超高性能混凝土组合结构在桥梁工程中的应用与展望.pdf

1 超高性能混凝土组合结构 在桥梁工程中的应用与展望 胡建华胡建华 北京北京 2015.09 2 主要内容 一、超高性能混凝土简介一、超高性能混凝土简介 二、轻型组合桥面的应用与研究二、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三、轻型组合梁斜拉桥的应用与研究 四、四、 展展 望望 3 超高性能混凝土（超高性能混凝土（ Ultra-High Performance Concrete），简称），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 1.1 超高性能混凝土定义 4 以以RPC为基础的为基础的UHPC材料研究与应用，为当今水泥材料研究与应用，为当今水泥基材料发展的主要方向！基材料发展的主要方向！ 超高性能混凝土定义 5  活性粉末混凝土活性粉末混凝土RPC，是，是90年代中期法国年代中期法国Bouygues公司公司Richard等人研制出的一种超高性能混凝土；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 混凝土类型混凝土类型 RPC200 普通混凝土普通混凝土 RPC/普通普通 抗压强度（抗压强度（MPa）） 170～～230 20～～50 约约4倍倍 抗折强度（抗折强度（MPa）） 30～～60 2～～5 约约10倍倍 弹性模量（弹性模量（GPa）） 40～～60 30～～40 约约1.2倍倍 材料断裂韧性（材料断裂韧性（kj/m2）） 20～～40 0.12 约约200倍倍 徐变系数徐变系数 0.29～～0.31 1.3～～2.1 约约20% “超高性能混凝土”“超高性能混凝土” 包含两个方面“超高”包含两个方面“超高”: 超高的超高的 力学性能力学性能和和耐久性耐久性 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掺加纤维以增加强度与韧性 超高性能机理 毫米级毫米级骨料骨料 微米级微米级水泥水泥等等 亚微米级亚微米级硅灰硅灰 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 桥桥 名名 桥桥 址址 年年 份份 跨径跨径/m 桥桥 型型 Sherbrooke Pedestrian Bridge 加拿大加拿大 1997 60 桁架梁人行桥桁架梁人行桥 Bourg-Les-Valence Bridges 法国法国 2001 22.5 两跨连续梁公路桥两跨连续梁公路桥 Sunyudo (Peace) Footbridge 韩国韩国 2002 120 中承式拱桥人行桥中承式拱桥人行桥 Sakata-Mirai Footbridge 日本日本 2002 50.2 简支梁人行桥简支梁人行桥 Caland Bridge 荷兰荷兰 2003 - 钢桥面公路桥钢桥面公路桥 Sainte Pierre La Cour Bridge 法国法国 2005 19 简支梁公路桥简支梁公路桥 Shepherd's Creek bridge 澳大利亚澳大利亚 2005 15 简支斜梁公路桥简支斜梁公路桥 Mars Hill Bridge 美国美国 2006 33.5 简支梁公路桥简支梁公路桥 Torisaka River Bridge 日本日本 2006 45 波纹钢腹板梁公路桥波纹钢腹板梁公路桥 Gaertnerplatz Bridge 德国德国 2007 36 空间桁架人行桥空间桁架人行桥 Jakway Park Bridge 美国美国 2008 15.6 三跨简支梁公路桥三跨简支梁公路桥 Wild bridge 奥地利奥地利 2010 70 上承式拱桥上承式拱桥 滦柏干渠大桥滦柏干渠大桥 中国中国 2006 20 低高度梁铁路桥低高度梁铁路桥 马房大桥马房大桥 中国中国 2011 64 简支钢混组合梁简支钢混组合梁 10  1997 1997 年，年，世界上首个世界上首个 UHPC UHPC 工程工程----加拿大加拿大SherbrookeSherbrooke人行桥人行桥 加拿大 Sherbrooke桥 应用与研究现状 法国 Bourg-lès-Valence OA4 桥  20012001年，年，世界上第一座世界上第一座 UHPC UHPC 公路桥公路桥----法国法国 OA4 OA4 公路桥公路桥 11 应用与研究现状  20102010年，年，世界上第一座世界上第一座UHPCUHPC公路拱桥公路拱桥----奥地利奥地利 WILD WILD 桥桥  20062006年，年，我国第一座我国第一座 UHPC UHPC 桥梁桥梁----青藏铁路滦柏干渠大桥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，在矮寨大桥，研发了一种由研发了一种由碳纤维材料为碳纤维材料为锚杆、超高性锚杆、超高性能混凝土能混凝土UHPCUHPC为锚固为锚固介质介质的高性能的高性能岩锚体系岩锚体系 应用与研究现状 UHPC UHPC 锚固介质锚固介质 UHPC UHPC 锚固介质锚固介质 13  抗压抗压、、抗拉强度高抗拉强度高 结构轻型化结构轻型化、、薄壁化；薄壁化；  结构致密结构致密、、耐久性好耐久性好 全寿命周期成本低；全寿命周期成本低；  超高韧性超高韧性 有利于提高结构的抗震有利于提高结构的抗震、、抗疲劳性能；抗疲劳性能；  和易性好和易性好 养护与维修简便养护与维修简便。

