大跨高性能橋梁結構的研究

大跨高性能橋梁結構的研究邵旭東湖南大學橋梁工程系大跨橋梁主要難題大跨徑橋梁由混凝土、鋼或鋼-混凝土組合結構形成，由于材料本身的限制，上述三類橋梁面臨三大硬骨頭難題亟待解決：2014-5-272(1)預應力混凝土連續(xù)箱梁普遍下?lián)祥_裂，嚴重者面臨報廢拆除的命運鐘祥大橋拆除科羅巴島橋垮塌(2)鋼橋面開裂和鋪裝層破損現(xiàn)象十分普遍，個別橋梁甚至出現(xiàn)10年24次修的局面a)鋪裝層開裂b)

鋪裝層推移c)鋪裝層坑槽d)

鋪裝層車轍鋼橋面鋪裝層病害a)

面板裂紋b)縱肋與面板焊接處裂紋c)縱肋與隔板焊接處裂紋d)

隔板撕裂橋面鋼結構疲勞裂縫(3)鋼-混凝土組合梁自重大、負彎矩區(qū)域混凝土易開裂，難以用于超大跨徑橋梁?

法國學者Brozzetti

J.研究認為，當連續(xù)梁跨度超過110m后，鋼-混凝土組合梁方案不合理；?

德國學者Svensson認為組合梁斜拉橋經(jīng)濟跨徑上限為600m。?

對于懸索橋，由于加勁梁自重完全由主纜系統(tǒng)承擔，而組合梁的自重約為鋼梁的2倍，采用組合梁并不經(jīng)濟合理。2014-5-276發(fā)展大跨徑高性能橋梁結構，有望解決三個難題2014-5-277何為“高性能結構”？根據(jù)美國預應力混凝土協(xié)會PCI的定義：高性能結構融入了高性能材料和新型結構體系，具有良好的力學性能和耐久性能，并在全壽命經(jīng)濟性上具有優(yōu)勢。2014-5-278超高性能混凝土UHPC(Ultra-High

PerformanceConcrete)，被認為是過去三十年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料?？箟簭姸瓤蛇_150MPa，徐變系數(shù)僅為0.3左右。2014-5-279但其抗拉強度僅為7~11MPa。通過對UHPC改性和加筋，將開裂前抗拉強度提高至40MPa以上，并以此材料為基礎，發(fā)展了高性能橋梁結構。2014-5-27101.高性能連續(xù)箱梁—解決開裂下?lián)想y題，并將連續(xù)梁經(jīng)濟跨徑擴展至500m2014-5-27傳統(tǒng)預應力混凝土箱梁（三向預應力）UHPC箱梁（僅需縱向預應力）1.采用UHPC薄型板件，大幅度減輕結構自重；2.設置密集橫隔板以：（1）防止箱梁畸變；（2）對頂板加勁，—取消橫向預應力；（3）對腹板加勁，—取消豎向預應力；（4）對底板加勁，防止承壓失穩(wěn)；（5）方便體外預應力的布置與轉向。與傳統(tǒng)PC箱梁橋相比，UHPC箱梁橋可減輕結構自重50%—60%，變?nèi)蝾A應力為縱向單向預應力。頂板控制點主拉應力12m2014-5-27一、課題簡介與國內(nèi)外研究概況部分試驗成果2014-5-27腹板抗剪對比實驗工況加載圖片部分腹板測點的荷載—主應變曲線對比破壞無隔板自由端附近部分，在自由端加載，剪跨比為2.125020015010050多隔板側測點3無隔板側測點3多隔板自由端附近部分，在自由端加載，剪跨比為2.1加載支撐00500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000主應變/με相關試驗工作多隔板情形下UHPC梁的徐變性能試驗加載1.5噸加載1.5噸30MPa17相關試驗工作242322212019181716151413121110普通混凝土RPCRPC多隔板A無隔板A05

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90時間（天）加載點撓度時程曲線跨徑400m

UHPC箱梁1:5節(jié)段模型試驗頂板：車輛荷載超載6倍不開裂；腹板：超載2.2倍出現(xiàn)細微裂紋一、課題簡介與國內(nèi)外研究概況經(jīng)濟指標分析2014-5-272014-5-27212.超高性能輕型組合橋面—解決鋼橋面及鋪裝開裂破損的難題2014-5-27輕型組合橋面新理念磨耗層(10年)STC層（100年）鋼面板鋼筋網(wǎng)及焊釘新體系傳統(tǒng)瀝青體系鋼—STC輕型組合橋面優(yōu)點：（1）有效提高了橋面剛度，大幅降低鋼橋面應力，延長正交異性鋼橋面抗疲勞壽命3倍以上。（2）徹底消除鋼橋面鋪裝的難題。23UHPC開裂前抗拉強度—42.7MPa2014-5-27UHPC疲勞抗拉能力—疲勞拉應力幅0.0~21.3MPa，歷經(jīng)310萬次未見開裂。2014-5-27國際上首次用于實橋上獲得成功馬房橋鋼橋面鋪裝層病害橋面現(xiàn)澆50mm厚STC層80oC高溫蒸養(yǎng)72h施工完成后馬房大橋上做了五種方案。環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青鋪裝開裂、車轍；鋼夾心板、聚合物混凝土鋪裝已破損；唯獨輕型組合橋面無任何病害！2014-5-272013年11月通過了廣東省交通運輸廳鑒定2014-5-2729鑒定委員上橋察看，未見任何裂縫2014-5-2730經(jīng)對比，使用效果顯著優(yōu)于其它鋪裝方案。具有廣闊的應用前景，達到國際領先水平。部分應用實橋：2014-5-27323.鋼-UHPC輕型組合梁—解決傳統(tǒng)組合梁自重過大，易開裂的難題2014-5-272014-5-27342014-5-27352014-5-2736?

自重僅為傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁的50%；?

基本無開裂風險2014-5-27抗輪載沖切破壞的最小面板厚度：Harris等通過沖切試驗得出結論：?

普通混凝土板最小厚度175mm??

UHPC板厚25mm足以抵抗沖切。Harris,

D.K.

and

Roberts-Wollmann,

C.L.,

“Characterization

of

Punching

Shear

Capacityof

Thin

Ultra-High

Performance

Concrete

Slabs,”

Proceedings

of

the

SecondInternational

Symposium

on

Ultra

High

Performance

Concrete,

Ed.,

Fehling,

E.,Schmidt,

M.,

and

Stürwald.

S.,

Kassel

Univer