UHPC桥梁主结构新体系研发与工程应用-湖南院交流1207-邵旭东

UHPC桥梁主结构新体系研发与工程应用湖南省交通设计院技术交流·2018邵旭东（湖南大学UHPC桥梁研发团队）2018.12.7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用2关于UHPC主要内容2018/12/7不同材料等抗弯强度对比UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用3UHPC关于UHPC2018/12/7自重比：100%200%400%2018/12/7UHPC(Ultra-HighPerformanceConcrete)，即超高性能混凝土，系指抗压强度150MPa以上、具有超高韧性和超长耐久性的水泥基复合材料，由法国学者于1993年研发成功。UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用42018/12/7UHPC的超高韧性关于UHPC2018/12/75UHPC抗拉性能应变(με)应力(MPa)48普通混凝土，应变软化(strainsoftening)UHPC，应变硬化(strainhardening)不同混凝土的受拉性能UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用关于UHPC2018/12/76UHPC徐变性能国外关于UHPC徐变性能的实验结果（UHPC经高温蒸养，后期徐变仅为常规混凝土的20%）自然养生60℃蒸养80℃蒸养UHPC徐变性能UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用关于UHPC2018/12/77UHPC收缩性能国外关于UHPC收缩性能的实验结果（UHPC经高温蒸养后，不再有收缩应变）高温蒸养自然养生天应变蒸养期UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用关于UHPCUHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用8关于UHPC2018/12/7普通混凝土：50年寿命UHPC：200年寿命2018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用9关于UHPC2018/12/7意大利莫兰迪大桥1967年建成通车，2018年8月14日垮塌，寿命51年。结构冗余度低、海洋腐蚀环境应该是桥梁倒塌的主因。2018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用10UHPC桥梁主结构一：钢-UHPC轻型组合梁主要内容2018/12/7传统钢-混凝土组合梁的难题大跨组合结构桥梁主要难题11UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用2018/12/7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。12UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用大跨组合结构桥梁主要难题2018/12/7但应用于特大跨径桥梁时，自重仍然过大，负弯矩区域混凝土易开裂，易出现病害。德国学者Svensson认为组合梁斜拉桥经济跨径上限为600m。对于悬索桥，由于加劲梁自重完全由主缆系统承担，而组合梁的自重约为钢梁的2倍，采用组合梁并不经济。13UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用大跨组合结构桥梁主要难题2018/12/7钢-UHPC轻型组合梁由钢梁+UHPC桥面板组成钢-UHPC轻型组合梁14UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用授权发明专利：ZL200510031429.8、ZL201410478456.9、ZL201310749788.1、ZL201410840876.72018/12/7沥青铺装UHPC华夫板横隔板2018/12/715UHPC华夫桥面板UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用沥青铺装UHPC平板横隔板160减小材料用量的同时保证桥面板刚度，纵向刚度对比：UHPC平板UHPC华夫板面积/mm211200082600比值10.74单位宽度EI/mm31454080000017443985989比值11.20效率提高1.62倍！2018/12/716UHPC华夫桥面板UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用UHPC平板UHPC华夫板华夫板/平板尺寸/mm16080+294.74/面积/mm21120001120001单位宽度EI/mm314540800000846505980005.82若两种结构形式纵向UHPC截面面积相同：华夫板方案可以在节省材料的同时提高刚度，拥有更好的技术经济指标。UHPC华夫桥面板方案2018/12/717冲切验算轮胎横向尺寸600mm华夫桥面板纵肋净距500mm，故轮胎传下来的力始终有纵肋分担，不会出现单独的轮载作用于顶板的情况。UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用600200200200520520805050050018018018014030华夫板UHPC华夫桥面板方案2018/12/718冲切验算抗冲切承载力（kN）安全系数公预规196.742.8AFGC353.8473.580mm厚UHPC平板抗冲切承载能力验算上述安全系数明显偏大，原因是板厚已达80mm，按美国《DesignGuideforPrecastUHPCWaffleDeckPanelSystem,includingConnections》，桥面板的推荐厚度为63mm(2.5in)。UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用UHPC华夫桥面板方案2018/12/719已做冲切研究UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用UHPC华夫桥面板方案2018/12/720已做冲切研究试验值/公预规=4.3~5.7S1S2-1S2-2S3S4S5S6S7S9050100150200250300350400450抗冲切承载力(KN)试件编号公预规AFGC试验值UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用UHPC华夫桥面板方案2018/12/721国外工程浇筑方法UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用羽田机场跑道DUHPC华夫桥面板方案2018/12/722国外工程浇筑方法UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用2018/12/723UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用青龙洲大桥桥面板优选方案研究项目背景与概况2018/12/724总体布置青龙洲大桥为一座主跨260m的自锚式悬索桥，主跨主梁为钢-UHPC轻型组合梁，桥面板为肋底带钢板的UHPC肋板。UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用110米60米260米110米60米项目背景与概况2018/12/725节段布置青龙洲大桥每个节段长度为10.5m，宽36.5m，双向6车道，横隔板间距为3.5m。