超高性能混凝土组合结构在桥梁工程中的应用与展望

1超高性能混凝土组合结构在桥梁工程中的应用与展望胡建华北京2015.092主要内容一、超高性能混凝土简介二、轻型组合桥面的应用与研究三、轻型组合梁斜拉桥的应用与研究四、展望3超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete），简称UHPC活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete），简称RPC注浆纤维混凝土（SlurryImpregnatedReinforcedConcrete），简称SIFCON压密配筋复合材料（CompactedReinforcedComposites），简称CRC1.1超高性能混凝土定义4以RPC为基础的UHPC材料研究与应用，为当今水泥基材料发展的主要方向！超高性能混凝土定义5活性粉末混凝土RPC，是90年代中期法国Bouygues公司Richard等人研制出的一种超高性能混凝土；是近三十年来最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越！----百度百科超高性能混凝土定义6混凝土类型RPC200普通混凝土RPC/普通抗压强度（MPa）170～23020～50约4倍抗折强度（MPa）30～602～5约10倍弹性模量（GPa）40～6030～40约1.2倍材料断裂韧性（kj/m2）20～400.12约200倍徐变系数0.29～0.311.3～2.1约20%“超高性能混凝土”包含两个方面“超高”:超高的力学性能和耐久性超高性能混凝土定义7骨料按最大密实度理论配置，以减少内部缺陷掺加纤维以增加强度与韧性超高性能机理毫米级骨料微米级水泥等亚微米级硅灰8材料性质材料配合比制备工艺力学性能耐久性工程应用桥梁工程建筑工程市政工程军事工程已较为成熟全面研究中人行桥、铁路桥顶棚、外墙等公交站台、井盖机场跑道等1.2应用与研究现状9应用与研究现状桥名桥址年份跨径/m桥型SherbrookePedestrianBridge加拿大199760桁架梁人行桥Bourg-Les-ValenceBridges法国200122.5两跨连续梁公路桥Sunyudo(Peace)Footbridge韩国2002120中承式拱桥人行桥Sakata-MiraiFootbridge日本200250.2简支梁人行桥CalandBridge荷兰2003-钢桥面公路桥SaintePierreLaCourBridge法国200519简支梁公路桥Shepherd'sCreekbridge澳大利亚200515简支斜梁公路桥MarsHillBridge美国200633.5简支梁公路桥TorisakaRiverBridge日本200645波纹钢腹板梁公路桥GaertnerplatzBridge德国200736空间桁架人行桥JakwayParkBridge美国200815.6三跨简支梁公路桥Wildbridge奥地利201070上承式拱桥滦柏干渠大桥中国200620低高度梁铁路桥马房大桥中国201164简支钢混组合梁101997年，世界上首个UHPC工程--加拿大Sherbrooke人行桥加拿大Sherbrooke桥应用与研究现状法国Bourg-lès-ValenceOA4桥2001年，世界上第一座UHPC公路桥--法国OA4公路桥11应用与研究现状2010年，世界上第一座UHPC公路拱桥--奥地利WILD桥2006年，我国第一座UHPC桥梁--青藏铁路滦柏干渠大桥青藏铁路滦柏干渠大桥奥地利WILD桥12在矮寨大桥，研发了一种由碳纤维材料为锚杆、超高性能混凝土UHPC为锚固介质的高性能岩锚体系应用与研究现状UHPC锚固介质UHPC锚固介质13抗压、抗拉强度高结构轻型化、薄壁化；结构致密、耐久性好全寿命周期成本低；超高韧性有利于提高结构的抗震、抗疲劳性能；和易性好养护与维修简便。