正交异性轻型组合桥面新体系

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正交异性轻型组合桥面新体系
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工程应用
实桥施工
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正交异性轻型组合桥面新体系
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焊接桥面短栓钉
钢筋网及焊钉
桥面现浇50mm厚STC层
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STC桥面高温蒸汽养生
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正交异性轻型组合桥面新体系
荷载试验检测报告 工程应用
第三方检测报告
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正交异性轻型组合桥面新体系
正交异性轻型组合桥面
—解决正交异性钢桥面疲劳开裂、铺装层破损的难题
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正交异性轻型组合桥面新体系
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钢桥的难题
1. 钢桥桥面铺装频繁破损
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钢桥的难题
2. 钢结构疲劳开裂
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钢桥的难题
沥青铺装寿命短的根本原因：
预制UHPC“π” 形梁， 梁高与跨径之比约1/20； 单榀3m宽，跨径30m梁自 钢-UHPC“π” 形组合梁， 梁高与跨径之比约1/25； 单榀3m宽，跨径30m 梁自 重约 50t ， 每平米 5500 元。
STC 加固竣工，重车交通量大
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年。
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正交异性轻型组合桥面新体系
洞庭湖二大桥
洞庭湖二大桥（施工中）
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洞庭湖二大桥
桥型布置： 主桥悬索桥：（1480+453.6）m双塔双跨钢桁梁悬索桥
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洞庭湖二大桥
十年中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。
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一. 关于UHPC
“超高性能混凝土”包含两个方面‘超高’— —超高的力学性能和超高的耐久性
混凝土类型 抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa） UHPC 150~230 30~60 普通混凝土 20~50 2～ 5 UHPC/普通 约4倍 约10倍
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正交异性轻型组合桥面新体系
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轻型组合桥面新理念
超高性能轻型组合桥面
传统钢桥面
组合桥面
钢—STC轻型组合桥面优点：
（1）提高桥面局部刚度40倍以上，延长正交异性钢桥面抗 疲劳寿命超3倍。 （2）钢桥面铺装的难题不复存在。
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六年以来，完成了300余个相关试验
应力幅
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疲劳属局部受力问题，与桥型和跨径无关！
12.3 10.9 11.0 9.1 10.0
STC层拉应力幅（MPa）
10
5
0
马房大桥 佛陈大桥 海河大桥 礐石大桥 洞庭湖二桥 (1480m) (64m) (112.8m) (310m) (518m)
跨径
正交异性轻型组合桥面新体系
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2016茅以ຫໍສະໝຸດ Baidu基金会学术交流（北京）
正交异性轻型组合桥面新体系
研发与应用
邵旭东
2016年5月
一. 关于UHPC
超高性能混凝土UHPC
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一. 关于UHPC
摘自“百度百科”：
超 高 性 能 混 凝 土 ， 简 称 UHPC(Ultra-High Performance Concrete) ， 也称作 活性粉末混凝 土RPC (Reactive Powder Concrete)，是过去三
16mm厚钢桥面+沥青铺装(常规方案)： 正交异性钢桥面应力幅：76~161MPa 12mm厚钢桥面+50mmSTC(新方案)： 正交异性钢桥面应力幅：16~67MPa
(按国际焊接学会的标准，此应力幅将永不开裂）
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关键技术
STC的疲劳应力幅是否与跨径大小有关？
应用于湖南南洞庭湖大桥
(主跨450m斜拉桥)
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湖南省南-益高速公路胜天大桥
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南洞庭湖大桥
原方案：传统钢-混凝土组合梁，桥面板平均厚31cm
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纵向现浇缝A 南洞庭湖大桥
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技术规程
STC静力性能： 抗压强度120~160MPa 抗裂强度22.7~31.5MPa 抗疲劳强度(500万次)： STC：11.1~15.4MPa 栓钉：80MPa
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应用于马房桥（试验桥） 工程应用
轻型组合桥面结构
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天津海河大桥
2 000
独塔斜拉桥，修建于2002年 主跨为310m，钢箱梁桥 2015年7月-8月，对钢桥面沥青铺装进行了翻修
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天津海河大桥
U肋焊缝开裂
顶板开裂
翻修前桥 面系病害
桥面铺装网裂
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桥面坑槽、开裂
正交异性轻型组合桥面新体系
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全预制快速架设 UHPC 梁式桥结构
研发了两种轻型UHPC华夫板“π”形梁结构
类型一： 预制UHPCπ形梁
类型二： 钢- UHPCπ形组合梁
整片π形梁预制，现场仅浇筑纵缝
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类型二：钢-UHPC“π” 形组合梁
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天津海河大桥
钢筋网
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浇筑STC
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天津海河大桥
STC 蒸汽养护
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STC 未见开裂
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正交异性轻型组合桥面新体系
天津海河大桥
海河大桥经本次 STC加固后，今后 维护费用将极低， 正交异性钢桥面开 裂年限至少推迟20
2.焊接应力难以估计。
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钢桥的难题
为缓解病害，国外尝试水泥基材料作为钢桥面的铺装层，即刚性铺装。如： （1）密配筋高性能混凝土RHPC (Reinforced High Performance Concrete) （2）钢纤维混凝土SFRC (Steel Fiber Reinforced Concrete)
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应用于佛陈大桥 （跨径112.8m钢连续梁）
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广东佛山佛陈大桥
焊接栓钉
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绑扎钢筋
STC浇筑、振捣
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广东佛山佛陈大桥
