载值的50%。

为了促进美国国家公路与运输协会标准设计法规的发展而在现场测量的数据表明实际存在的动态荷载对于木桥的设计具有一定的影响（诺瓦克和蒙，2001年）。

可以发现，木材的负载效应要明显低于其他材料。

动态荷载在很短的一个时间段上是相互有联系的，而这时间要远远小于活荷载中的那一小部分静态荷载的时间。

然而，在很短时间内，木材的强度将会明显地增大。

因为在这些观察结果中缺乏更为详细的试验数据，所以在标定过程中并不会考虑各个部件的强度的增加，而其动态荷载则为零。

材料的阻力模型

里特总结出了一组用于观测阻力的确定性模型（1990年）。

木材的主要的力学性能包含弯曲极限强度（MOR）、弹性模量（MOE）、抗剪强度。

这些特性往往会受限于一个重要的变化,而且这些统计参数取决于尺寸、种类、等级、含水率、持续负荷。

为各种各样级别和尺寸的锯木，马德森和尼尔森得出了一份相当重要的基础数据（1978年a,b）。

在1996年颁布的关于木制材料建筑物的设计规范手册（EWA1996年）中，就如同强度值一样用表格列取了道格拉斯冷杉的偏差值，根据其值的不同，在偏差值范围为1.41到1.98中来提供选择等级，并且等级1、等级2的数值范围为1.76到2.88，而变异系数在0.17至0.27范围内进行选择，等级1、等级2的数值范围为0.23至0.30。

大的变化与最大深度/宽度比相符合。

而阻力则被认为是一种符合对数正态分布的随机变量。

Ellingwood等人就关于胶合梁发表了有关其强度的统计参数的报告（1980年），而这一报告是基于美国农业部林产品研究室和道格拉斯冷杉研究实验室把梁在水平方向上分层所研究出的结果。

产生的偏差因子大约是2-3,它的平均值取为2.5,产生的变异系数范围为0.10至0.25,其平均值为0.15。

对于偏差因子的计算，书面设计（在规范中已制成表格）阻值（MOR）是由国家指定木结构建筑设计规范（国家协调中心1991年）指定的。

赫南德斯等人（1995年）提出了一组关于胶合面板的数据，从而可知胶合面板在那个部位的层压是垂直的而不是水平的，那个部位面板的偏差值在2.99到3.15之间变化，那个部位的变异系数在0.20到0.25之间变化。

阻力被认为是一种符合对数正态分布的随机变量。

由于水分含量的增加而会使阻值MOR随之减小。

木制建筑物的设计规范（EWA1996年）指出，当锯木中水分含量超过19%、胶合木中水分含量超过16%时应当考虑湿度系数CM对阻力MOR。

水分含量对阻值MOR的实际影响是可以很合理地预料到的，并且其它的材料性能会随之呈现一个持续的曲线变化，而不是像水分含量呈现急剧的变化。

然而，由于缺乏足够的额外的实在数据，在这项研究中，按照木制建筑物的设计规范手册中的规定假设了平均水分含量的影响。

锯木的阻值MOR受到荷载作用于宽广面（在平面上加载）还是受到荷载作用于狭窄面（沿边缘加载）的影响。

Stankiewicz和诺瓦克（1997年）曾描述了把里加载到厚木板平面上和加载在厚木板边缘上的结果。

用红松木做了实验，其中实验尺寸是4英寸×

6英寸、4英寸×

8英寸、4英寸×

10英寸和4英寸×

12英寸。

实验数据结果表明：

如果是把荷载加载在板平面上，它平均阻值MOR将增加1.14倍（4英寸×

6英寸截面）到1.5倍（4英寸×

12英寸截面）不等，超过了将荷载加载在板边缘上时的结果，这些都取决于作用面的比例大小。

在国家的设计规范中规定实验值要高于设计值，它们两者的比值在1.05（4英寸×

6英寸截面）到1.10（4英寸×

12英寸）不等。

平面方向上的强度的增加主要是由于木材存在缺陷,当存在缺陷的木材平面上受到荷载作用时，它可能会导致部分截面性质发生微小的变化；

然而，施加边缘荷载时，同样大小的缺陷在截面上占据的比例会比较大，这样在很大程度上减弱了截面。

当变异系数的范围在0.25至0.31之间时，宽截面处产生的变化最小。

诺瓦克描述了有效性量度的可变性（1983年）。

它被认为是在变异系数为0.20是呈对数正态分布的。

部分的有效性量度与阻值MOR成一一对应的关系。

两者的关系可看作是如下所示的一种线性函数：

MOE=[0.15×

（MOR）+0.7]×

1000

（1）

从这个观点的可靠性看，这种关系是很重要的，因为在一个木结构系统（比如一个多层结构的面板）中最薄弱（不够坚硬）的地方受到较小的荷载的作用，从而减小了系统的可靠性。

尺寸的变化是可以忽略不计的。

马德森和尼尔森计算出这个形态尺寸的变异系数数值大概是0.01。

偏差值则在0.97至1.04间不等。

结构阻力模型

在现在的美国国家公路与运输协会设计规范标准（1998年）中，木桥梁体的分配系数（GDF）公式仅仅是依据梁间距给出的。

这种方法的精度不足以用来建立一个适当的阻力模型。

GDF公式是在某一个荷载分布充分的理想结构下得到的，此结构是用钢筋或混凝土来制作成的，故称混凝土板，且这公式不受结构材料的影响。

然而,当梁间距小于1.1米或跨度6米时这些公式就失去了准确性。

而很多木桥的梁间距和跨度都小于这些值。

因此,在此研究中,利用有限元分析法把负载分配到梁上。

根据分析结果可知,对于紧密排列这的锯木梁[400-600毫米]（16-24英寸）,当两辆卡车并排行使时，由三个梁组成的子系统往往比较等同于分享负载。

然而,宽梁间距如同胶合梁桥[5-8英尺][1.5-2.4米]的,实际上只有一个梁来抵抗了轮轴荷载。

基于模型的模拟,可得三梁子系统的变异系数V是0.15（典型的元件V=0.23）,然而当梁间距远大于600毫米（24英寸）（胶合板梁桥）时,变异系数相对组件的V并不会减小。