下部钢梁+上部UHPC带肋板UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用主要内容2018/12/726桥面板方案对比UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用对比方案2018/12/727方案一：UHPC华夫板（带纵肋与横肋）桥面板为UHPC配筋板，带有纵肋（间距65cm）与横肋（间距68cm）。UHPC纵肋横肋UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用对比方案2018/12/728方案二：UHPC华夫板（纵肋带有钢板条）桥面板为UHPC配筋板，带有纵肋（间距65cm）与横肋（间距68cm），其中纵肋底面带有8mm的钢板条。UHPC纵肋横肋UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用对比方案2018/12/729方案三：UHPC纵肋板（取消横肋）桥面板为UHPC配筋板，带有纵肋（间距65cm），其中纵肋底面带有8mm的钢板条。取消横肋。UHPC纵肋UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用主要内容2018/12/730对比方案研究UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用有限元研究2018/12/731有限元模型分析标准梁段局部模型全桥整体模型UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用试验研究2018/12/732桥面板试验正弯矩试验负弯矩试验UHPC纵肋板（不带钢板条）UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用试验研究2018/12/733桥面板试验UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用UHPC纵肋板（带钢板条）试验研究2018/12/734桥面板试验UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用主要内容2018/12/735UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用不同方案实桥计算结果对比方案对比结果2018/12/736UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用方案一方案二方案三主拉应力方案一方案二方案三UHPC纵肋底13.72MPa7.89MPa8.16MPaUHPC横肋底4.010MPa4.867MPa——UHPC薄板底1.724MPa1.59MPa2.55MPa钢板条——49.0MPa49.7MPaUHPC薄板顶2.58MPa2.728MPa2.067MPa跨中挠度1.04mm0.85mm0.87mm计算结果考虑局部冲击系数0.3。取消横肋开裂风险更低！主要内容2018/12/737UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用抗弯性能研究13.7219.405101520253035404550应力水平（MPa）实桥应力试验结果实桥UHPC最大主拉应力试验开裂荷载2018/12/738UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用UHPC纵肋底面抗裂安全性计算与试验结果对比7.8944.105101520253035404550应力水平（MPa）实桥应力试验结果实桥UHPC最大主拉应力试验开裂荷载8.1644.105101520253035404550应力水平（MPa）实桥应力试验结果实桥UHPC最大主拉应力试验开裂荷载1.41倍5.59倍5.40倍方案一方案二方案三纵肋带钢板条的方案二与方案三拥有很高的抗裂安全储备，显著降低桥面板的开裂风险。2018/12/739UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用桥面板刚度对比计算结果对比22.4%纵肋带钢板条的方案二与方案三，拥有更高的抗弯刚度，桥面板跨中挠度减小约22%。1.040.850.870.00.40.81.21.62.0跨中挠度（mm）方案一方案二方案三方案一方案二方案三主要内容2018/12/740UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用抗剪性能研究方案对比结果2018/12/741UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用方案一方案二方案三方案一无腹筋，方案二、方案三长栓钉兼做箍筋。钢筋长栓钉钢板条长栓钉钢板条2018/12/742UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用根据2016年法规规范公式计算桥面板的抗剪性能dudcdfdsdVVVVVdudcdfdsdUHPCUHPCUHPCVVVVV式中：—截面剪切承载力设计值；—截面剪切极限承载力；—剪压区承担剪力；—钢纤维承担剪力；—抗剪钢筋承担剪力；基体纤维箍筋UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用43桥面板的抗剪性能对比带长栓钉的方案可以提高抗剪承载能力44.9%。两种方案都满足设计需求。650mm232.1336.5170.50200400600抗剪承载能力设计值（kN）方案一方案二/三设计值不带栓钉带长栓钉实桥计算值单条纵肋抗剪承载能力设置钢板条后，刚度增加23%，纵肋下缘无开裂风险，长栓钉大幅度增加纵肋腹板抗剪能力，UHPC桥面板施工质量更易保证。横肋的作用很小，反而增加了一个开裂风险源，建议取消。44UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用建议2018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用45高性能桥梁结构之二：装配式桥梁和接缝主要内容2018/12/7—实现轻型化、快速架设、减少病害类型一：预制UHPCπ形梁类型二：钢-UHPCπ形组合梁全预制快速架设UHPC梁式桥结构研发了两种轻型UHPC“π”形梁结构UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用46整片π形梁预制，现场仅浇筑接缝授权发明专利：ZL201310749788.1、ZL201410657232.4、ZL201310601615.52018/12/7钢-UHPC“π”形梁快速架设UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用472018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用48钢-UHPC“π”形梁快速架设2018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用49钢-UHPC“π”形梁快速架设2018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用50钢-UHPC“π”形梁快速架设2018/12/7UHPC桥梁主结构新体系的研发与工程应用51接缝强度高于母板接缝数量较常规T梁减