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全国市政工程行业科技成果展示:超高性能混凝土桥梁结构应用研究

    “超高性能混凝土桥梁结构应用研究”项目于2013年10月立项,2016年11月完成并通过了成都市住房和城乡建设委员会组织的项目成果鉴定。该项目研究由成都市城市建设科学研究院、四川西南交大土木工程设计有限公司、广东冠生土木工程技术有限公司承担。该项目获得“全国市政行业2016年度市政工程科学技术奖”二等奖,其研究成果适用于城市道路及公路各类桥梁的正交异性桥面结构,也适用于抗震地区桥梁的桥墩和挡块结构。

    项目研究技术原理及内容

    “超高性能混凝土桥梁结构应用研究”项目采用的技术原理如下。

    通过建立钢箱梁有限元模型分析正交异性桥面板的二三体系受力,针对分析中顶板、U肋应力偏大的问题,进一步对比分析沥青铺装和不同厚度UHPC铺装方案对钢箱梁强度、顶板刚度的改善效果和桥面疲劳问题;建立推出试件精细化数值分析摸型,揭示短栓钉的抗剪性能;基于OpenSEES对UHPC作为桥墩预设塑性铰与普通钢筋混凝土桥墩进行数值分析并进行对比,研究UHPC对桥墩抗震的改善情况,具体包括单墩非线性梁柱单元的静力推覆(Push-over)分析以及通过施加低周反复荷载,进行结构拟静力分析。

    项目研究主要内容如下。

    1)基于强化混凝土性能的UHPC设计研究:①UHPC配合比研究;②UHPC抗压、抗折、弹性模量等力学性能的研究。

    2)UHPC组合桥面结构的特性研究:①钢-UHPC组合桥面静力特性研究;②钢-UHPC组合桥面疲劳特性研究;③UHPC铺装施工工艺与运营阶段的管理养护研究。

    3)UHPC组合桥面精细化数值模拟分析研究:①UHPC组合桥面精细化数值模拟受力情况;②UHPC接缝研究。

    4)基于UHPC的高韧性在抗震桥梁中应用研究:①UHPC代替桥墩塑性铰区普通混凝土耗能分析研究;②UHPC挡块地震中耗能分析研究。

    5)UHPC连续桥面板设计方法研究:①明确UHPC连续桥面板设计验算方法与参数取值;②UHPC连续桥面板与伸缩缝装置经济性对比分析。

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礐石大桥主桥钢桥面面板抛丸处理

    项目关键技术创新点

    该项目研究的关键技术及创新点如下。

    1)超高性能轻型组合桥面结构体系的应用,将传统的沥青混凝土铺装层钢桥面转化为永久性的钢-UHPC组合桥面结构,有效解决了钢桥面板疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损的病害问题。

    2)优化了与钢桥节段拼装施工相适应的 UHPC接缝方案,并通过理论和精细化数值模拟验证了此接缝形式具有良好的力学性能,有助于提高超高性能轻型组合桥面结构对大跨、宽幅钢桥的适用性。

    3)基于国内应用条件和工程案例的掌握,形成了UHPC连续桥面板的设计方法,为今后的推广应用奠定了基础。

    4)基于桥梁地震中的震害研究,考虑到UHPC的高韧性和高强度,以UHPC代替普通混凝土桥墩塑性铰部分,解决了普通混凝土桥墩延性不足和震后修复困难的问题。

    与国内外同类技术的比较

    目前国内外大跨径钢桥面板铺装大多数采用沥青混合料铺装。钢桥面沥青铺装损坏的原因主要有两个:一是钢桥面板刚度不足,沥青铺装层局部处于高应力区,这些位置容易疲劳开裂;二是钢桥面上沥青混凝土工作环境恶劣(夏季钢板的温度可达到70 ℃),超载车辆多,在重载行车和温度等共同作用下,铺装层容易出现车辙、黏结层失效或脱层等问题。对于钢桥面铺装出现的问题,常规解决问题的思路是:1)改进铺装混合料的材料性能,提高与钢桥面的黏着力和变形能力;2)优化铺装层厚度。但上述措施治标不治本。

