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，
《Design of composite bridges with high strength steels and ultra-high performance fiber reinforced concrete》
（Setra—— Eurosteel 2008 – Graz – September 3-5, 2008）
, l! `( a1 C9 [- z# `高强钢材与极高性能纤维增强混凝土组合结构桥梁设计

5 _& u+ O& [8 w2 |( _& o# E作者：AudePETEL      Ludovic PICARD            Florent IMBERTY                 Joël RAOUL

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

* R* y- X7 z% W" N

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

$ q( p, P0 e. D; ], S% Z! H

—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）

3 I$ g9 ?: F/ G! e& x  D" y3 g

# f& s3 w2 m* P  z. b$ y! x& o

1 U6 ?$ z' F/ M8 }

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）

- r' X2 e# z0 i+ F+ e

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

/ X9 s+ a) {5 p

-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

2 F+ @+ U1 R) [4 z! P- l- l3 E

·        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）

" {9 X, F% i- v' r

第一座桥：疲劳验算

: O) I6 [: s$ C0 E. E

• 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

3 O. n8 z4 ~" W) }

$ w- p( t# O/ i7 r" q3 a) A8 h

·        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

# L+ U& y1 a  t

+ g$ l! C% l7 u$ p: b* t
! H& E; y  @: E! T
. U  q! `& }6 I# K

·        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

0 Z7 d3 t7 b' ^# l5 h1 C9 V4 ]

•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)

+ M4 X) q3 }  L

	, T& _* {8 l2 ~	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%

- a, C3 y2 t8 _* v* }4 c* s

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

6 j: `0 M" b3 k3 V' Y

钢主梁板件布置

按照欧洲规范完成验证

# A6 F/ h- i# u/ J! h% R: Q# C

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: q$ U/ B* Z( L5 {

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)

( k, g6 `+ C/ k

·        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

; u4 S0 {' p/ @5 N

临界稳定系数

第二座桥：重量对比

$ N6 R7 C+ {% K, m3 R9 ~
1 ?  E, q2 S$ i' V3 k6 ?9 ]对比桥梁 :
" |0 d; D' Z4 A2 a; a# O/ F– 相同跨径
# p; h* [9 E+ y' Q% L& \* }1 E– 全断面S460
# B2 T) G( X# t# O

		改进型桥梁2	对比桥梁 8 v" i* c2 ~  d% }	重量减轻
混凝土桥面板 / b( t- ^9 \$ R0 ]+ h( V& v' i	混凝土+钢束	3850吨 - r& a% {* }- g7 O0 R( f	4280吨	10% . Z/ W+ z6 y9 E* J) J. [
结构钢材	I型梁钢材	990吨 3 _+ Q3 e) w+ j  b7 ~4 M	1390吨 % K2 E% w- ~0 G) g; [9 Z$ z	42%
	横撑 ! ~" |) R' _* A8 ^4 V/ F1 E	192吨 * h) ]) T( E% j8 o: p" v3 W	652吨	42% ; @# S5 U3 F& n! d) Q2 ]* \# {' J
非结构性设备   d. ~) m2 q" L; ?1 _- I	非结构性设备 , l8 s+ k3 h" u6 p& p- P	1270吨 0 x' o8 B- O* r+ U	2130吨	40%
板+结构钢+非结构性设备 9 o7 Y  h, R: u* @7 D. f3 j1 ]	桥梁总重	6290吨 9 u+ P1 B8 L% k  l$ K# q% N# S' c	8450吨 : R- {% N- ]" e$ R& I3 Z	26% & V  V1 N6 I- n* T

4 d% m( {4 _3 i2 F0 y% S: D8 w: H

• 结论
• ·  钢材
  

重量减轻：大约40%
& h: U  F* a) ?4 D# e8 }* v9 c-成本降低：大约25%

• ·   混凝土
  

-桥面板比通常采用形式减轻：12%
& k# y& U1 B- x7 R1 ]-预制->可靠度更高
0 K, U, p3 i' I* P-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

附上相关的ppt，可对应查看。
, j3 i8 K  O; u. M5 H$ S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
7 o, m! B5 i9 A: sDesign of hybrid steel girders 混合钢梁设计
4 J* x9 f- l, k/ d) \2 Yhttp://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
4 G- e; s* n3 a) Fultra-high performance fiber reinforced concrete

推荐一本专门研究这种材料应用的书
8 O8 z/ A  d# N* ^9 `+ o6 @. jDesigning and Building with UHPFRC-State of the art and development
Edited 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
% `! D* f9 f1 |. d% I( I+ s( d3 A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 ...

/ G  _. s! x+ o8 J  J  l6 m) Q) d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

我也在这里补充个关于UHPC的文献，希望有帮助。