Experimental and analytical behavior of a new type of concrete-filled steel tube tied-arch bridge with trough girder

摘要

Trough girders are widely accepted in engineering on account of lowing construction depth and protection against traffic noise pollution, but most of them are used for simple-supported girder bridges with a span of generally less than 30 m. On the railway line of Nanjing—Qidong in China a new railway bridge will be built which has a span of over 64 m but a construction depth of less than 2.4 m on which Shanghai-Nantong railway line is also passed, so the type of concrete-filled steel tube tied-arch bridge with trough girder was chosen. For such a new structure hardly used in engineering, there are no research results yet available about mechanical properties of the structure. This paper therefore makes for the bridge an experimental model of 1:4 geometric scale in order to test mechanical properties under operation load, cracking load, and ultimate load such as cracking diagram, load-carrying capacity, stress distribution, and failure mechanism. According to the experimental results, when the model is subjected to longitudinal bending moment, the failure mode is similar to that of pure bending of a girder, and when the model is subjected to transverse bending moment failure mode behaves like the flexural failure mode of the traditional reinforced concrete structure. A non-linear element analysis is also made on the model with the results in good agreement with that of the experiment. The same modeling method is applied to the finite element analysis of the real bridge, considering various load in design. In the analysis, it is finally verified that this new type of bridge meets specification requirements in strength, rigidity, and resistance to cracking.%Trogträger sind im Ingenieurbau weit verbreitet, da sie eine niedrige Bautiefe haben und die Ausbreitung von Verkehrslärm dämpfen. Meist werden sie jedoch für einfach gelagerte Trägerbrücken mit Spannweiten unter 30 m verwendet. Auf der chinesischen Eisenbahnstrecke zwischen Nanjing und Qidong entsteht eine neue Brücke mit einer Spannweite von 64 m, jedoch einer Bauhöhe von nur 2,4 m, die auch die Eisenbahnstrecke zwischen Shanghai und Nantong überquert. Daher fiel die Wahl auf eine Stabbogenbrücke mit betongefüllten Stahlrohren und Trogträgern. Für diese neue Bauweise, die bisher kaum im Ingenieurbau verwendet wurde, lagen keine Forschungsergebnisse zu den mechanischen Eigenschaften der Konstruktion vor. Das vorliegende Dokument beschreibt daher ein Versuchsmodell im geometrischen Maßstab 1:4. Es dient zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften unter Betriebslast, Risslast und Maximallast mit Ergebnissen wie Rissdiagramm, Tragfähigkeit, Lastverteilung und Versagensverhalten. Die Ergebnisse zeigen bei Längs-Biegemoment ein Versagensverhalten ähnlich dem bei reiner Biegung von Trägern. Unter Einfluss von Quer-Bie-gemoment entspricht das Versagensverhalten des Modells dem von herkömmlichen Konstruktionen aus bewehrtem Beton. Die Ergebnisse einer nichtlinearen Elementanalyse des Modells stimmen gut mit den Versuchsergebnissen überein. Dasselbe Modellierungsverfahren wird für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) der realen Brücke verwendet, bei deren Entwurf wechselnde Belastungen berücksichtigt werden. Diese Analyse bestätigt schließlich, dass dieser neue Brückentyp die Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit und Riss festigkeit erfüllt.