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跨铁道的天桥分析和设计

  • 世界上*长、弯曲度**的单跨梁桥的复杂三维分析

  • 底部横向支撑设计要求的研究

  • 随后桥面板浇筑的提升分析


跨铁道的天桥是跨过佛罗里达东海岸铁道的一座单跨曲梁桥,它为杰克逊维尔南部一个受限制的地方提供混合使用的交通通道。GAI咨询公司使用LUSAS桥梁分析软件来对其进行详细的三维分析并对结构进行比较检验,更值得注意的是来研究底部横系杆部分并提供一种减轻随后在桥面板浇筑过程中产生的荷载的方法。


概述

这座跨铁道的天桥为通向5号公路和佛罗里达东海岸铁路的边界围成的一个三角形开发区提供入口。


实质上交通道路标准已经要求该桥应该在空间允许的范围内尽量抬高以满足规定的铁路建筑限制。该桥苛刻的曲率和长度要求其采用创新的方法以及良好的施工方法来满足几何和经济上的限制。GAI的*终解决方案是桥跨跨长为218’,宽度为79’,中心线的半径为300’,这意味着这座跨铁道的天桥是世界上*长、曲率**的单跨曲梁桥之一。


为了达到桥跨和曲率的合理组合,需要对单元进行独立设计来优化其承载能力和确保其稳定性。两端不同的倾斜度,不统一的梁间距和梁深度,较低的横向梁支撑,提升耐久轴承,总重32吨的混凝土,以及桥面板的横向阶段浇筑,所有这些都将在*后的设计中考虑进去。


Initial and re-designed bridge alignments and final single deck solution


桥梁设计 改进

从概念设计来看,有单跨和三跨两种选择可选,从造价方面考虑,设计师觉得单跨的设计方案会更合理。因此,*初提出了每个37’宽的单跨结构,但是考虑到这些独立狭窄高度弯曲的结构的提升问题,*终决定单跨宽度为73’的结构会有更好的稳定性。通过对不同倾斜度的对接和相对稳定性/提升等问题的进一步研究,*终选择了用平行的端部支撑,与公路连接部分的倾斜角度是45度。*初方案通过八根中心放置等间距的梁来支承桥面板,但是从随后的分析中发现,因为桥面板严重的屈曲,靠外边缘的两根梁所承担的弯矩比内部梁要超过四五倍。这使得GAI移去了曲线太靠外边缘的梁来减小桥面板的突出部分。这样有效地减小了承载**的梁单元上10%的分布荷载。另外调整了梁的间距。*外侧两根梁的间距从9’-5”减小到了8’-0”,中间的五根梁的间距增加到了10’-0”。桥上中心线300’的半径需要超高4%,这使得*外侧的路边线要比内部的路边线几乎高出34英尺,因为这个,仅仅比内部梁高16 的外侧梁不能控制下面的空隙,因此通过在内部的六根梁使用浅梁为整个桥梁节省了十英尺的总高。



分析和设计

为了检验在安装过程和使用过程中桥梁的反应行为,用到了平面网格的和有限元的两种分析软件。二维网格分析实质上是作为框架工具用在所有梁的设计,翼缘板的优化,图表的绘制以及支承的设计中。用LUSAS桥梁软件进行的三维的有限元分析主要是用于更加复杂的设计来确保在个别桥梁单元上的空间效应——一些平面分析不能完成的工作。使用LUSAS,对恒荷载效应进行了评估,得出了*后施工的变形量。并且对产生*不利值的荷载组合和影响线下的车道进行了评估。LUSAS同样用来研究支承刚度,下面横向支撑的荷载,评估随后横向桥面板浇筑的提升荷载。*终完整设计方案的分析要由第三方来进行以验证结果的可靠性。


表示作用在内车道上的车辆荷载的Avenues Walk Flyover LUSAS三维模型

 

 底部横向支撑

使用LUSAS的桥梁软件,GAI研究了底部横向支撑来承受风荷载和梁下翼缘平面内的横向应力。并对三种布置方式进行了检验:外部隔间和内部隔间的横向支撑,仅仅在外部隔间布置横向支撑,仅仅在外部梁的隔间布置横向支撑。基于一些初步分析,*终*内部的梁横向位移和应力都不会很大,所以为了节省费用,就不用在内部隔间安装横向支撑。然而在安装阶段,如果先安装内部梁的话,使用底部横向支撑会对底部位移有一定影响。由于原计划的安装顺序是先安装外部梁,事实上横向支撑的潜在优势并没有发挥出来。*终的设计包括一个单隔间的横向支撑,位于*外侧的两根梁之间。


随后的桥面板浇筑分析

钢框架是树立在两个脚手架塔上的。然而,在桥面板布置之前,脚手架塔会被移除。所以,钢框架必须抵抗由于浇筑桥面板而产生的提升力。在适当的地方用整个钢框架来抵抗倾覆的影响,并且用重量为32吨的混凝土配重放置在桥台内边梁的旁边位置以减小一些提升力。另外,等放在四个*里面梁上的桥面板首先就位后,其他桥面板放置在两个横向板节段上。在桥面板熟化后,以**次浇筑的桥面板作为配重再安置其他的桥面板节段。该桥是使用放在桥台内边缘的提升抵抗轴承和提升抵抗基础进行施工的,因此,有充足的能力来抵抗包括在*不利状况的分析模型中出现的活荷载效应的提升力。


在分析中,对中间跨每一根梁的固定静负荷挠曲都进行了计算。移除脚手架塔之后, LUSAS三维有限元模型中计算出来的*外侧梁位移是10.8英尺,而在二维的网格分析中是13.4英尺,两者相差了大约25%。这种差别很大程度上是由于二维分析没有考虑横向支撑的影响。*终模型在桥台的支座反力和提升能力上显示了很好的一致性。在*外侧梁的**向下反应情况中,两个模型结果几乎一致,仅仅相差2%


GAI咨询公司的工程师Samuel N. Spear说:“LUSAS在这个工程中被证明是一个有使用价值的工具。我们很欣赏它模拟不同施工和正常使用阶段的能力。”另外他也称赞了LUSAS的技术支持人员:“当我们在建模需要帮助的时候,LUSAS的技术人员都会不遗余力地为我们解答任何我们提出的问题。”



跨铁道步行天桥工程的项目参与者
  • 业主:City of Jacksonville,Florida

  • 工程设计:GAI Consultants,Inc.

  • 承包商:Hal Jones,Inc.

  • 铁路方:Florida East Coast RR

  • 开发商:KIMCO Developers,Inc.

LUSAS在这个工程中被证明是一个很有使用价值的工具。我们很欣赏它模拟不同施工和正常使用阶段的能力。”

Samuel N. Spear, GAI Consultants


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