高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计

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  K3 i7 d1 y' N2 N. |: E2 s+ o翻译自一份ppt，
. z" R1 [, l- B8 G! c, ]$ b《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
, o4 B; ~1 |: W（Setra—— Eurosteel 2008 – Graz – September 3-5, 2008）
0 A  S4 {* ^% j! z* _高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计
3 d* F. m6 w1 J
1 R2 @; T5 U9 b" J) ~6 U9 B7 L作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL

内容

·        简介

·        横向截面及混凝土板

·        1st桥（64-88-64m）

·        2nd桥（95-130-95m）

·        结论

1、简介

1.1 研究背景

—S460钢材在15年前就已在法国桥梁中经常被使用

—S690在法国标准中已存在了30年，但仍未见在法国桥梁结构中使用；

—欧规1993-1-5中提到的混合桥梁在法国仍未被使用。

1.2 两座桥介绍

·        1st桥（64-88-64m）

与阿维尼翁附近的一座建于2007~2008年的法国桥梁有相同的跨径和横断面

·        2nd（95-130-95m）

与第一座桥有相同的断面

跨径接近法国最大的双主梁桥梁（(Trielsur Seine,Jassans, Centron)

8 G" }+ R. U! m: T: f

—总宽度：21.5m

—横坡：双向2%

—主梁中心间距14.3m

—单侧悬臂长度3.6m

非结构设备：

—沥青混凝土：6cm

—无防水层

—防撞护栏及混凝土基座

—外侧框架（标准重度38kN/m）

混凝土板

受法国国家项目MIKT支持？启发？

—形状：厚度方向华夫格分割

—材料：极高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）

—纵向及横向肋板（间距0.6m）

—肋板厚度：底部7cm，顶部10cm

—上部板：5cm厚

—预制节段连接

—横向预应力采用体内束

—板纵向预应力采用体外束

—预制节段长宽为21.5m×2.5m

% N  N3 ^- G* n7 V1 I; [$ F; ~

混凝土板

板宽21.5m

-横坡-  >板厚从40cm至61.5cm

-横向内部钢束采用T15S

·        每根肋的顶部有3束

·        底部有2束（除外翼缘部分）

9 n$ d' v& }' |% L+ l' V6 e

第一座桥（64m-88m-64m）

·        纵向体外预应力及支点降落法

-12束12T15S体外预应力钢束穿越横向肋

-两个中间支座降落0.8m

->收缩徐变过后板中存在8.3MPa压应力

·        主梁

3.5m高，翼缘1.2m宽

·        混合钢梁

-跨中有较大拉应力，需要采用S460等级钢材

-支点附近为了提高横向扭转屈曲系数，也需要采用S460等级钢材

·        施工步骤

1）架设钢梁

2）安装2.5m长21.5m宽的桥面板件

3）张拉纵向钢束

4）连接混凝土桥面板与钢梁结构

5）降落中支点

6）安装非结构性设备。

·        钢主梁板件布置

按照欧洲规范完成验证

1）承载能力极限及正常使用极限状态下钢结构部分应力；

2）UHPFRC板中的应力；

3）疲劳验算；

4）横向框架-侧向扭转屈曲（LTB）

第一座桥：疲劳验算

• 假定

标准疲劳车设置位置

-欧规1991-2中的疲劳荷载模型3

-交通分类n°2（卡车中等流量）->每根慢速车道上的重载车辆数量为0.5.106

•研究的疲劳构造细节

  c' s/ v# A2 R" y

' t3 H  O# a% I5 k) R3 j

·        组合梁中和轴通常靠近上翼缘

->大正应力区域仅存于钢梁下翼缘中

->剪应力区域不大

·        疲劳不控制设计

（依照疲劳强度至少还有15%的富余度）

·        横撑框架-每个横撑框架都是由两侧的竖向T肋和钢梁半高处设置的横梁构成的

-横撑框架每8m设置一道，中支点附近4m处额外增加二道

-竖向框架柱按照扭转屈曲设计

6 L) r( V; j& U9 j/ P

6 t% S0 v6 h* t) S

·        横向扭转屈曲验算

-通过FEA分析研究，确定下翼缘屈曲模态，以及相应的最小临界屈曲系数αcr，op

-FEA研究=下翼缘采用杆单元建模，并施加法向正应力对应于承载能力极限状态应力，

横撑框架采用离散的弹簧单元模拟。

•一阶临界屈曲系数为αcr,op =7.20

•折减系数χop =0.825 (曲线d)

•下翼缘最大正应力: 306MPa,下翼缘屈服强度: 410MPa (钢材等级 S460 ML, 考虑翼缘厚度为75mm)

-> 最小放大系数为αult,k =1.34

临界稳定系数

第一座桥：重量对比

& L9 j9 A8 A! j

对比桥梁 :

