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1、大跨高性能桥梁结构的研究 邵旭东 湖南大学桥梁工程系2014527 2大跨径桥梁由混凝土、钢或钢混凝土组合结 构形成，由于材料本身的限制，上述三类桥梁面 临三大硬骨头难题亟待解决： 大跨桥梁主要难题钟祥大桥拆除 科罗巴岛桥垮塌(1)预应力混凝土连续箱梁普遍下挠开裂，严重者面 临报废拆除的命运a)铺装层开裂 b)铺装层推移 c)铺装层坑槽 d)铺装层车辙 钢桥面铺装层病害(2)钢桥面开裂和铺装层破损现象十分普遍，个别桥梁甚 至出现10年24次修的局面a)面板裂纹 b)纵肋与面板焊接处 裂纹 c)纵肋与隔板焊 接处裂纹 d)隔板撕裂 桥面钢结构疲劳裂缝2014527 6(3)钢混凝土组合梁自重大、
2、负弯矩区域混凝土易开裂， 难以用于超大跨径桥梁 法国学者BrozzettiJ.研究认为，当连续梁跨度超过110m后，钢混凝土组合梁方案不合理； 德国学者Svensson认为组合梁斜拉桥经济跨径上限为600m。 对于悬索桥，由于加劲梁自重完全由主缆系统承担，而 组合梁的自重约为钢梁的2倍，采用组合梁并不经济合理。2014527 7发展大跨径高性能桥梁结构，有望解决三个难题2014527 8何为“高性能结构”？ 根据美国预应力混凝土协会PCI的定义：高性 能结构融入了高性能材料和新型结构体系，具 有良好的力学性能和耐久性能，并在全寿命经 济性上具有优势。2014527 9超高性能混凝土UHPC(U
3、ltraHighPerformanceConcrete)，被认为是过去三十年中最具创新性的水泥基 工程材料。抗压强度可达150MPa，徐变系数仅为0.3左右。2014527 10但其抗拉强度仅为711MPa。通过对UHPC改性和加 筋，将开裂前抗拉强度提高至40MPa以上，并以此 材料为基础，发展了高性能桥梁结构。2014-5-27 1. 高性能连续箱梁解决开裂下挠难题， 并将连续梁经济跨径扩展至50m传统预应力混凝土箱梁 （三向预应力） UHPC箱梁 （仅需纵向预应力） 1.采用UHPC薄型板件，大幅度减轻结构自重； 2.设置密集横隔板以： （1）防止箱梁畸变； （2）对顶板加劲，取消横向预
4、应力； （3）对腹板加劲，取消竖向预应力； （4）对底板加劲，防止承压失稳； （5）方便体外预应力的布置与转向。与传统PC箱梁桥相比，UHPC箱梁桥可减轻结构自 重50%60%，变三向预应力为纵向单向预应力。2014-5-27 12m 顶板控制点主拉应力2014-5-27 部分试验成果 一、课题简介与国内外研究概况腹板抗剪对比实验 工况 加载图片 部分腹板测点的荷载主应变曲线对比 无隔板 自由端 附近部 分，在 自由端 加载， 剪跨比 为2.1多隔板 自由端 附近部 分，在 自由端 加载， 剪跨比 为2.1加载 支撑 撑0500100015002000250030003500400005010
5、0150200250主应变/荷载/kN 多隔板侧测点3无隔板侧测点3 破坏17 多隔板情形下UHPC梁的徐变性能试验 加载1.5吨 加载1.5吨 相关试验工作 30MPa加载点挠度时程曲线 相关试验工作051015202530354045505560657075808590101112131415161718192021222324时间（天） 竖向位移（m） 普通混凝土RPC无隔板ARPC多A跨径400mUHPC箱梁1:5节段模型试验 顶板：车辆荷载超载6倍不开裂； 腹板：超载2.2倍出现细微裂纹2014-5-27 经济指标分析 一、课题简介与国内外研究概况2014527 212014-5-2
6、7 2. 超高性能轻型组合桥面解决钢桥面及 铺装开裂破损的难题（1）有效提高了桥面刚度，大幅降低钢桥面应力，延长正 交异性钢桥面抗疲劳寿命3倍以上。 （2）彻底消除钢桥面铺装的难题。 钢STC轻型组合桥面优点：23钢面板 钢筋网及焊钉STC层（100年） 磨耗层(10年)轻型组合桥面新理念 新体系 传统沥青体系2014-5-27 UHPC开裂前抗拉强度42.7MPa2014-5-27 UHPC疲劳抗拉能力疲劳拉应力幅 0.021.3MPa，历经310万次未见开裂。国际上首次用于实桥上获得成功 马房桥钢桥面铺装层病害 桥面现浇50m厚STC层80oC高温蒸养72h 施工完成后2014-5-27
7、马房大桥上做了五种方案。 环氧沥青、橡胶沥青铺装开裂、车辙； 钢夹心板、聚合物混凝土铺装已破损； 唯独轻型组合桥面无任何病害！2014527 292013年11月通过了广东省交通运输厅鉴定2014527 30鉴定委员上桥察看，未见任何裂缝具有广阔的应用前景， 达到国际领先水平。 经对比，使用效果显著 优于其它铺装方案。2014527 32部分应用实桥：2014-5-27 3. 钢-UHPC轻型组合梁解决传统组合 梁自重过大，易开裂的难题2014527 342014527 352014527 362014-5-27 自重仅为传统钢-混凝土组合梁的50%； 基本无开裂风险2014527 38抗轮载
8、冲切破坏的最小面板厚度：Harris等通过冲切试验得出结论： 普通混凝土板最小厚度175mUHPC板厚25m足以抵抗冲切。Harris,D.K.andRobertsWollmann,C.L.,“CharacterizationofPunchingShearCapacityofThinUltraHighPerformanceConcreteSlabs,”ProcedingsoftheSecondInternationalSymposiumonUltraHighPerformanceConcrete,Ed.,Fehling,E.,Schmidt,M.,andStrwald.S.,KasselUniversityPress,Kassel,Germany,208.2014527 39结语： 高性能结构能够解决大跨桥梁的主要难题 高性能结构预期寿命可达20年，可能带来 桥梁建设的重大变革。2014527 40
