密西根门户拱桥设计

  • 拱肋断面的优化

  • 最不利荷载模式下的荷载优化

  • 吊杆力和应力的检查

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密西根运输部门为了改善当地机场和市区道路间的交叉连接条件,投资了55,000,000$的交通项目,密西根门户大桥就位于线路I-94上,它是项目中一个部分。新的大桥替换了原来的4跨旧桥,从而使得线路能以东西-南北方向布置。Alfred Benesch & Company采用LUSAS Bridge分析软件进行了拱肋断面的优化,其目的是为了检测荷载和活载下吊杆力,以及确定必须的吊杆应力,这些力是保证桥梁性能所必需的。为了表彰其创新,美观和具有成本效益的设计,国家钢桥联盟使其成为中等跨度类别中的成功桥梁设计。


概述

该桥是一项耗资5500万美元的项目的一部分,该项目旨在改善底特律机场和底特律市中心之间的94号州际公路。它们取代了以前的4跨结构,并通过重新设计的单点城市交汇处进行I-94的西行和南行交通。提供新桥梁的一个关键要求是保持现有的14'-9“间隙,以防止必须提升I-94的道路轮廓。为了符合这一要求,并保持清晰的视距并改善交汇处的美观,选择单跨拱桥更换。新拱的上部结构的深度仅为5',与之前结构的8'深度相比,桥下的垂直间隙实际上增加了。


桥梁施工

该桥由单跨、斜、通过箱型截面拱构成.所有拱肋为3‘x4’箱形截面,腹板厚。不等缘,外拱肋厚2.5“,内肋厚2/4。拱肋的倾斜度限于25度,以保持理想的垂直间隙。肋骨横向连接使用五个美式足球形支撑。拱是建立在不同的水平,基础的外部拱肋位于下电报道,而内部拱肋支持在较高的I-94水平。这使得外拱和内拱肋的长度分别为296‘和257’。东、西桥台的整体清晰跨度为246‘。


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为了限制拱肋在其相对位置的基部,研究了许多设计方案。这最终导致选择具有固定基部的真拱形设计。由于现场的土壤剖面由中到软粘土组成,这些粘土将在拱形纵向推力下蠕变,因此决定提供一种独立于土壤的基础系统。外部拱肋由289英尺长,7英尺4英寸宽,3英尺2英寸深的混凝土系带纵向约束,位于电报道路下方4英尺处。内部拱肋共用232英尺长,14英尺10英寸由3'-2“纵向中央混凝土系带。横向连接,11'-6“长,将外部拱肋基础连接到基台基础。连接设计用于抵抗总拱推力,但由于冗余原因,拱肋基础下的几个桩被击打以帮助抵抗一些系杆中的钢筋设计用于抵抗总拱推力,同时保持24 ksi钢筋的最大拉应力。基础系和土之间的拱推力的摩擦阻力也被忽略了。设计 - 增加基础系统的冗余。


桥面板包括一系列地板梁,纵梁和加劲梁。由吊架支撑的横向地板横梁承载9英寸厚的混凝土甲板。纵向纵梁和加强梁有助于减少由于活荷载引起的甲板偏转。加强梁还在相邻吊架之间分配活载荷,从而使吊架更轻。每个吊架组件由两根直径为2 1/8“的ASTM 586结构钢绞线组成。组件内的每根钢绞线设计成承载任何相邻钢筋的总载荷,冲击系数为2。


LUSAS建模

这两座桥都需要仔细的结构分析,从而确定在不同荷载情况下的结构性能。设计者采用了LUSAS Bridge来完成这项任务,并且它在确定拱肋最后断面形状时起到了决定性的作用。采用梁单元来模拟拱肋、环形横向支撑、吊杆以及板框架系统,采用薄壳单元来模拟混凝土板3D建模不仅能分析独立构件的性能,也使得桥梁的整体空间结构可以得到顺利求解。LUSAS的整体组合结构的特性在这里显得特别有用。


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Hiba Abdalla博士说:“使用LUSAS,我们能把恒载下的拱肋弯曲应力优化到最小状态,分析从基本的圆形断面开始,然后逐渐变化断面,最后通过计算得到当前拱肋断面。”


获得的结果

一旦建立好结构的几何模型,我们就可以用LUSAS方便地检查桥梁在活载、风荷载、温度荷载和综合荷载下的结构性能。由于此桥体形非常特殊,因此必须确定拱肋、横梁和纵梁的活载效应。Autoloader优化工具(它能确定车辆荷载的最不利情况)连同影响线分析能帮助我们加速极其繁琐的重复性工作。活载作用下桥梁位移的动画使得我们能更好地理解结构是怎样一起联合工作的。LUSAS也可以决定线性屈曲分析,从而确定荷载因子。由于结构的钢索被用在吊杆里面,因此确定吊杆的精确受力显得特别重要,这在结构施工和以后的运行中都是不可忽视的。LUSAS分析能检查恒载下吊杆受力,并能帮助确定所施加的应力,这能保证桥梁的形状达到设计的要求。这项技术在预测和计算施工中结构位移的变化上非常有用。


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"使用LUSAS结果处理工具,我们增强了对拱的优化能力,并且也可以更加容易地控制结构的几何轮廓."

Dr Hiba Abdalla, Senior Designer, Alfred Benesch

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