应用与研究现状 超高性能混凝土桥梁结构的技术特点超高性能混凝土桥梁结构的技术特点 14 1.3 超高性能混凝土组合结构解决桥梁难题 组合梁斜拉桥组合梁斜拉桥 超高性能混凝土轻型组合梁超高性能混凝土轻型组合梁 钢钢 桥桥 桥桥 面面 超高性能混凝土轻型组合桥面超高性能混凝土轻型组合桥面 充分利用充分利用UHPCUHPC优异的材料性能优异的材料性能，，与钢结构组合可形成与钢结构组合可形成 新型超高性能混凝土组合结构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一、超高性能混凝土简介 二、轻型组合桥面的应用与研究二、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三、轻型组合梁斜拉桥的应用与研究 四、四、 展展 望望 临岳高速洞庭湖大桥临岳高速洞庭湖大桥 湘潭昭华大桥湘潭昭华大桥 株洲枫溪大桥株洲枫溪大桥 16 钢结构易钢结构易 出现疲劳出现疲劳 开裂开裂 钢桥面钢桥面 铺装极铺装极 易损坏易损坏 制约钢桥发展的最大制约钢桥发展的最大技术瓶颈！技术瓶颈！ 1400~20001400~2000元元/m/m2 2 寿命仅寿命仅5~105~10年年 通常通常5 5年就开裂年就开裂 2.1 超高性能混凝土组合结构解决钢桥难题 17 4.4.车辙车辙 难题之一难题之一--------钢桥面四大铺装病害钢桥面四大铺装病害 钢桥的两个公认难题 3. 3. 坑槽坑槽 2.2.推移推移 1. 1. 开裂开裂 18 纵肋纵肋 面板面板 钢面板疲劳裂缝钢面板疲劳裂缝 难题之二难题之二--------正交异性桥面板的疲劳裂缝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；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；钢桥面板的刚度不足；  应力幅过大（超载）；应力幅过大（超载）；  构造细节处理不当，构造细节处理不当，焊接残余应力焊接残余应力等偏大。

等偏大 出现两类病害的主要原因出现两类病害的主要原因 20  加大钢桥面厚度加大钢桥面厚度 ?  改进钢构造细节改进钢构造细节 ? 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 常规常规 钢桥面钢桥面 钢桥面板钢桥面板 桥面铺装（桥面铺装（5050～～75mm75mm）） 无法从根本上解决问题！无法从根本上解决问题！ 21 焊焊 钉钉 磨耗层（磨耗层（1515～～30mm30mm）） UHPCUHPC薄层（薄层（4040～～60mm60mm）） 常规常规 钢桥面钢桥面 轻型组合桥面轻型组合桥面 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 钢面板钢面板 钢筋网钢筋网 解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的新思路解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的新思路 22  有效提高了有效提高了 桥面刚度，大幅降低桥面刚度，大幅降低 钢桥面应力，延长钢桥面应力，延长 抗疲劳寿命！抗疲劳寿命！  可彻底解决可彻底解决 钢桥面铺装易损钢桥面铺装易损 难题！难题！ 钢面板钢面板 钢筋网及焊钉钢筋网及焊钉 UHPCUHPC层（层（100100年）年） 磨耗层磨耗层(6(6～～8 8年年) ) 轻型组合桥面体系轻型组合桥面体系 常规钢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 桥面铺装桥面铺装 23 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。

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 岳岳 阳阳 吉 首 贵 阳 瑞 丽 昆 明 杭瑞高速 北京北京 2.2 2.2 在临岳高速洞庭湖大桥的应用与研究在临岳高速洞庭湖大桥的应用与研究 岳阳洞庭湖大桥 24 1480+453.6m 双塔双跨双塔双跨 钢桁梁钢桁梁 悬索桥悬索桥 2.2.1 2.2.1 结构设计结构设计 25 板桁结合型加劲梁板桁结合型加劲梁 桁高桁高9.0m9.0m，宽，宽35.4m35.4m 结构设计结构设计 26 结构设计结构设计 桥面系桥面系: 钢桥面板钢桥面板+UHPC+磨耗层：磨耗层：  顶板厚顶板厚:12mm  纵纵 肋：肋：210mm××14mm板肋，间距板肋，间距400mm  UHPC层：层：50mm  磨耗层（铺装层）：磨耗层（铺装层）：30mm 超高性能混凝土轻型组合桥面超高性能混凝土轻型组合桥面 传统的正交异性钢桥面传统的正交异性钢桥面 12mm 12mm 钢桥面板钢桥面板 50mm UHPC50mm UHPC层层 30mm 30mm 磨耗层磨耗层 16mm 16mm 钢桥面板钢桥面板 75mm 75mm 沥青铺装沥青铺装 27 结构计算结构计算 构件构件 正交异性钢桥面方案正交异性钢桥面方案 轻型组合桥面方案轻型组合桥面方案 UHPCUHPC ———— 2.12.1～～8.28.2 钢桥面板钢桥面板 12.3712.37～～73.21 73.21 8.58.5～～19.219.2 吊点横梁吊点横梁 ≤≤255.95255.95 ≤≤101.5 101.5 非吊点横梁非吊点横梁 ≤≤252.64252.64 ≤≤93.493。