株洲枫溪大桥关键技术创新

株洲枫溪大桥关键技术创新主要内容3.纤维增强复合材料缠包带2.钢-UHPC轻型组合桥面1.概述21.概述3枫溪大桥是株洲市河西城区与河东枫溪新城、航空新城之间的快速过江通道，也是株洲市第六座跨越湘江的大桥。株洲市株洲枫溪大桥株洲枫溪大桥北京株洲市1.概述4桥型布置主桥:3×45+300+3×45m双塔单跨自锚式悬索桥主跨采用钢-UHPC组合桥面钢箱梁边跨加劲梁及锚跨采用混凝土结构混凝土箱梁钢箱梁混凝土箱梁f/l=1/51.概述5主塔及基础门式塔造型，北塔高97.4m，南塔高102.4m塔柱分为上、下塔柱，上下塔柱间设4m的变截面段上横梁断面尺寸：5×4.5m下横梁断面尺寸：6×5.5m承台纵横向尺寸：14×13.2m，高4.4m桩基础直径：2.2m1.概述6钢-UHPC组合桥面加劲梁钢梁高3.5m，梁宽32m，横隔板间距3.0m钢加劲梁总长298米，共27个梁段钢箱梁上铺UHPC超高性能混凝土，与顶板形成组合桥面1.概述7钢-UHPC轻型组合桥面50mm沥青混凝土50mmUHPC薄层14mm钢面板8mmU肋Φ13焊钉Φ10mm钢筋网1.概述8缆吊系统主缆采用33-91ф5.1镀锌-5%铝-混合稀土合金高强平行钢丝吊索采用1670MPa级平行钢丝缠包后热挤HDPE主索鞍、散索套和索夹采用全铸结构1.概述9施工特点枫溪大桥采用先梁后缆的施工方法。施工时首先将主梁顶推到位，然后挂主缆、吊索，完成体系转换顶推施工时，采用步履式顶推系统，可实时监测箱梁偏位、各支点受力，相对于拖拉式顶推工艺，临时墩的结构优化较大，更为安全步履式顶推施工步骤1.概述10钢箱梁顶推施工现场首段钢梁顶推钢导梁到达临时墩顶推完成，施工砼加劲梁、锚跨及钢混结合段主要内容3.纤维增强复合材料缠包带2.钢-UHPC轻型组合桥面1.概述113.1钢-UHPC轻型组合桥面12正交异性钢桥面存在铺装易损坏和钢结构易出现疲劳开裂的问题在正交异性钢桥面上焊接栓钉、铺设钢筋网、浇筑UHPC层形成组合桥面，局部刚度大幅提高，可有效解决桥面铺装破损及钢结构疲劳开裂问题！车轮作用桥面局部变形示意钢-UHPC组合桥面正交异性钢桥面3.1钢-UHPC轻型组合桥面13134钢-UHPC轻型组合桥面应用研究足尺模型静力试验2足尺模型疲劳试验3钢-UHPC结合面抗剪设计4UHPC接缝研究5钢-UHPC轻型组合桥面结构设计1UHPC施工工艺流程163.1.1钢-UHPC轻型组合桥面结构设计14顶板14mm钢板+UHPC层50mm，沥青混凝土铺装厚50mmUHPC层内钢筋采用Φ10mmHRB400级钢筋栓钉尺寸Φ13×35mm，布置间距150×150mm轻型组合桥面沥青铺装层UHPC层（100年）钢筋网及焊钉3.1.1钢-UHPC轻型组合桥面结构设计15134局部计算UHPC层:实体单元板壳元（2）UHPC层纵横向拉应力（1）正交异性钢桥面板疲劳应力点3.1.1钢-UHPC轻型组合桥面结构设计16134桥面钢结构拉应力峰值计算结果位置应力方向拉应力/MPa纯钢梁组合梁降幅%面板a横桥向145.0022.3784.6面板b横桥向122.4213.0089.4纵肋cU肋腹板斜向47.5923.0651.5横隔d主应力横隔e主应力101.2881.7819.3纵肋底f纵桥向80.4752.8934.3局部计算桥面钢结构拉应力峰值最大降幅达89.4%！横隔板3.1.1钢-UHPC轻型组合桥面结构设计17桥面钢结构压应力峰值计算结果位置应力方向压应力/MPa纯钢梁组合梁降幅%面板a横桥向-146.18-15.0089.7面板b横桥向-142.72-35.1175.4纵肋cU肋腹板斜向-66.65-39.5740.6横隔d主应力横隔e主应力-187.33-127.5631.9纵肋底f纵桥向-39.21-21.9843.9横隔板局部计算桥面钢结构压应力峰值最大降幅达89.7%！