应用与研究现状超高性能混凝土桥梁结构的技术特点141.3超高性能混凝土组合结构解决桥梁难题组合梁斜拉桥超高性能混凝土轻型组合梁钢桥桥面超高性能混凝土轻型组合桥面充分利用UHPC优异的材料性能，与钢结构组合可形成新型超高性能混凝土组合结构，从源头上解决桥梁工程难题！15主要内容一、超高性能混凝土简介二、轻型组合桥面的应用与研究三、轻型组合梁斜拉桥的应用与研究四、展望临岳高速洞庭湖大桥湘潭昭华大桥株洲枫溪大桥16钢结构易出现疲劳开裂钢桥面铺装极易损坏制约钢桥发展的最大技术瓶颈！1400~2000元/m2寿命仅5~10年通常5年就开裂2.1超高性能混凝土组合结构解决钢桥难题174.车辙难题之一----钢桥面四大铺装病害钢桥的两个公认难题3.坑槽2.推移1.开裂18纵肋面板钢面板疲劳裂缝难题之二----正交异性桥面板的疲劳裂缝钢桥的两个公认难题横隔板焊缝疲劳裂缝19钢桥的两个公认难题沥青铺装层的高温、疲劳性能和粘结强度不足；钢桥面板的刚度不足；应力幅过大（超载）；构造细节处理不当，焊接残余应力等偏大。出现两类病害的主要原因20加大钢桥面厚度?改进钢构造细节?解决钢桥面的开裂与铺装损坏的常规思路钢桥的两个公认难题常规钢桥面钢桥面板桥面铺装（50～75mm）无法从根本上解决问题！21焊钉磨耗层（15～30mm）UHPC薄层（40～60mm）常规钢桥面轻型组合桥面超高性能混凝土轻型组合桥面超高性能混凝土组合结构解决钢桥难题钢面板钢筋网解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的新思路22有效提高了桥面刚度，大幅降低钢桥面应力，延长抗疲劳寿命！可彻底解决钢桥面铺装易损难题！钢面板钢筋网及焊钉UHPC层（100年）磨耗层(6～8年)轻型组合桥面体系常规钢桥面体系超高性能混凝土轻型组合桥面优点桥面铺装2323岳阳洞庭湖大桥位于洞庭湖入长江口，是临岳高速的控制性工程。杭州临岳高速黄山九江岳阳吉首贵阳瑞丽昆明杭瑞高速北京2.2在临岳高速洞庭湖大桥的应用与研究岳阳洞庭湖大桥241480+453.6m双塔双跨钢桁梁悬索桥2.2.1结构设计25板桁结合型加劲梁桁高9.0m，宽35.4m结构设计26结构设计桥面系:钢桥面板+UHPC+磨耗层：顶板厚:12mm纵肋：210mm×14mm板肋，间距400mmUHPC层：50mm磨耗层（铺装层）：30mm超高性能混凝土轻型组合桥面传统的正交异性钢桥面12mm钢桥面板50mmUHPC层30mm磨耗层16mm钢桥面板75mm沥青铺装27结构计算构件正交异性钢桥面方案轻型组合桥面方案UHPC——2.1～8.2钢桥面板12.37～73.218.5～19.2吊点横梁≤255.95≤101.5非吊点横梁≤252.64≤93.4横肋≤119.74≤110.9纵向加劲肋≤110.93≤123.6结构应力分析对比桥面钢板最大拉应力降低88%横梁最大主拉应力降低约60%28常规正交异性钢桥面方案沥青铺装10年更换一次，百年内需换9次:每次：1933.6m×30.5m×1800元/m2=1.06亿9×1.06亿=9.54亿轻型组合桥面方案磨耗层6年更换一次，百年内需换30.5次:每次：1933.6m×30.5m×80元/m2=471万16×0.047亿=0.75亿可节省：9.54-0.75=8.79亿全寿命静态投入对比29材料基本性能塑性收缩性能与塑性收缩开裂的预防蒸汽养护收缩性能材料性能研究塑性收缩试验足尺模型收缩实测基本性能试验30关键构造设计研究纵肋选型原方案球扁钢肋板肋苹果开口板肋圆弧开口纵肋开口形式正球扁钢球扁钢板肋U肋原方案31关键构造设计研究接缝方案斜向接缝锯齿接缝矩形接缝传统直线接缝加粗钢筋接缝异形钢板接缝32疲劳性能研究指标原方案球扁钢板肋苹果形开口板肋圆弧形开口疲劳细节1(MPa)56.041.232.722.2疲劳细节2(MPa)——39.917.931.233拆除破损区域的高强度UHPC修补时新旧UHPC接缝的处理砂轮机切断UHPC及钢筋修补技术研究修补区域接缝试验模型34《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》2.2.3技术规程35规程主要内容613456材料及性能设计施工验收附录总则、范围、规程性引用文件、术语和符号236混凝土箱梁钢箱梁+轻型组合桥面混凝土箱梁主桥桥型：双塔自锚式悬索桥；跨径布置：3×45m+300m+3×45m；钢箱梁：高3.58m，宽32m。