高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计

. D3 ]3 S+ \- r. ^6 D" f$ \7 V( ~7 v翻译自一份ppt，
* B  w0 H3 t3 k8 h, ~! Z# W5 T《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
0 L; w7 g% Y# {! O, ?0 h& }9 \
( G! X; V: ]) K1 }7 t作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL
# h3 U8 x. {, E6 U# m& N, V
. I* l* I+ [4 C! T# [* Z" [) D0 O# `

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）

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

! h( N6 G1 U& K3 ]

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

·        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

& y3 V& b, z4 ?* R% V# u  l3 W( {

• 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

- ~- I! G% v$ }" A4 J7 _

; H; C0 r3 E3 V, V: p

·        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

9 a$ B) e! {4 A& D
: @. R$ p) n% n% r5 Z; _7 \

·        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

1 z, K  \. R% x% r7 j' k

•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

/ ^. d: U$ 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)

6 v5 P  M! N) K5 W

# L" i  z4 m, l  W9 {" l		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%
" g/ I0 A1 U, d3 [% m	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

0 X) t; S, \8 J8 P

钢主梁板件布置

& K. s7 `1 W/ m

按照欧洲规范完成验证

  e- H) A$ F9 f" F, Q

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-

3 O/ n1 V4 C; \! {8 L

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

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

! ~( Y7 y( X3 a2 t# I5 V7 G4 M

·        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

; k/ ]4 k8 F5 X- f

第二座桥：重量对比

; ^: J! |& z1 J: ^- c2 f
对比桥梁 :
– 相同跨径
3 ~; s1 I, H" L9 o- W4 o. P$ ]– 全断面S460
( w% l4 d* c7 K+ z5 s5 t: k) O

6 j" k& T0 K5 ]( b, }, K		改进型桥梁2	对比桥梁 3 Q4 w/ T' T1 b1 ~2 C	重量减轻
混凝土桥面板	混凝土+钢束	3850吨 / G- f- q8 H5 w/ L$ P$ s	4280吨 ! b6 j- Q+ n) i* Z7 r% `& T: F	10%
结构钢材	I型梁钢材	990吨 * l. |* z8 ?% ?9 a$ K	1390吨	42%
) ]' b" C( ^7 s4 y	横撑	192吨 $ k, Z4 v% i% |3 m' {* U$ h3 ^	652吨 . B+ f7 i' H. X) d	42%
非结构性设备 . z$ i( o- F6 R2 Y	非结构性设备	1270吨	2130吨	40% 7 q+ A7 o) m2 [1 b
板+结构钢+非结构性设备 4 G1 x) t- U: |8 i/ I: B	桥梁总重 7 ~( c' F5 A9 {9 [	6290吨	8450吨 0 e6 L2 j2 x% U# e5 {  n/ }	26% % \5 i7 G; D; m/ O5 u

* r0 m- Y* F+ |$ M

• 结论
• ·  钢材
  

/ C# ^" x# w: W9 j/ u4 _8 [重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%
/ |& U4 t3 D- O9 b" s5 i

• ·   混凝土
  

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
-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
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 ...

$ A5 I' y) g0 @) w3 C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
% Z+ r) I6 W* E

好东西啊，谢谢楼主

推荐一本专门研究这种材料应用的书
* _! ~" l0 J+ KDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and development
2 s$ N* Q* T; U, V/ ~2 s# PEdited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
0 U9 E8 h" x- J0 u" ~! c出版社Wiley

添加一个UHPC的标签
& j5 V0 `) s0 [* R& M8 Rultra-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
* C( I' R2 n0 D* b, `" d2 w% d3 {Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
) n" J/ U" O) v  A0 I+ a/ I2 m- phttp://www.bridgehead.com.cn/for ... 40&fromuid=5962

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。
/ h2 T% X- I8 B1 Y* G% Q