– 相同跨径

– 支点附近采用全断面S460，其余截面采用S355(非混合梁)

	; E# S) l3 k& \0 @% n	改进型桥梁1	对比桥梁	重量减轻
混凝土桥面板	混凝土+钢束	2530吨	2890吨	12%
结构钢材	I型梁钢材	600吨	830吨	38%
	横撑	83吨	271吨	38%
非结构性设备	非结构性设备	880吨	1480吨	41%
板+结构钢+非结构性设备	桥梁总重	4100吨	5470吨	25%

/ b( A& B# O8 h; Y! s$ w& f+ {4 w

第二座桥 (95 m –130 m – 95 m)

·        纵向体外预应力及支点降落法

-30束12T15S体外预应力钢束穿越横向肋

-两个中间支座降落1.2m

->收缩徐变过后板中存在14.3MPa压应力

·        主梁

5m高，翼缘1.3m宽

·        混合钢梁

-跨中有较大拉应力，需要采用S690等级钢材

-支点附近为了提高横向扭转屈曲系数，也需要采用S690等级钢材

3 X& R; X; b4 v

钢主梁板件布置

( z. i! p( _9 a: d0 f+ J

按照欧洲规范完成验证

, {6 K6 E. {5 J5 {5 t, G

1）同第一座桥；

2）（由于欧洲规范1994-2中钢材强度的范围是到S460）因此组合截面的抗力被限制在弹性抗力范围内，也就是S690等级钢材适用的范围。

3）疲劳破坏的风险远小于第一座桥->不需验证

·        横撑框架-

! K3 b+ f* l3 y9 p0 P

同第一座桥，横撑框架每8m设置一道，每个中支点附近4m和12m处额外增加4道

•一阶临界屈曲系数为αcr,op=4.72

( u. t3 A2 Q3 ^7 I, n4 U8 s0 {

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

- j) G& \% A0 V! t

·        下翼缘最大正应力:451MPa,下翼缘屈服强度:690MPa-> 最小放大系数为αult,k = 1.53

: K! [% `/ {( m4 b% C0 e7 F

临界稳定系数

- O& e$ G4 Y$ e. r& @

第二座桥：重量对比

: w1 o$ I& M  N$ R$ C
对比桥梁 :
– 相同跨径
5 {9 o, Z4 k$ L+ A" c– 全断面S460
8 m# D% N. I- ?4 ?7 V) |" V
& n# Y2 H' W9 m7 p# a7 r

		改进型桥梁2 ! o. K6 R# l: x9 s8 o1 X7 O	对比桥梁 ; c1 n4 y' N2 H- _- p	重量减轻 . p3 y" e8 @0 I  S0 d
混凝土桥面板 , W: g) q: G/ \, c; i	混凝土+钢束	3850吨	4280吨	10%
结构钢材	I型梁钢材	990吨	1390吨 . w+ P. b8 |* D* Y  g' D	42% ' C5 l% B+ `" c, o, n( }% x& R
6 B& x+ ~+ j9 `) N2 |	横撑 * B% ?) ]0 G1 N	192吨	652吨	42%
非结构性设备	非结构性设备	1270吨	2130吨	40% 0 n! i% V/ W* u8 K1 t
板+结构钢+非结构性设备 8 c, Z4 u6 e; a. L2 z( S	桥梁总重	6290吨 ! d4 q& L. k1 B8 ~3 t9 Y	8450吨 ; h3 z2 l- @! g' l! H8 f	26%

• 结论
• ·  钢材
  

重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%

• ·   混凝土
  

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
-预制->可靠度更高
: m! b; G' r9 Z-UHPFRC非常贵

·        材料节省（主要是钢材）

·        上部结构更轻->桥墩截面及基础减小

·        运输材料更少

附上相关的ppt，可对应查看。
水平有限，翻译不当之处还望不吝赐教。
: i1 N- A8 u7 i* y

有关混合钢梁的内容可见
Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
; E/ j) R5 d9 o$ J; l& Whttp://www.bridgehead.com.cn/for ... 40&fromuid=5962

国外的东西，学习一下

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  p4 @8 V) `. O- |1 N3 a" ]ultra-high performance fiber reinforced concrete

推荐一本专门研究这种材料应用的书
Designing and Building with UHPFRC-State of the art and development
# t7 q: b! z: w5 M/ W5 ]Edited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
2 |, _! l8 H" t4 _) V# {; I  ]出版社Wiley

好东西啊，谢谢楼主

cjcc 发表于 2015-5-29 15:20
* f+ z; L' Z, u: h1 a) v推荐一本专门研究这种材料应用的书
Designing and Building with UHPFRC-State of the art and developmen ...

" ]) ^$ d: a& A1 b3 T( S这本书很好，谢谢楼主提供，期待更多的资料，希望能和楼主有更多交流
2 _$ F: o( T/ {$ U  `

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。