2.3其他桥梁工程应用工程应用—株洲枫溪大桥37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Φ13×40mm，布置间距约300×250mm。工程应用—株洲枫溪大桥2.3其他桥梁工程应用焊钉磨耗层（15～30mm）UHPC薄层（40～60mm）钢面板钢筋网U肋382.3其他桥梁工程应用工程应用—湘潭昭华大桥主桥桥型：独塔自锚式悬索桥；主桥跨径：44.76m+168m+228m+45m+44.68m；钢箱梁：高3.5m，宽39.5m。39顶板钢板12mm+UHPC层50mm+磨耗层厚30mm。UHPC层内钢筋采用Φ10mmHRB400级钢筋。栓钉尺寸Φ13×40mm，布置间距约210×225mm。2.3其他桥梁工程应用工程应用—湘潭昭华大桥焊钉磨耗层（15～30mm）UHPC薄层（40～60mm）钢面板球扁钢纵肋钢筋网402.4小结主梁型式纵肋形式施工方式轻型组合桥面钢箱梁钢箱梁钢桁梁U肋板肋球扁钢工地现浇工地现浇预制拼装41大幅度降低钢结构疲劳开裂的风险；解决钢桥面铺装极易损坏的难题；显著降低传统钢-混凝土组合结构的自重；基本可确保UHPC桥面板不开裂。具有广阔的应用前景!2.4小结42主要内容一、超高性能混凝土简介二、轻型组合桥面的应用与研究三、轻型组合梁斜拉桥的应用与研究四、展望43钢-混凝土组合梁充分利用钢受拉，混凝土受压的优势，具有良好的经济性。3.1超高性能混凝土组合结构解决组合梁桥难题44组合梁桥应用于大跨径桥梁时，其自重较大，负弯矩区域混凝土易开裂。法国学者BrozzettiJ.研究认为，当连续梁跨度超过110m后，钢-混凝土组合梁方案不合理；德国学者Svensson认为组合梁斜拉桥经济跨径上限为600m；悬索桥加劲梁自重完全由主缆承担，组合梁自重约为钢梁的2倍，悬索桥采用组合梁并不经济。组合梁桥存在的难题45新一代超高性能混凝土轻型组合梁—解决传统组合梁自重过大、易开裂的难题超高性能混凝土组合结构解决组合梁桥难题46磨耗层(8-40mm)UHPC板(80-140mm)用于梁式桥应用于连续梁的超高性能混凝土轻型组合梁超高性能混凝土轻型组合梁的构思47应用于斜拉桥的超高性能混凝土轻型组合梁超高性能混凝土轻型组合梁的构思UHPC面板钢横梁钢梁483.2在南益高速胜天大桥的应用与研究胜天大桥为南益高速的控制性工程，桥位地处洞庭湖平原软基地区主跨450m的双塔组合梁斜拉桥49桩长100m软土地基，减轻主梁自重非常重要！3.2.1结构设计50结构设计传统钢-混凝土组合梁：桥面板平均厚31cm51钢-UHPC组合梁：桥面板平均厚14cm，主梁自重可减约500kg/平方米(减35%)UHPC面板钢横梁钢U梁结构设计52设计依据2015/11/23美国联邦公路管理局UHPC华夫板设计指南53结构计算UHPC桥面板短期效应组合：上缘最大压应力为16.0MPa，最大拉应力为7.2MPa；下缘最大压应力为12.1MPa，最大拉应力为6.1MPa。整体计算模型局部计算模型54主梁形式常规组合梁轻型组合梁结构自重混凝土桥面板重量大组合梁重量轻索塔、斜拉索受力大，数量较多多可减少15%-20%索塔基础27根Φ2.8m的钻孔灌注桩22根Φ2.8m的钻孔灌注桩施工工期施工工期长可缩短施工工期约3～6个月耐久性存在桥面板开裂，钢筋锈蚀风险桥面板耐久性好建安费(万元)75206.7675005.20超高性能混凝土轻型组合梁优点55横向接缝钢横隔板传统组合梁桥面板接缝轻型组合梁无负弯矩接缝钢横隔板上部预埋斜拉桥轻型组合梁结构体系研究3.2.2关键技术研究适用于大跨斜拉桥的轻型组合梁合理结构形