超高性能混凝土组合结构在桥梁工程中的应用与展望

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钢桥的两个公认难题
解决钢桥面的开裂与铺装损坏的常规思路
常规 钢桥面
加大钢桥面厚度 ? 改进钢构造细节 ?
桥面铺装（50～75mm）
钢桥面板
无法从根本上解决问题！
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超高性能混凝土组合结构解决钢桥难题
解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的新思路 超高性能混凝土轻型组合桥面
磨耗层（15～30mm）
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人行桥、铁路桥 顶棚、外墙等
应用与研究现状
桥名
Sherbrooke Pedestrian Bridge Bourg-Les-Valence Bridges Sunyudo (Peace) Footbridge Sakata-Mirai Footbridge Caland Bridge Sainte Pierre La Cour Bridge Shepherd's Creek bridge Mars Hill Bridge Torisaka River Bridge Gaertnerplatz Bridge Jakway Park Bridge Wild bridge 滦柏干渠大桥 马房大桥
加拿大 Sherbrooke桥
法国 Bourg-lès-Valence OA4 桥
2001年，世界上第一座 UHPC 公路桥--法国 OA4 公路桥
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应用与研究现状
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
2010年，世界上第一座UHPC公路拱桥--奥地利 WILD 桥
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超高性能混凝土定义
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！
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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 料性能的大跨越！
板肋
球扁钢
正球扁钢
纵肋开口形式
原方案
球扁钢肋
板肋苹果开口
板肋圆弧开口
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关键构造设计研究
接缝方案
传统直线接缝
异形钢板接缝
锯齿接缝
加粗钢筋接缝
斜向接缝
矩形接缝
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疲劳性能研究
指标 疲劳细节1(MPa) 疲劳细节2(MPa)
原方案 56.0 ——
球扁钢 41.2 39.9
板肋 苹果形开口 32.7 17.9
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
株洲枫溪大桥 湘潭昭华大桥 临岳高速洞庭湖大桥
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2.1 超高性能混凝土组合结构解决钢桥难题
制约钢桥发展的最大技术瓶颈！
钢桥面 铺装极 易损坏
1400~2000元/m2 寿命仅5~10年
钢结构易 出现疲劳 开裂
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。
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超高性能混凝土组合结构解决组合梁桥难题
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
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
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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
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1.1 超高性能混凝土定义
超高性能混凝土（ Ultra-High Performance Concrete），简称UHPC
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。
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2.3 其他桥梁工程应用
工程应用—湘潭昭华大桥
磨耗层（15～30mm） UHPC薄层（40～60mm）
钢筋网
焊 球扁钢纵肋 钉
钢面板
顶板钢板12mm+UHPC层50 mm+磨耗层厚30 mm。
UHPC薄层（40～60mm） 钢筋网 焊 U 肋 钉
钢面板
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Φ10mmHRB400级钢筋。
栓钉尺寸 Φ13×40 mm，布置间距约300×250 mm 。
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2.3 其他桥梁工程应用
工程应用—湘潭昭华ห้องสมุดไป่ตู้桥
桥址
加拿大 法国 韩国 日本 荷兰 法国 澳大利亚 美国 日本 德国 美国 奥地利 中国 中国
年份
1997 2001 2002 2002 2003 2005 2005 2006 2006 2007 2008 2010 2006 2011
跨径/m
60 22.5 120 50.2 19 15 33.5 45 36 15.6 70 20 64
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
桥型
桁架梁人行桥 两跨连续梁公路桥 中承式拱桥人行桥 简支梁人行桥 钢桥面公路桥 简支梁公路桥 简支斜梁公路桥 简支梁公路桥 波纹钢腹板梁公路桥 空间桁架人行桥 三跨简支梁公路桥 上承式拱桥 低高度梁铁路桥 简支钢混组合梁 9
应用与研究现状
1997 年，世界上首个 UHPC 工程--加拿大Sherbrooke人行桥
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。
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1.3 超高性能混凝土组合结构解决桥梁难题
钢 桥 桥 面 超高性能混凝土轻型组合桥面
组合梁斜拉桥
超高性能混凝土轻型组合梁
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！
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主要内容
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3.2.1 结构设计
桩长>100m
软土地基，减轻主梁自重非常重要！
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结构设计
传统钢-混凝土组合梁： 桥面板平均厚31cm
UHPC层内钢筋采用Φ10mmHRB400级钢筋。
栓钉尺寸 Φ13×40 mm，布置间距约210×225mm 。
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2.4 小 结
轻型组合桥面 主梁型式 纵肋形式 施工方式
钢桁梁
板肋
预制拼装
钢箱梁
U肋
工地现浇
钢箱梁
球扁钢
工地现浇
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2.4 小 结
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。
2.1～8.2 8.5～19.2 ≤101.5 ≤93.4 ≤110.9 ≤123.6