STC高温蒸汽养护
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养护结束
铺筑铺装层 2014年底竣工
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工程应用
除STC方案外，马房大桥桥面铺装翻修 （2010年-2011年）还采用了其他4种方案。
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工程应用
运营4年后…
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工程应用
1-9跨
第1-9跨橡胶沥青 坑槽、开裂、钢板外露
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正交异性轻型组合桥面新体系
组合桥面研究成果受到国际桥梁界高度关注，发表的论文
已连续4个月位于ASCE阅读榜之首（每日更新）
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其它基于UHPC的桥梁结构研发
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钢-UHPC轻型组合梁
—解决传统组合梁自重过大，易开裂的难题
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弹性模量（GPa）
徐变系数 氯离子扩散系数（m2/s） 电阻率（kW·cm）
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40~60
0.2~0.3 >1× 10-11 1133
30~40
1.4~2.5 <0.01 ×10-11 96 (C80)
约1.2倍
约15%
1/100
约12倍
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正交异性轻型组合桥面新体系
一. 关于UHPC
UHPC
不同材料等强度对比
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一. 关于UHPC
韩国制定了《Super Bridge 200》大型研究项目，核心 是以UHPC为主要材料，研发寿命200年的桥梁技术。
韩国超级桥梁200
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普通混凝土寿命50年
UHPC寿命200年
（海洋环境）
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钢-UHPC轻型组合梁
钢-UHPC轻型组合梁由钢梁+UHPC桥面板组成
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钢-UHPC轻型组合梁
自重仅为传统钢-混凝土组合梁的60%左右； 基本无开裂风险
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钢-UHPC轻型组合梁
日本横滨港湾大桥SFRC钢桥面铺装开裂
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超高性能轻型组合桥面
综合解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的桥面新体系：
铺装层 (6~40mm) STC 层 (35~60mm) 栓钉和钢筋
钢面板
轻型组合桥面 基于UHPC，研发成功专用于钢桥面的超高韧性混凝土（STC）材料， 克服了收缩、开裂、疲劳、薄层组合等一系列难题。
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类型二：钢-UHPC“π” 形组合梁
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类型二：钢-UHPC“π” 形组合梁
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类型二：钢-UHPC“π” 形组合梁
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类型二：钢-UHPC“π” 形组合梁
RHPC铺装（荷兰）
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SFRC铺装（日本）
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正交异性轻型组合桥面新体系
钢桥的难题
但实践表明，由于混凝土抗拉强度低，收缩、局部应力大，混凝土 层易出现开裂现象。
照片来自： Jun Murakoshi,Naoki Yanadori. Research on Steel Fiber Reinforced Concrete Pavement on Orthotropic Steel Deck[A].Proceeding of The 2nd International Orthotropic Bridge Conference [C].2008.
应用于广东肇庆马房桥
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工程应用
广东肇庆马房大桥（公、铁两用桥） 马房大桥建成于1984年，为14 × 64米简支钢箱梁。 由于桥面板刚度小，交通量大，重车多，桥面铺装频繁破损。
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工程应用
马房桥钢桥面铺装层病害
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工程应用
第11跨
STC层完好
铺装层完好
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工程应用
2013年11月通过了鉴定 郑皆连、聂建国院士等
鉴定委员上桥察看，未见 任何裂缝
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经对比，使用效果显著 优于其它铺装方案。
具有广阔的应用前景， 达到国际领先水平。
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荷载试验检测报告 工程应用
国家级权威检测机构：铁科院检测中心分别于2011 年、2012和2014年对马房桥做了3次加载检测。结论： 未见STC开裂破损的现象； STC完成后，钢构件应力明显下降，相对于原铺装状 态，应力降低幅度达 80%～92%，三次检测性能不变。
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工程应用
第10跨
第10跨日本环氧沥青 开裂、车辙
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工程应用
第12跨
第12跨SPS夹心层
开裂、车辙
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工程应用
13-14跨
第13-14跨聚合物混凝土
严重破损、钢板外露
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正交异性轻型组合桥面新体系
设计目标：
做100年不开裂的桥面
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正交异性轻型组合桥面新体系
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洞庭湖二大桥
板桁结合型加劲梁 桁高9.0m，宽35.4m
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正交异性轻型组合桥面新体系
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洞庭湖二大桥
钢结构疲劳模型足尺试验
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横隔板应变测试
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正交异性轻型组合桥面新体系
洞庭湖二大桥
采用钢-UHPC轻型组合桥面的效果：
700
纵向现浇缝 B
140 80
边箱梁
200 250 180 250
中腹
1260
13390
新方案：钢-UHPC组合梁，桥面板平均厚14cm 主梁自重690kg/平方米(比原设计减38%)
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正交异性轻型组合桥面新体系
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UHPC城市高架桥梁
—实现轻型化、快速架设、降低建筑高度
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夏天： 钢桥面70℃ 沥青软化+ 重载碾压 冬天： 沥青硬化， 弹模增10倍 高应力状 态 沥青铺装 内部损伤 （车辙） 雨水侵入
加速 损坏
细微裂纹
属高温、重载、雨水耦合效应，但从未做过耦合试验！
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正交异性轻型组合桥面新体系
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钢桥的难题
正交异性钢桥面早期开裂的原因：
1.疲劳应力幅过大；