    由于沥青混凝土为柔性铺装材料,与钢材相比,其弹性模量极低,基本不与钢桥面形成组合受力。因此,如果能在钢桥面上铺设水泥基材料等刚性铺装材料,则可提高桥面板刚度,大幅度降低应力幅,有望同时解决上述钢桥面沥青铺装损坏难题。但是普通混凝土无法胜任此项特殊任务,原因是在车轮荷载的反复作用下,混凝土铺装层中的拉应力较大,混凝土会很快开裂。为此,一些学者对混凝土的材料性能进行改进,如钢纤维混凝土(SFRC)铺装、高性能混凝土铺装等,但是,这类方法仍然存在不足:混凝土桥面板自身仍会出现开裂现象。若能将高抗拉强度和受拉极限应变的高韧性刚性水泥基复合材料与钢桥面形成组合结构协同受力,则有助于解决钢桥面铺装损坏的难题。

    “超高性能混凝土桥梁结构应用研究”项目技术成果,将传统的沥青混凝土铺装层钢桥面转化为永久性的钢-UHPC组合桥面结构,有效地解决了钢桥面板疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损的病害问题。

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礐石大桥主桥面超高韧性钢纤维混凝土(STC)浇筑施工

    项目应用成果与效益

    “超高性能混凝土桥梁结构应用研究”项目技术成果已在广东汕头礐石大桥工程中得到了成功应用,经济及社会效益显著。

    礐石大桥主桥是一座大跨度正交异性板加劲钢箱梁斜拉桥,长906 m,其中钢箱梁部分长718 m,原铺装方案为SMA,后采用浇筑式沥青方案进行过大修,但是病害重复出现。2016年8月,礐石大桥采用钢-超高韧性钢纤维混凝土(STC)轻型组合桥面结构方案进行维修,STC采用专业摊铺机浇筑,施工快捷高效、质量可靠。2016年11月,礐石大桥维修工程竣工通车,目前运营状态良好,桥面结构无病害发生。

    经济效益 以1 000 m2桥面铺装施工为例:环氧沥青等钢桥面铺装的价格约1 600元/m2,寿命平均约8年,100年内需更换12次,铺装工程总价1 920万元;超高性能轻型组合桥面结构的单价为1 900元/m2,其中STC寿命100 年,磨耗层寿命约8年,100年内只需更换12次磨耗层,单价为80元/ m2,铺装工程总价286万元。两者相比较,采用超高性能混凝土桥梁结构可产生的直接经济效益为1 634万元。

    社会效益 超高性能轻型组合桥面结构消除了钢结构疲劳开裂风险,将带来巨大的效益。此外,由于钢桥面2类典型病害问题的解决,桥梁在运营中的维护规模及维护中交通的阻断将大大减小,将产生潜在的社会效益。

    UHPC做塑性铰的桥墩具有较大的结构损伤容限,可以更好的适应抗震性能设计需求。大震后可保证桥梁的功能性,确保救灾人员第一时间进入灾区,减少震后的二次人员伤亡和经济损失,具有良好的社会效益。

    UHPC连接板与左右桥面或者路面形成连续的结构,因而使行车更加平稳、舒适、安全、可靠;同时可以避免伸缩缝处与路面及刚柔结合部位出现的啃边、开裂等病害,同时接缝处不发生跳车,行车平稳舒适,可增加通行能力和运输量,避免交通拥挤堵塞。      UHPC在温室气体排放、水污染和建筑垃圾等方面也有较大的改善。对于城市桥梁来说,采用UHPC无缝连接板,可以减少车辆对伸缩缝的冲击,从而减少由于冲击所产生的噪声。

    (成都市城市建设科学研究院 供稿)

    注:本文刊载于《市政技术》2018年第3期,第3、4页。