3.1.1钢-UHPC轻型组合桥面结构设计18134UHPC层拉应力峰值计算结果位置应力方向组合桥面拉应力（MPa）最大值最小值1横桥向11.756.912横桥向5.244.423横桥向7.403.584纵桥向9.406.90面板STC层纵隔板面板STC层U肋横隔板面板STC层面板STC层局部计算UHPC层拉应力峰值最大为11.75MPa！3.1.2足尺模型静力试验19134120028001200520016121210625083003007×600=4200150大样112106250STC层8模型的纵向长度为：1200mm+2800mm+1200mm=5200mm，横向宽度为：7×600mm=4200mm，钢顶板厚度14mm，横隔板厚度16mm。试验模型构造3.1.2足尺模型静力试验20134模型试验加载共分为10个工况，其中跨中和支点断面各5个，车轮的中心分别位于3#、4#肋间，4#肋左，4#肋中，4#肋右，4#、5#肋间试验加载工况1#2#3#4#5#6#7#123451#2#3#4#5#6#7#12345（a）跨中断面（b）支点断面3.1.2足尺模型静力试验21134关注钢结构6个疲劳细节的应力水平：细节1~4均为连接焊缝的焊趾位置；细节5为横隔板上的弧形切口；细节6为加劲肋底试验关注位置3.1.2足尺模型静力试验22134桥面钢结构应力峰值试验结果位置应力（拉+压-）/MPa纯钢梁组合梁降幅%细节1-1671789.9细节2582065.6细节3431565.1细节5392730.8细节6763751.1UHPC-3.3734.3轻型组合桥面大幅降低了钢箱梁正交异性钢桥面板6个主要疲劳细节处的应力！3.1.3足尺模型疲劳试验231341#肋2#肋3#肋4#肋5#肋6#肋7#肋1#支点2#支点跨中截面280012001200横隔板1横隔板2加载点悬臂端线1-1悬臂端线1-1支座52002800120012001612020101201201210625005005012AA支座8横隔板1横隔板2平面图立面图足尺试验模型构造支座支座加载点支座支座3.1.3足尺模型疲劳试验241A-A截面4左右300300150125005001020106250支座7×600=42008STC层大样11#2#3#4#5#6#7#支座足尺试验模型构造剪力钉间距3.1.3足尺模型疲劳试验254试验情况剪力钉和钢筋布置桥盒与动位移计疲劳试验静载图3.1.3足尺模型疲劳试验26134疲劳试验结果疲劳试验中，控制弧形切口边缘的主拉应力幅为68.2MPa，即为1.0倍的实桥设计疲劳应力幅。结果表明，在经历592万次疲劳循环后，圆弧切口处未出现任何疲劳裂纹。经历592万次疲劳循环后，足尺模型的其他疲劳细节和UHPC层均未出现疲劳开裂现象，模型的刚度也无明显衰减，表明在设计荷载作用下，钢-UHPC轻型组合桥面结构的抗疲劳寿命至少为592万次。3.1.4钢-UHPC结合面抗剪设计27134板钢筋网(a)立面图工字钢栓钉(b)侧视图(c)俯视图(d)栓钉尺寸工字钢顶板加载推出试验模型尺寸UHPC板的厚度为45-50mm，配置50×55mm直径8mm的冷拔带肋钢筋网，工字钢腹板、翼板及顶板厚度均为12mm，两侧各布置短栓钉4个，栓钉高度为35mm，直径13mm，布置间距为200mm×110mm。栓钉尺寸3.1.4钢-UHPC结合面抗剪设计28试验情况试验现场模型试件破坏形态3.1.4钢-UHPC结合面抗剪设计29134试件编号A-1A-2A-3A-4UHPC层厚（mm）50455050自然粘结情况无有有有试件抗剪承载力（kN）328534413413单个栓钉的抗剪承载力（kN）41.0066.7551.6351.63试验结果栓钉的实测抗剪承载力为51.63～66.75kN，大于理论计算值。在轻型组合桥面中，钢-UHPC结合面间存在自然粘结，计算所得UHPC中短栓钉的抗剪承载力是偏于安全的。