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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翻译自一份ppt，
《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
（Setra—— Eurosteel 2008 – Graz – September 3-5, 2008）
高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计

作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL
' {/ x% |: j7 q. `6 q9 G6 a7 D0 x3 i

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)

6 z2 K. |: _6 A( B& ^/ w

—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）

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0 N& g( l+ V" s; ^, ^

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）

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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

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• 假定

# B8 G2 y2 T6 O

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

7 D5 Z4 F4 T' k. ?

·        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

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-竖向框架柱按照扭转屈曲设计

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' @' L% T" p7 B) C3 Z1 Q5 D6 g8 Y" P5 O
7 e8 ~% \8 Q3 F! ?

·        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

) f" F' D8 T2 b9 b* ?, Z) m

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)

' G  L, W5 W' L; {$ S. h+ a7 ]

		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%
# p& ~! S5 g4 S* 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%

5 t0 P6 }4 b- K3 y% n5 X) E. m
6 {7 f0 T! F# Q# T( Q6 z( h* @

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

6 l1 ~" B  u8 ?; F5 y- w5 Z% N

钢主梁板件布置

) f: F3 u" S: _  N% N) w; Q

按照欧洲规范完成验证

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

•一阶临界屈曲系数为αcr,op=4.72

: g: k* f9 j2 z& O( h5 u9 G: r

•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

! J! ?, Z- `9 U. N

第二座桥：重量对比

7 H& }* @9 Z3 Q6 |) f# T+ F2 x对比桥梁 :
– 相同跨径
– 全断面S460
4 X" |5 F9 o$ I/ B6 x% o$ h5 I3 t

; `3 w0 q( q0 \$ Z2 F	2 h0 I( D$ ]5 n$ m# C. P	改进型桥梁2	对比桥梁 ; b0 e1 o  s6 Z4 K  e$ N+ V	重量减轻 ; u- p# I% g2 [3 r( j7 P2 _
混凝土桥面板 " }2 g% v' {/ g" X5 [$ {  _2 m	混凝土+钢束 ) n/ Q0 _6 m4 l& R8 H	3850吨	4280吨 # n9 x& q' B" }0 k1 K& H	10%
结构钢材 * t4 f$ I$ U$ F& r6 P7 W  K	I型梁钢材	990吨 6 ?/ d; i  M5 \& g7 M! f	1390吨	42%
	横撑	192吨 4 B) S9 {, V# \) _& I, \	652吨 0 c* n$ S. I4 C( V; t* |	42% 5 h& ?5 I: W. V9 Z) g& C' M) n6 i4 ~
非结构性设备	非结构性设备 $ O- m% U& q0 x7 |, ?5 K8 w# }! [	1270吨 * R+ b/ j/ c8 e	2130吨 ! [( l" L0 J8 ]* w6 ~	40%   n3 z" v7 `8 |1 C& S
板+结构钢+非结构性设备 / s, r# P" \1 [! }7 Y# ]	桥梁总重 4 }% D6 k" ?2 b# @1 p	6290吨 : J3 G4 ]* ^5 F% l	8450吨	26%

• 结论
• ·  钢材
  . t7 Y* N& f5 N6 g

重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%
# w' s& _; n' a0 J. c1 P9 k/ Y

• ·   混凝土
  ; s. ]+ `* s! S

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
-预制->可靠度更高
-UHPFRC非常贵
, |: F2 I0 m; t3 a* a5 U; K  b* e  ]) g

·        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

$ l& z5 Z) J5 R

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。
0 P$ x+ L9 w7 S: O- @: n7 |

有关混合钢梁的内容可见
Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
, n& m) h' U/ r" l7 Fhttp://www.bridgehead.com.cn/for ... 40&fromuid=5962

国外的东西，学习一下

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2 \4 ^1 i' E5 J) C8 Y) H8 ]9 z8 vultra-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
Edited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
' K2 k, C% H! V4 t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
Designing and Building with UHPFRC-State of the art and developmen ...

0 b; Y' d; q4 x9 R6 f2 H( u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

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。