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，
. O9 Y& b% I; C1 a3 g《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
6 k+ P1 z3 ?% F1 ?: b! P（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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7 s4 C( b7 X8 ^6 I6 @2 _) U+ Z) m5 j作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL

- u; C( i. I, O5 R; j+ B) @

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

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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）

& V+ J) t3 t, K; b8 ^. u9 B  h

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）

( l) X* H$ p5 w

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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

; u+ A, _, b! ^& X7 c& d

-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

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·        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）

. K; A2 o9 I/ C7 {5 J( X8 M

第一座桥：疲劳验算

• 假定

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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

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·        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

1 n: a9 F$ l; {7 V, z8 ^

6 C2 a6 d  h  R- `% l$ H7 E
4 V& `4 `2 y: n' _% O9 ~& p) S7 k/ W

·        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

' p2 S; U* z: O0 P; R3 @! o

第一座桥：重量对比

* e' E$ o# t) L

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)

/ w: t$ z9 X" a& a$ ]- w& G

		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%

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

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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-

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

5 [+ B% U) U! T: K' u: x% t

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

6 y1 e9 G6 J  a" m. z8 G

·        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

: {8 V( H& g1 y3 [

第二座桥：重量对比

; w" [. e  M) H+ k& \3 n0 A
4 Y, g4 Y5 m0 n) v! q% ~/ n对比桥梁 :
- e" U, L! A: {; A& Q; _# C! H' a– 相同跨径
4 D( w  O- z& B. Q– 全断面S460

	" p7 p% w) \, j* D4 l  x( w. T7 ?. R	改进型桥梁2	对比桥梁	重量减轻
混凝土桥面板 & f/ e' |$ T! }6 R! ~* ?* y4 _	混凝土+钢束	3850吨	4280吨 8 }% R9 a. }* \( A. O7 W	10%
结构钢材	I型梁钢材	990吨	1390吨 6 n- u4 e# E: ~* m0 `8 k+ F% N	42% 6 }' h+ [& K. |4 |4 B* _5 a6 y
	横撑	192吨   K! f9 |7 P' r0 }+ @) K6 m	652吨 - D+ ?* U. \' `! Y	42%
非结构性设备	非结构性设备 % w. A7 y3 M6 w% `$ X6 w* }) f	1270吨	2130吨	40%
板+结构钢+非结构性设备	桥梁总重 5 u# m$ b5 b9 z9 z( d8 M	6290吨 , \0 e( r1 y9 @  E/ S% V	8450吨 % ~5 S3 {/ U$ L8 f, M) t7 t  @	26%

• 结论
• ·  钢材
  

1 c6 J- F9 o! V2 |; |# P重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%
/ _  H4 T+ B* Q" z# m

• ·   混凝土
  

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
7 g- O% L7 v# N- M9 @) [-预制->可靠度更高
-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

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。

cjcc 发表于 2015-5-29 15:20
/ L- @# A, @/ D9 e推荐一本专门研究这种材料应用的书
3 u& s" a& V2 _8 Z# V& J: b# uDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and developmen ...

% P& Q' B9 s) `6 e7 k7 ~; a3 \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

好东西啊，谢谢楼主

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
0 U; j6 C4 O! ?5 s% a) g) eEdited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
出版社Wiley

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6 w2 F0 U/ Z0 ~5 ^: K; n6 Pultra-high performance fiber reinforced concrete

国外的东西，学习一下

有关混合钢梁的内容可见
Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
) F' M- T# Q( b& E6 @7 h# Ihttp://www.bridgehead.com.cn/for ... 40&fromuid=5962

附上相关的ppt，可对应查看。
& O: U3 k3 X. a, e% J- R水平有限，翻译不当之处还望不吝赐教。