钢与混凝土组合结构 材料创新带来技术革命——钢-UHPC组合结构桥梁的工程实践.docVIP

钢与混凝土组合结构 材料创新带来技术革命——钢-UHPC组合结构桥梁的工程实践 传统的正交异性钢桥面柔性铺装体系存在钢结构易疲劳开裂和钢桥面铺装容易出现病害的难题，同时普通混凝土组合结构存在负弯矩区设计难度大，耐久性相对较差的难题。钢-UHPC组合桥梁能降低主梁结构重量，提高结构承载力，增加桥梁耐久性，能有效解决上述难题。其结构型式是在正交异性钢桥面上焊接栓钉、铺设钢筋网、浇筑5cm 左右的UHPC层，形成钢-UHPC组合桥面；在无顶板的钢梁（或钢桁架）上通过栓钉和湿接缝连接预制UHPC桥面板， 形成UHPC组合梁。 UHPC组合结构具有以下特点：1、强度高。UHPC抗压强度是普通混凝土的4倍左右，抗折强度是普通混凝土的10 倍以上。密配筋UHPC的抗弯开裂名义应力可达到40MPa以上，具有超高强度。2、韧性好。UHPC梁开裂挠跨比可达到1/80，具有超强韧性。3、耐久性好。采用细集料密实级配，密实度高，各项耐久性指标远超普通混凝土，具有超强耐久性。4、刚度大。(50mmUHPC+12mm钢顶板) 组合桥面相当于40mm厚钢板，局部刚度大幅提高，可有效解决正交异性钢桥面疲劳开裂和桥面铺装易破损的难题。5、自重轻。UHPC组合梁的混凝土厚度仅为普通桥面板的1/2～1/3, 主梁自重降低20%～30%；自重的降低增大组合梁的适用跨径；较轻的主梁特别适合于软土地基。6、施工方便。UHPC材料水胶比仅0.16左右，和易性优异，可自动布料和振捣，有利于自动化和规模化施工。UHPC组合结构的轻型化，更有利于桥梁结构的预制、拼装和运输。 工程案例 株洲枫溪大桥 图1 株洲枫溪大桥 该桥为双塔单跨自锚式悬索桥， 跨径布置为3×45m+300m+3×45m，主梁采用混合梁形式。钢箱加劲梁梁高3.5m,梁宽32m,横隔板间距3.0m；加劲梁纵肋采用U肋，顶板厚度14mm；组合桥面的UHPC厚度50mm，上铺50mm沥青混凝土磨耗层（图2）。该桥采用钢-UHPC组合桥面后的钢结构疲劳应力及全寿命周期桥面维修养护成本对比情况见表1、表2。 表1 枫溪大桥桥面疲劳应力对比 表2 枫溪大桥全寿命周期桥面维修养护成本对比 临岳高速岳阳洞庭湖大桥 图3 临岳高速岳阳洞庭湖大桥 该桥为双塔双跨地锚式悬索桥 跨径布置为1480m+453.6m。采用板桁结合加劲梁，梁高9.0m，梁宽35.4m。 标准节段长16.8m，节间距8.4m。加劲梁桥面系的纵肋采用U肋，顶板厚度12mm；UHPC厚度50mm，上铺30mm沥青混凝土磨耗层。该桥采用钢-UHPC组合桥面后的钢结构疲劳应力及全寿命周期桥面维修养护成本对比情况见表3、表4。 表3 桥面疲劳应力对比 表4 全寿命周期桥面维修养护成本对比 湘潭昭华大桥 图4 湘潭昭华大桥 该桥为独塔自锚式悬索桥， 跨径布置为44.76m+168m+228m +45m+44.68m。钢箱加劲梁梁高3.5m,梁宽39.5m。桥面形式为球扁钢加劲肋组合桥面。加劲梁纵肋采用球扁钢纵肋，顶板厚度12mm；组合桥面的UHPC厚度50mm，上铺30mm沥青混凝土磨耗层（图5）。该桥采用钢-UHPC组合桥面后的钢结构疲劳应力及全寿命周期桥面维修养护成本对比情况见表5、表6。 图5 UHPC轻型组合桥面 表5 桥面疲劳应力对比 表6 全寿命周期桥面维修养护成本对比 南益高速胜天大桥 图6 初步方案—普通混凝土组合梁 图7 优化方案—UHPC组合梁 该桥为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，跨径布置： 181.95m+450m+181.95m。由于洞庭湖软基地区，地基承载力低，地质条件复杂。初步设计方案的桥面板较厚(28cm)（图6），导致主梁自重较大，基础桩长超过110m。因此，减轻主梁自重非常重要。优化方案后，采用22cm厚华夫板，由8cm厚面板+14c m纵横肋组成，平均厚度仅为16cm（图7），大大减轻了主梁重量，节省了基础工程量， 其与普通混凝土组合梁比较情况见表7。 表7 主梁方案比较 设计理论 收缩性能 经试验，自然养护下，UHPC组合桥面28天收缩应变162με，且有继续发展的趋势，其收缩应变较大。而蒸汽养生的U H P C 组合桥面， 5 天后收缩应变稳定在 70～76με。因此，UHPC应进行高温蒸养以减小其收缩。收缩次内力方面，以洞庭湖大桥为例，其UHPC 收缩产生的主拉应力仅1.6MPa，钢桥面板等效应力为4.3MPa，钢纵横肋等效应力为4.1MPa，收缩产生的影响几乎可忽略不计。 合理构造 正交异性钢桥面有6个容易开裂的疲劳细节，使用U肋组合桥面弧形切口，疲劳应力幅仅降低20%左右，有较大改进空间。需研究组合桥面纵肋合理构造，以提高其抗疲劳性能。经研究，不同加劲形式的组合桥面均能不同程度降低疲劳应力，但降幅有较大的差别，表