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全寿命静态投入对比
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:
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超高性能混凝土轻型组合梁的构思
用于梁式桥
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
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超高性能混凝土轻型组合梁的构思
UHPC面板
钢 梁
钢横梁
应用于斜拉桥的 超高性能混凝土 轻型组合梁
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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
传统的正交异性钢桥面
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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% 构件
UHPC 钢桥面板 吊点横梁 非吊点横梁 横肋 纵向加劲肋
正交异性钢桥面方案
—— 12.37～73.21 ≤255.95 ≤252.64 ≤119.74 ≤110.93
轻型组合桥面方案
UHPC薄层（40～60mm） 钢筋网 焊 钉
钢面板
常规 钢桥面
轻型组合桥面
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超高性能混凝土轻型组合桥面优点
磨耗层(6～8年) UHPC层（100年）
钢筋网及焊钉
桥面铺装 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！
20～50 2～5 30～40 0.12 1.3～2.1
RPC/普通
约4倍 约10倍 约1.2倍 约200倍 约20%
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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
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1.2 应用与研究现状
材料配合比 已较为成熟 制备工艺 材料性质 力学性能 全面研究中 耐久性 桥梁工程 建筑工程 工程应用 市政工程 军事工程 公交站台、井盖 机场跑道等
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
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材料性能研究
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
塑性收缩试验
基本性能试验
足尺模型收缩实测
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关键构造设计研究
纵肋选型
原方案
U肋
具有广阔的应用前景 !
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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
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3.1 超高性能混凝土组合结构解决组合梁桥难题
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。
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组合梁桥存在的难题
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Brozzetti J.研究认为，当连续梁跨度超过110m后，
设
施 验
计
工 收
6 6
附
录
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2.3 其他桥梁工程应用
工程应用—株洲枫溪大桥
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。
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2.3 其他桥梁工程应用
工程应用—株洲枫溪大桥
磨耗层（15～30mm）
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结构设计
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
桥面系: 钢桥面板+UHPC+磨耗层： 顶板厚:12mm
75mm 沥青铺装 16mm 钢桥面板
纵 肋：210mm×14mm板肋，间距400mm
UHPC层：50mm 磨耗层（铺装层）：30mm
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应用与研究现状
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
UHPC 锚固介质 UHPC 锚固介质
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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
超高韧性
全寿命周期成本低；
通常5年就开裂
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钢桥的两个公认难题
难题之一----钢桥面四大铺装病害
1. 开裂 2.推移
3. 坑槽
4.车辙
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钢桥的两个公认难题
难题之二----正交异性桥面板的疲劳裂缝
钢面板疲劳裂缝
横隔板焊缝疲劳裂缝 面板 纵肋
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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。
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2.2 在临岳高速洞庭湖大桥的应用与研究
岳阳洞庭湖大桥位于洞庭湖入长江口，是临岳高速的控制性工程。
北京 岳阳洞庭湖大桥
临岳高速
杭瑞高速
岳 阳
九 江 黄 山
杭 州
瑞 丽
昆 明
贵 阳
吉 首
23
23
2.2.1 结构设计
1480+453.6m 双塔双跨 钢桁梁 悬索桥
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结构设计
板桁结合型加劲梁 桁高9.0m，宽35.4m
板肋 圆弧形开口 22.2 31.2
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修补技术研究
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
修补区域接缝试验模型
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2.2.3 技术规程
《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》
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规程主要内容
1
总则、范围、规程性引用文件、术语和符号 材料及性能
23 4 5----百科5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
混凝土类型
抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa） 弹性模量（GPa） 材料断裂韧性（kj/m2） 徐变系数
RPC200
170～230 30～60 40～60 20～40 0.29～0.31
普通混凝土