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，
1 D" F# e1 S' A+ |《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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作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL
% \' [, T4 C  ~5 p. z# o. k
4 h$ l4 i; v( Z9 I) Z! x4 L- B( O3 y

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)

# @! G) B5 V1 t% Y/ W# Z9 M

—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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$ N( A) z* W; b$ r4 D+ O5 ~" t% W' w

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）

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  X$ t; s, k) h4 g6 d" w; b

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）

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第一座桥：疲劳验算

5 z1 o; E% ^. v& W

• 假定

1 {  ]' c7 v1 ]' N0 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

. }) `6 b( b( t8 K# W+ A. F+ P) U

·        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

( \- z) J; p% V0 C8 F0 ~

·        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

. x- ?/ h* X' k% X6 V* J% r

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)

( d) A0 V) U% ]- P" ?' k1 R

# d0 |$ z- P: n. z! a		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%

. T/ j: a! r3 ~* ^3 P# ~0 ]

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

& Q* |9 I; m, C# S; O% L; V

钢主梁板件布置

2 Z. i3 d) f+ C. s6 x

按照欧洲规范完成验证

! h, Q/ `/ [/ z  G: M6 @1 \

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-

: s3 \. T  }( M

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

% C; V# i, P" Q  Y+ x4 j/ c

•折减系数χop=0.731 (曲线d)

: x% Z$ F, Q5 |/ }

·        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

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8 P0 h2 x* j# V2 @% q; ^; b3 `

临界稳定系数

$ f7 C% a' D5 D

第二座桥：重量对比

对比桥梁 :
, @. X! U$ |, s; }( L. K– 相同跨径
– 全断面S460
( t" M4 _  A7 d5 L( a6 p7 L

( h4 ]4 L1 {. O  ~	# Z# ]- ~  h5 G	改进型桥梁2	对比桥梁	重量减轻 7 J9 n7 ]# D% u" i# S
混凝土桥面板 % K% W2 D* d8 f, X	混凝土+钢束	3850吨 ' ?" U1 S. ^  j! N! \	4280吨	10% 7 |0 e! j& e) N! v- h* L
结构钢材 " q4 e9 d# e; h, Y3 ~	I型梁钢材 ' [3 A% m1 |, Q/ e. I9 y	990吨 8 F0 K" A1 H7 N2 q) E* f	1390吨   W6 [) h) v0 S	42% 6 B# l' @$ v7 D
	横撑	192吨 . m- ?7 s& p# a# r! J	652吨	42%
非结构性设备	非结构性设备	1270吨	2130吨 * ~( L) K/ i1 j$ r* x0 n# A" S	40% 6 }2 }4 H6 v. `9 F* S7 V2 `( \
板+结构钢+非结构性设备 ! T0 L) c5 F$ a; d) u) a	桥梁总重 & I: E* f8 T3 g# K, w+ ]- d2 ?	6290吨 9 f3 L- f, v0 }2 T+ E. Z	8450吨 7 N' b4 e; \: i4 N6 F	26% 2 S4 ~' t! ^& U

- u1 k" I4 q$ p/ Y( s# P3 C

• 结论
• ·  钢材
  3 a$ @  G6 E/ Q, O

重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%
+ d7 z5 e: P8 u( W

• ·   混凝土
  

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
$ t3 Q  _0 b" j5 z, }4 c! @# n# v-预制->可靠度更高
. P1 m5 W, o3 h: o1 {/ 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

4 [0 y6 o0 c" w1 @

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。

有关混合钢梁的内容可见
Design of hybrid steel girders 混合钢梁设计
5 o  D9 @- c8 h; O  x+ s3 p& P3 ]http://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
- u" x# \! ?7 R* ^" Gultra-high performance fiber reinforced concrete

推荐一本专门研究这种材料应用的书
5 m( l: g1 p5 k; M% N5 L( v( L  c% [  DDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and development
1 k, R) i7 G) a/ o5 _3 wEdited 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
3 t3 `+ r9 I' r/ k( Y7 u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
/ x; X& D# ^$ |; M, M

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。