钢-UHPC组合梁模型3.1.4钢-UHPC结合面抗剪设计30134钢-UHPC组合梁模型短栓钉疲劳试验钢面板顶面涂刷油脂疲劳试验模型3.1.4钢-UHPC结合面抗剪设计31134试验结果根据欧洲规范Eurocode4规定，栓钉的抗剪S-N曲线计算公式，得到实桥应力幅下的加载次数为88135.5377.41()200()225890048.8848.88N（万次)按照前述短栓钉试验中的B-1脱粘试件的疲劳试验结果可得：8290()8.21100(48.88N万次）栓钉布置方式完全能够满足实桥抗剪疲劳使用要求，栓钉不会先于钢桥面板发生疲劳破坏。3.1.5UHPC接缝研究32134后浇筑局部加强钢筋先浇筑钢筋先浇筑STC层接缝钢面板钢板接缝焊接栓钉后浇筑STC层接缝磨耗层栓钉钢板接缝钢面板钢筋先浇筑先浇筑接缝示意图试验模型分别设计了配置Φ6、Φ8、Φ10和Φ12不同型号局部加强钢筋的接缝形式。3.1.5UHPC接缝研究33134接缝试验预制段UHPC板焊接钢筋接缝凿毛处理模型加载试验3.1.5UHPC接缝研究341接缝处抗裂能力较弱，应将接缝设置在低应力的位置，即横隔板跨中位置，以确保接缝不开裂4接缝加强筋直径/mmΦ6Φ8Φ10Φ12UHPC开裂应力/MPa13.216.619.421.8接缝试验结果UHPC局部最大拉应力3.1.6UHPC层的破损修补技术3534待修补区域UHPC的初期切分风镐对切割区域的UHPC层局部破碎，表面露出钢筋头拉拔钢筋，破碎需要修补区域的UHPC层风镐清除粘在钢板上的UHPC清理桥面，检查剪力钉，及时更换受损的剪力钉修补区域周边凿除10倍钢筋直径宽的UHPC，以露出钢纤维焊接连接用的短钢筋和接长钢筋浇筑UHPC层，高温蒸养，完成破损区域的修补施工UHPC破损拆除及修补流程桥面清理3.1.6UHPC施工工艺流程36UHPC施工工艺流程异型加强钢板焊接栓钉焊接钢筋网铺设接缝钢筋搭接3.1.6UHPC施工工艺流程3734UHPC施工工艺流程UHPC浇筑UHPC抹平UHPC保湿养护3.1.6UHPC施工工艺流程383UHPC施工工艺流程高温蒸汽养护UHPC层表面糙化面层铺筑3.1.7成果效益39项目单位综合单价(元)A.钢-STC超高性能轻型组合加劲梁（薄层磨耗层铺装）B.常规钢加劲梁（环氧沥青混凝土铺装）数量建设成本(万元)更换次数全寿命成本(万元)数量建设成本(万元)更换次数全寿命成本(万元)桥面系用钢t1400014151,98101,98116172,26302,263STC层m2180067501,21501,2150000磨耗层m280675054116480000环氧沥青m21600000067501,0801112,960总投资万元3,2503,8443,34315,223静态成本差(B-A)万元建设成本节省94万元，全寿命成本节省1.13亿元2016年6月~8月株洲市枫溪大桥UHPC桥面铺装施工主要内容3.纤维增强复合材料缠包带2.钢-UHPC轻型组合桥面1.概述403.2纤维增强复合材料缠包带4113纤维增强复合材料缠包带应用研究枫溪大桥主缆防护设计2纤维增强复合材料缠包带试验研究3纤维增强复合材料缠包带现场施工4国内外主缆防护现状113.2.1国内外主缆防护现状42传统腻子涂装系统主要是对主缆外表面进行封闭，以阻止和隔绝水分、盐和其它腐蚀物质对主缆钢丝的腐蚀，将不可避免会产生裂纹(a)美国金门大桥主缆生锈(b)英国Forth桥主缆生锈(c)日本大岛大桥主缆生锈国内悬索桥主缆腐蚀情况国内外悬索桥主缆腐蚀情况美国布朗公司开发的纤维增强复合材料缠包带代替传统的腻子涂料系统，将预制的高强度、高模量、高延伸率布朗带缠绕在主缆表面，逐段采用热熔连接3.2.1国内外主缆防护现状43挪威哈当厄尔大桥主缆采用布朗带防护3.2.1国内外主缆防护现状4413枫溪大桥在主缆缠绕钢丝的外层缠绕纤维增强复合材料缠包带进行综