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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' V- y2 N  V7 J1 @; B5 t- O翻译自一份ppt，
0 B5 {; ^' _7 Y) g《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
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. {0 a% j) U# t' ?" P3 T作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL

  i& e; n  l5 q# L6 M4 ~

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

8 q" ~. h+ c) N+ T% S& d& K

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）

5 ]. E* @9 M; e% X

7 J$ x: ~% K+ J/ I4 ?9 i# i6 ]

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

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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）

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

! d( c: H, ^; K  @) v

·        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

; I/ i- N* H0 ^) S6 D# d

• 假定

; h/ O  b+ n% a( z# a) }$ G. e

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

% j9 p: b! ~6 N  i" t: l- Y0 L, M

·        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

0 N. E$ x1 }; M: t; r, a, Z

: o9 Q8 Z' ^+ ~3 y7 A3 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

% S& o6 _/ E- c+ Q

•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

6 _- T$ M) F- U/ P. f, c8 {. L

第一座桥：重量对比

2 Y4 a' o0 E0 Z; @( w$ }7 h* G

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)

, \1 P' b/ B7 q1 W
& g0 _- k" r* c2 y$ l! p

		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%
2 b! k8 n6 k* C" ~( T/ h	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%

% I5 P2 _  N. e" 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

钢主梁板件布置

按照欧洲规范完成验证

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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-

# \* p1 a  ?# n1 {0 b

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

. h8 G+ X3 Z; |/ P) s3 ?

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

/ a9 E- J. V/ O1 I6 Y' z

·        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

3 }* X( W" ~0 i5 X& ~" X

临界稳定系数

第二座桥：重量对比

  J% [, d2 E' y% x+ L* w, C
对比桥梁 :
– 相同跨径
– 全断面S460

$ Q3 O4 L* x; X: m3 N

		改进型桥梁2 9 v) J5 k' v( S# F/ Z4 a) w3 v	对比桥梁   m/ s; s( J8 Y! C	重量减轻
混凝土桥面板	混凝土+钢束 * A) r3 X7 ^  [* ~1 z4 n" U	3850吨 . R) A0 H4 ^9 M6 b7 ^	4280吨	10%
结构钢材	I型梁钢材	990吨 , o" R# U# l3 [! _$ P- j! M	1390吨	42%
; Z# K% N( [" J( s8 D' j( D	横撑 ' @8 ~& k  L, v% b	192吨	652吨 8 k# ^+ Y* r) @% R/ |9 f	42% 9 v! `  b" g. C3 B/ a
非结构性设备   Z4 k) ^' q1 P) Z+ W: {) W  p	非结构性设备 4 U/ Y. i/ _: ^3 a+ m0 V  d$ r$ O8 Q	1270吨 2 E' n$ ~" z2 ?! d	2130吨 ) Y: j1 j& k; x* F4 Q/ f. @	40% : W! x. r; L) T8 s2 J' t* T
板+结构钢+非结构性设备	桥梁总重	6290吨 7 a: b  E5 R; N9 K& R( h	8450吨 7 K/ Y: t3 l! q# M1 ]- t* V	26% 0 c8 ?# r0 v- e& {! P5 H

: Q4 X% k* f, U. I% \2 {' @9 l1 `# h

• 结论
• ·  钢材
  

重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%
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• ·   混凝土
    |) D) ^; p8 n: ?6 O  G1 M9 {

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
-预制->可靠度更高
4 u, w! @) q' ^2 `8 k; h# R-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。
$ c* L% b6 b1 r& z4 u4 s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
* K+ r, T& ~. F9 Q- shttp://www.bridgehead.com.cn/for ... 40&fromuid=5962

国外的东西，学习一下

添加一个UHPC的标签
" c0 N! ^. {0 c" Hultra-high performance fiber reinforced concrete

推荐一本专门研究这种材料应用的书
* D( f/ O* T# P7 d4 L4 gDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and development
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
( K9 G6 i' u$ z# U4 T8 g- r% qDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and developmen ...

+ J; m2 R7 Q) L( ~0 b+ @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。
! C- Z# X# d0 K" V