高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计

2 T; }* C' k9 z; Y( K翻译自一份ppt，
《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
( v2 X/ d) L( B; X/ i* X（Setra—— Eurosteel 2008 – Graz – September 3-5, 2008）
! @* _6 k$ q; h2 B- s2 Q高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计
1 `  U4 N" o9 G, V: M
* `9 |, ~% _0 `7 B! X8 }; E, z% D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)

—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）

' o3 J; ]1 _: v

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

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）

2 B1 [8 R) L1 B5 F$ s

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

, N* p. v, G3 f

·        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）

; U8 f1 ^/ W# T+ i5 C

第一座桥：疲劳验算

• 假定

; I# Q5 s# p4 Z( l  @( k

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

+ |  s, e' d% C) K( G& C1 O

·        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

9 |3 l1 b  t' B! s: \/ m8 X

-竖向框架柱按照扭转屈曲设计

0 Q. k8 l, d2 C' N* R6 X  C

·        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

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)

7 ^, f& \% H- _/ j1 {7 E" ~% N
- i2 u6 f4 e: c4 L

' e2 P6 y% o& p7 S' V3 C8 t		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%
" h( N. Z8 O: l' S; `	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%

/ h6 E' Q7 M, F. I" i/ e

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

2 j/ F* G- l- ]% H0 m& N

钢主梁板件布置

按照欧洲规范完成验证

) v0 z4 V4 v) R. L

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-

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

. z7 q: j$ z& w7 L' i8 h

•一阶临界屈曲系数为αcr,op=4.72

! `' _- K. D6 O1 ?

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

·        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

临界稳定系数

) [; C# v( y6 ?5 g  s" \  ~

第二座桥：重量对比

对比桥梁 :
– 相同跨径
– 全断面S460
( g& X. K) @( n; Y3 {& a% T+ p
& G+ v$ r# G! q0 Z! ^! t6 O2 q

	# E8 j! ]* t5 v: z: E	改进型桥梁2	对比桥梁 # }7 D7 ?; e( s1 N$ y2 T	重量减轻 / s7 V! d7 j' @" u+ [
混凝土桥面板	混凝土+钢束	3850吨 ) U& ~* K5 q; V* P) z2 k, [	4280吨 ( @- X3 l& p+ X" N) r! F  }	10%
结构钢材 % x$ G, c1 j7 {& k: a	I型梁钢材	990吨 5 u3 V9 n7 I- d/ N	1390吨 4 ?" e! Y" f9 ~. z0 w( }	42%
$ |8 A! a8 f- ~9 ^# v	横撑 ' Q- ]/ S0 q: V3 Q' [	192吨 ' _8 q) c0 N/ s  H5 B	652吨 . L% F2 c' V5 P  ^8 N	42% . k" N+ e% ^3 E) @: [) u& x6 Q
非结构性设备 " B: w4 {9 |/ Y5 }2 w4 }! W, r	非结构性设备 1 C! d* _/ r( ]2 z6 b5 ?	1270吨	2130吨 # k7 ~7 f, Z: @. ^( l$ C0 b  S	40%
板+结构钢+非结构性设备 5 `( F, f7 w9 ]! Z% }+ P	桥梁总重 ; N( }/ ?" P3 s	6290吨	8450吨 - G" G' ^7 |8 w/ }	26%

• 结论
• ·  钢材
  

+ W: Y" R0 a: K, a重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%
' {0 A' s% [5 l0 ^2 `7 E

• ·   混凝土
  

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
-预制->可靠度更高
; p  d' N/ T# }' B4 M; _-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

- c( h  u5 ?" K6 m

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。

有关混合钢梁的内容可见
Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
http://www.bridgehead.com.cn/for ... 40&fromuid=5962

国外的东西，学习一下

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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
- H5 }( o- l# M0 k& _Edited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
出版社Wiley

好东西啊，谢谢楼主

cjcc 发表于 2015-5-29 15:20
推荐一本专门研究这种材料应用的书
4 V0 ^0 X# R( yDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and developmen ...

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
3 L1 o4 ]$ B+ V' b3 n1 W/ G

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。