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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5 g+ v8 ^/ }7 j3 [翻译自一份ppt，
& Y' O0 v, Y/ T5 \4 h9 t6 X《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
) k) }9 q* Q& T（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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8 G- z  E  S/ v3 g作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL

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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)

+ |  t$ L9 }7 E3 j( g+ Y6 P! F

—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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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

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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

-竖向框架柱按照扭转屈曲设计

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) a; R! A# L" _; N1 H) H

·        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

; W) Y2 u# G9 D, `3 |' R

•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)

/ ?) ~. b9 E! o' k* M9 e3 }
5 t! H- j. t# V! E

4 R- Z- q+ _8 @9 [6 L- F' l" w		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%
$ N4 s0 J  [' ^9 F9 O	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%

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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

3 N& ^2 R7 _; V. ~

按照欧洲规范完成验证

% |2 ?7 ~( v  A) r4 i" W; U

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

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

% |: T, D$ N! I# v6 M( T

·        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

5 A- r6 h. b/ r5 a) m) Q. Z

第二座桥：重量对比

; G$ e& I! Y( ^, |" d9 _
; e0 Y  M: G2 p4 n) U2 i9 o' \对比桥梁 :
– 相同跨径
– 全断面S460
0 T( g$ d+ o1 v* b+ R
4 \+ Z  y/ x% d' Q7 N

	' Y% B+ v& O7 R& }. R) A0 |	改进型桥梁2	对比桥梁	重量减轻 8 i6 X3 W3 k2 X+ z
混凝土桥面板	混凝土+钢束	3850吨	4280吨 + d( i/ i1 Y9 `	10% 1 z7 J) b1 {" J+ @5 L3 u; k) j
结构钢材	I型梁钢材 + B9 B( x) e, W0 ~/ f+ D" |	990吨 3 x/ ~8 ~' V9 D; z' V$ H7 x9 T	1390吨	42% 1 m, G; d& Q5 F' H. ~5 N$ S
	横撑 5 n% y6 z0 n# ]! T2 o' J" ?	192吨	652吨	42% 2 i7 D3 v, m7 r7 r" x
非结构性设备 ' I0 X( k' W; m- h: F4 {' q; f	非结构性设备	1270吨 7 i# n0 U; f2 O( [2 g) J! Y& v+ p	2130吨	40% * K' h  @" N$ |5 T, E# \6 T6 P
板+结构钢+非结构性设备 7 J. C$ H8 x. y3 ^, z	桥梁总重	6290吨	8450吨 - V3 D- X2 A4 ?	26%

• 结论
• ·  钢材
  

/ b% Y- s5 Y/ [* f& t重量减轻：大约40%
* T: b2 ?0 V5 c-成本降低：大约25%

• ·   混凝土
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-桥面板比通常采用形式减轻：12%
, Y9 y9 \; O% C% k! H- |-预制->可靠度更高
8 j# w$ \. y" J: F8 I8 Y  _-UHPFRC非常贵
$ s, X4 @* p8 \

·        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

6 X9 M' k4 }- ^& ^: M9 b

附上相关的ppt，可对应查看。
7 c: I* b2 w. b+ Z* G水平有限，翻译不当之处还望不吝赐教。
1 I. g3 u+ R( Z# ~1 F

有关混合钢梁的内容可见
Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
0 z  w. @: e0 ~- U, {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
+ @+ n$ q9 p. _, CDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and development
Edited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
" Z5 H) ?, O4 i5 K( L3 s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 ...

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
" I' P" x: v/ \: J% o6 v

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。
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