高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计

翻译自一份ppt，
) |' I4 n. `5 M  U: x《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
# l8 [- G: {( j) `（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
; f4 Y; Q: R7 Y  X
! w1 c; L& N* L作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL
, ?0 _' {( R9 ]( z6 C$ h/ A7 O
( f5 R- r. m: s; t6 F9 \

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

' l- @( J4 f4 ~

跨径接近法国最大的双主梁桥梁（(Trielsur Seine,Jassans, Centron)

+ H8 E1 R" J; {  y

—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）

1 P1 t$ D% t5 y6 k$ V, X/ v

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）

, {6 v, g5 e' y/ M# Z& Y

* L: \1 u# P- 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）

" k: p1 D2 Y; |8 h5 p. l% J4 x

第一座桥：疲劳验算

2 P1 T# ]( N2 r5 o: q" C  H9 V

• 假定

" O) L4 l' A. C& h

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

/ v- x6 @* w, w3 W( m( X

% d8 z$ X8 D  o7 |. r+ u0 l

·        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

. s, }: k+ ]& {8 O+ z

/ Q( f& \) e8 Y* B, V# L0 d) {

- L! {% i2 L* E

·        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

第一座桥：重量对比

- T# V* p% e& A& ^7 s! e/ t

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)

) A1 Z  j# e; k5 k& f+ 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%
	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

5 r: Q: E2 q' N" T3 H2 d  j

钢主梁板件布置

按照欧洲规范完成验证

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-

% I) \/ G8 k  X8 P3 n8 \" G6 P

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)

7 ^# _, L; [, E8 c

·        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 E' j! C- \( \/ c' l* v

临界稳定系数

* Z2 ]/ P* P1 }& J; |( g2 p

第二座桥：重量对比

. w, _, \: Q' l8 C1 B/ }- B对比桥梁 :
3 {6 x, a/ C6 R7 }: k– 相同跨径
– 全断面S460

$ `4 u$ G- e0 c( w

		改进型桥梁2	对比桥梁	重量减轻 0 Z: y' D6 B7 ]5 m! c
混凝土桥面板	混凝土+钢束 # ]3 ~! C9 y$ ?* n" D& U	3850吨 ; K) i. _5 d. J6 B4 k	4280吨	10% 1 C; A6 V( Y& W. U3 q
结构钢材 6 o: w7 W# W5 j' B9 N; g	I型梁钢材	990吨	1390吨 $ i6 t3 i% }1 M6 ]1 B, @' O8 P	42%
! x! S4 m' n0 r	横撑 6 s% C6 x/ h  g! A. P. d6 ]	192吨 ) d4 _- K! a# N. U	652吨 5 J, V- ^* C% h( y- P0 w	42% : Z/ r, W# l1 }* u$ s5 m: C
非结构性设备	非结构性设备	1270吨	2130吨	40%
板+结构钢+非结构性设备	桥梁总重	6290吨	8450吨 " [( K% E% H: W2 Z/ O	26% 5 o8 E$ J2 [' s  _

• 结论
• ·  钢材
  

重量减轻：大约40%
-成本降低：大约25%

• ·   混凝土
  1 {( Z& K- N  o# q$ z

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
6 m/ v; I8 g  y1 r' L0 P/ n8 e-预制->可靠度更高
-UHPFRC非常贵
+ Q% ^0 A4 z# q

·        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

! z" b0 Q$ z/ E/ a; `+ B" s$ z

附上相关的ppt，可对应查看。
) g2 g2 t( [) w/ Y, l* \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
- E7 i6 ?: c% B) o! m. ]3 m4 lDesign of hybrid steel girders 混合钢梁设计
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
% w4 @: Q; i) H+ l* Hultra-high performance fiber reinforced concrete

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
  n0 f6 N$ ~" r# C- F# G9 N7 rEdited by Francais Toutlemonde， Jacques Resplendino
7 r! M' w2 [  i! q" U. N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
  f1 |. h9 e7 t7 ]: O  M& ]  VDesigning 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
% ^6 d  T' |) U

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。