超高性能混凝土组合结构在桥梁工程中的应用与展望.pptx

1、1,超高性能混凝土组合结构,在桥梁工程中的应用与展望,胡建华北京2015.09,主要内容,2,一、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,超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete），简称UHPC活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete），简称RPC注浆纤维混凝土（Slurry Impregnated Reinforced Concrete），简称SIFCON压密配筋复合材料（Compacted Reinforced Composites），简称CRC,3,1.1 超高性能混凝土定义,

2、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！,4,超高性能混凝土定义,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,5,料性能的大跨越！,-百度百科,超高性能混凝土定义,“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,6,超高性能混凝土定义,超高性能机理,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毫米级骨料 微米级水泥等亚微米级硅灰,7,材料性质,材料配合比,制备工艺,力学性能,耐久性,已较为成熟,全面研究中,1.2

3、 应用与研究现状,8,应用与研究现状,9,1997 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-ls-Valence OA4 桥,10,2001年，世界上第一座 UHPC 公路桥-法国 OA4 公路桥,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,11,2006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,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

4、,UHPC锚固介质,UHPC锚固介质,12,应用与研究现状,超高性能混凝土桥梁结构的技术特点抗压、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。,13,1.3 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！,14,主要内容,15,一、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,湘潭昭华大

5、桥临岳高速洞庭湖大桥,株洲枫溪大桥,钢桥面 铺装极 易损坏,制约钢桥发展的最大技术瓶颈！,16,14002000元/m2 寿命仅510年,钢结构易 出现疲劳 开裂通常5年就开裂,2.1 超高性能混凝土组合结构解决钢桥难题,4.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,17,2.推移,1.开裂,面板纵肋,难题之二-正交异性桥面板的疲劳裂缝钢面板疲劳裂缝,18,钢桥的两个公认难题,横隔板焊缝疲劳裂缝,钢桥的两个公认难题,出现两类病害的主要原因沥青铺装层的高温、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。,19,加大钢

6、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（5075mm）,无法从根本上解决问题！,20,焊钉,磨耗层（1530mm）,UHPC薄层（4060mm）,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,21,钢筋网及焊钉,磨耗层(68年)UHPC层（100年）,钢面板轻型组合桥面体系常规钢桥面体系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！,超高性能混凝土轻型组合桥面优点,桥面铺装,

7、22,23,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,23,1480+453.6m双塔双跨钢桁梁悬索桥,24,2.2.1 结构设计,板桁结合型加劲梁 桁高9.0m，宽35.4m,结构设计,25,结构设计,桥面系:钢桥面板+UHPC+磨耗层：顶板厚:12mm纵肋：210mm14mm板肋，间距400mmUHPC层：50mm磨耗层（铺装层）：30mm,超高性能混凝土轻型组合桥面30mm 磨耗层50mm UHPC层12mm 钢桥面板,传统的正交

8、异性钢桥面,75mm 沥青铺装16mm 钢桥面板,26,结构计算,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%,27,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：1933.6m30.5m 1800元/m2=1.06亿91.06亿=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：1933.6m30.5m 80元/m2=471万160.047亿=0.75亿可节省：9.54-0.75=8.79亿,28,全寿命静态投入对比,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,29,足尺

9、模型收缩实测,基本性能试验,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,30,原方案,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,31,疲劳性能研究,32,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,33,修补区域接缝试验模型,超高性能轻型组合桥面结构技术规程,2.2.3 技术规程,34,规程主要内容,66,1,3,4,5,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,2,35,混凝土箱梁,

10、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：345m+300m+345m；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,36,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（1530mm）,UHPC薄层（4060mm）,钢面板,U 肋顶板14mm钢板+UHPC层50 mm+沥青混凝土铺装厚50 mm。UHPC 层内钢筋采用10mmHRB400级钢筋。栓钉尺寸 1340 mm，布置间距约300250 mm。,钢筋网,37,2.3 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：44.7

11、6m+168m+228m+45m+44.68m；钢 箱 梁：高 3.5m，宽 39.5m。,38,2.3 其他桥梁工程应用,工程应用湘潭昭华大桥,球扁钢纵肋顶板钢板12mm+UHPC层50 mm+磨耗层厚30 mm。UHPC层内钢筋采用10mmHRB400级钢筋。栓钉尺寸 1340 mm，布置间距约210225mm。,39,2.4 小 结,主梁型式,40,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,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。

12、具有广阔的应用前景!,41,2.4 小 结,主要内容,42,一、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,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,43,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。,44,

13、组合梁桥存在的难题,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,45,超高性能混凝土组合结构解决组合梁桥难题,磨耗层(8-40mm)UHPC板(80-140mm),应用于连续梁的 超高性能混凝土轻型组合梁,46,超高性能混凝土轻型组合梁的构思,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,47,3.2 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,48,桩长100m,49,软土地基，减轻主梁自重非常重要！,3.2.1 结构设计,结构设

14、计,传统钢-混凝土组合梁：桥面板平均厚31cm,50,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,51,结构设计,设计依据,2015/11/23,美国联邦公路管理局UHPC华夫板设计指南,52,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,53,局部计算模型,54,超高性能混凝土轻型组合梁优点,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

15、系研究适用于大跨斜拉桥的轻型组合梁合理结构形式斜拉桥轻型组合梁接缝方案,55,3.2.2 关键技术研究,斜拉桥轻型组合梁结构设计理论及设计方法的研究轻型组合梁极限承载力轻型组合梁正常使用极限状态轻型组合梁疲劳性能轻型组合梁斜拉桥结构体系动力优化设计,关键技术研究,56,轻型组合梁斜拉桥施工及验收标准研究轻型组合梁的制备与性能控制研究轻型组合梁斜拉桥施工验收标准研究,关键技术研究,57,主要内容,58,一、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,展 望,面对琼州海峡、渤海湾和西部山区大峡谷等超长、超大跨越建设 需求，需要研发轻质、超高强的工程材

16、料，以提高桥梁的跨越能力、支 撑超大跨结构体系的创新。交通运输部冯正霖副部长,琼州海峡跨海通道方案效果图,59,可以满足结构大跨轻型化趋势的需要超高强度与高弹性模量，可有效减轻结构自重，能满足结构大跨轻 盈的趋势要求。超高性能混凝土轻型组合梁斜拉桥 技术经济跨径 可达1000m。,工程应用前景,60,工程应用前景,可以满足恶劣环境地区需要高耐久性和高致密性，可增加结构对恶劣环境的抵御能力，延缓 结构裂缝的产生，减缓钢筋锈蚀作用的发生，提高结构的使用寿 命，同时降低维修和加固费用及其对环境的影响。,61,工程应用前景,可以满足抗震设防等级较高的地区需要超高的强度，可使结构更轻，有效降低结构系统惯性荷载；极高的断裂能及高韧性，使构件可吸收更多的地震能，提高结构的抗震延性。,62,研究方向展望,63,UHPC的制备与性能控制UHPC基体结构的形成和演化UHPC纳米材料和多尺度纤维的增韧机理基于性能的UHPC的配合比设计理论UHPC的制备工艺过程控制机理UHPC的劣化机理UHPC及其组合结构基本力学性能配筋UHPC及其组合构件的静力性能和破坏机理配筋UHPC及其组合构件的抗震性能和破坏机理配筋