考虑到压力胶合面板是一个相似的子系统[其宽度为900毫米（36英寸）]。

主梁分布因子为0.45-0.55。

一个承压系统的阻力的统计参数是基于Sexsmith等人（1979年）得到的测试数据。

子系统[500毫米（20英寸）宽]承载能力（阻力）的平均值等于每个元素（木板）的平均值之和。

一个系统结构的平均MOR值与个体的元素是一样的。

然而,其变异系数为0.10（对于典型的单一薄层V=0.32）。

在胶合面板上,没有具体的变异系数是可供选择。

然而,研究显示,胶合面板显示出与压力面板相类似的、略多的稳定的横向反应（Batchelor等人1979年,1981年;

；

Bakht1988年）。

板材面板是基于Eamon等人先前的一个研究（2000年），假定木板与轮胎接触区域是用来抵抗轮轴荷载。

那接触面面积为250毫米×

20英寸）。

当板宽度小于250毫米（10英寸）时,邻近的木板可以分担的板所受的载荷，而荷载的分布是与每个厚木板上的接触面积成比例的。

这里变异系数可取0.20（对于典型的单板材V=0.20）。

图6.面板子系统

可靠性分析

可靠性分析方法是用来计算弯曲极限状态的。

尽管木材各成分可以受到其他桥面荷载的影响,如剪力和弯扭,对于这种失效模式下阻力参数的计算，目前用于电阻测试数据是不可靠的。

然而,弯曲故障一般能支配着主要承载的桥梁元件,虽然这对板桥而言不一定是正确的。

作为活荷载，其作用占主导地位,荷载影响可被视作是呈现对数正态分布的随机变量。

个别元件的电阻测试数据表明承载能力的分布近似于函数的对数正态分布，特别是应用于较低次数的累积分布函数。

对于梁体和胶合面板的子系统,阻力抗性可被认为是正常的。

表1.AASHTO标准（1996年）规定的可靠性指标

结构类型

β单元

β子系统

锯木梁

2.27-2.47

3.11-3.38

胶合木梁

3.08-4.02

3.37-4.39

钉合面板

2.14-2.29

3.90-4.17

应力面板

2.63-2.77

6.05-6.39

板材面板

2.84-3.08

3.75-4.08

表2.AASHTO设计规范（1998年）规定的可靠性指标

2.96-3.09

4.07-4.25

2.80-3.13

3.06-3.43

1.73-1.82

3.16-3.34

1.42-1.51

3.29-3.52

2.38-2.52

校准结果

基于这些结果,来选择可靠性指标。

对锯木材梁为目标的构件建议使用可靠性指标βT=3.0,而一个锯木材梁子系统的可靠性指标βT=4.0。

对于胶合木梁元件可靠性指标βT=3.5，而子系统βT=3.75；

对于钉合面板元件βT=2.0，而子系统βT=3.5；

对于应力面板元件βT=1.75，而子系统βT=3.5；

对于板材面板元件βT=2.75，而子系统βT=3.5。

各部件的可靠性指标应在一定的范围之内选择,如此这些经典的设计就能体现指标值了。

注意到这一系统的部件,如一个梁体、目标指数及面板系统都要高于单一成分部件,相对于单个元件出障碍而言整个系统出障碍的可能性减少了。

这里没有尝试去指定一个新的设计安全水平,而是为了使同一类型的设计中不同结构（例如,由于桥梁跨度、梁间距、面板厚度、木材品种等）的可靠性变回常值。

为了达到目标指数,美国国家公路与运输协会设计规范建议以下的设计规定:

1.使用美国国家公路与运输协会设计规范（1998年）中指定的负载因子；

2.使用木材建筑物设计规范手册（1996年）中指定的材料强度值；

3.持续负荷与活荷载作用一样也是两个月,所以材料强度值必须乘以持续负荷系数（0.80）。

。

如果在考虑到的时间地点,持续活载的极端值会超过2个月时间,然后持续负荷系数可能会减少；

4.桥梁构件必须考虑水分因素；

5.动态载荷可以忽略不计。

表3.设计规范建议使用的可靠性指标

4.08-4.26

3.33-3.62

3.65-3.97

2.02-2.12

3.69-3.87

1.71-1.81

3.97-4.19

2.78-2.92

总结

在当前版本的美国国家公路与运输协会标准下的设计规范（1998年）中，木桥设计规范的校准会导致建议荷载、阻力因数、及其他因数的变化。

可以观察到木桥的可靠性指标的目的在于使当前的设计规范具有一定程度的变化。

在木制建筑物设计规范手册（EWA1996年）中规定建议使用材料强度值。

对于组件抵抗活荷载，必须使用持续负荷系数（0.8）长达两个月之久来使组件的材料强度减少。

水分因素必须被考虑到桥梁组件中。

木桥上的动态荷载是可以被忽略的。

致谢

非常感谢美国农业部（USDA）森林服务、森林产品实验室，及联邦高速公路管理局把ISTEA木桥研究项目作为自己工作的一部分，感谢这些部门对此研究的支持和帮助。

作者非常感谢迈克尔-理特和约瑟-墨菲为此论文作出的卓有成效的讨论和建议。

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