株洲枫溪大桥关键技术创新课件

1、株洲枫溪大桥关键技术创新主要内容3.纤维增强复合材料缠包带2.钢-UHPC轻型组合桥面1. 概述21. 概述3枫溪大桥是株洲市河西城区与河东枫溪新城、航空新城之间的快速过江通道， 也是株洲市第六座跨越湘江的大桥。株洲市株洲枫溪大桥株洲枫溪大桥北京株洲市1. 概述4桥型布置主桥:345+300+345m双塔单跨自锚式悬索桥主跨采用钢-UHPC组合桥面钢箱梁边跨加劲梁及锚跨采用混凝土结构 混凝土箱梁钢箱梁 混凝土箱梁 f/l=1/51. 概述5主塔及基础门式塔造型，北塔高97.4m，南塔高102.4m塔柱分为上、下塔柱，上下塔柱间设4m的变截面段上横梁断面尺寸：54.5m下横梁断面尺寸： 65.5

2、m承台纵横向尺寸：1413.2m，高4.4m桩基础直径：2.2m1. 概述6钢-UHPC组合桥面加劲梁钢梁高3.5m，梁宽32m，横隔板间距3.0m钢加劲梁总长298米，共27个梁段钢箱梁上铺UHPC超高性能混凝土，与顶板形成组合桥面1. 概述7钢-UHPC轻型组合桥面50mm沥青混凝土50mmUHPC薄层14mm钢面板8mmU肋13焊钉10mm钢筋网1. 概述8缆吊系统主缆采用33-915.1镀锌-5%铝-混合稀土合金高强平行钢丝吊索采用1670MPa级平行钢丝缠包后热挤HDPE 主索鞍、散索套和索夹采用全铸结构1. 概述9施工特点枫溪大桥采用先梁后缆的施工方法。施工时首先将主梁顶推到位，然

3、后挂主缆、吊索，完成体系转换顶推施工时，采用步履式顶推系统，可实时监测箱梁偏位、各支点受力，相对于拖拉式顶推工艺，临时墩的结构优化较大，更为安全步履式顶推施工步骤1. 概述10钢箱梁顶推施工现场首段钢梁顶推钢导梁到达临时墩顶推完成，施工砼加劲梁、锚跨及钢混结合段主要内容3.纤维增强复合材料缠包带2.钢-UHPC轻型组合桥面1. 概述113.1 钢-UHPC轻型组合桥面12正交异性钢桥面存在铺装易损坏和钢结构易出现疲劳开裂的问题在正交异性钢桥面上焊接栓钉、铺设钢筋网、浇筑UHPC层形成组合桥面，局部刚度大幅提高，可有效解决桥面铺装破损及钢结构疲劳开裂问题！车轮作用桥面局部变形示意钢-UHPC组合

4、桥面正交异性钢桥面3.1 钢-UHPC轻型组合桥面13134钢-UHPC轻型组合桥面应用研究足尺模型静力试验2足尺模型疲劳试验3钢-UHPC结合面抗剪设计4UHPC接缝研究5钢-UHPC轻型组合桥面结构设计1UHPC施工工艺流程163.1.1 钢-UHPC轻型组合桥面结构设计14顶板14mm钢板+UHPC层50 mm，沥青混凝土铺装厚50 mm UHPC层内钢筋采用10mmHRB400级钢筋 栓钉尺寸 1335 mm，布置间距150150 mm 轻型组合桥面沥青铺装层UHPC层（100年）钢筋网及焊钉3.1.1 钢-UHPC轻型组合桥面结构设计15134 局部计算UHPC层:实体单元板壳元（2

5、）UHPC层纵横向拉应力（1）正交异性钢桥面板疲劳应力点3.1.1 钢-UHPC轻型组合桥面结构设计16134桥面钢结构拉应力峰值计算结果位置应力方向拉应力/MPa纯钢梁组合梁降幅%面板a横桥向145.0022.3784.6面板b横桥向122.4213.0089.4纵肋cU肋腹板斜向47.5923.0651.5横隔d主应力横隔e主应力101.2881.7819.3纵肋底f纵桥向80.4752.89 34.3 局部计算桥面钢结构拉应力峰值最大降幅达89.4%！3.1.1 钢-UHPC轻型组合桥面结构设计17桥面钢结构压应力峰值计算结果位置应力方向压应力/MPa纯钢梁组合梁降幅%面板a横桥向-14

6、6.18-15.0089.7面板b横桥向-142.72-35.1175.4纵肋cU肋腹板斜向-66.65-39.5740.6横隔d主应力横隔e主应力-187.33-127.5631.9纵肋底f纵桥向-39.21-21.98 43.9 局部计算桥面钢结构压应力峰值最大降幅达89.7%！3.1.1 钢-UHPC轻型组合桥面结构设计18134UHPC层拉应力峰值计算结果位 置应力方向组合桥面拉应力（MPa）最大值最小值1横桥向11.756.912横桥向5.244.423横桥向7.403.584纵桥向9.40 6.90 局部计算UHPC层拉应力峰值最大为11.75MPa！3.1.2 足尺模型静力试验1

7、9134模型的纵向长度为：1200mm+2800mm+1200mm=5200mm，横向宽度为：7600mm=4200mm，钢顶板厚度14mm，横隔板厚度16mm。 试验模型构造3.1.2 足尺模型静力试验20134模型试验加载共分为10个工况，其中跨中和支点断面各5个，车轮的中心分别位于3#、4#肋间，4#肋左，4#肋中，4#肋右，4#、5#肋间 试验加载工况（a）跨中断面（b）支点断面3.1.2 足尺模型静力试验21134关注钢结构6个疲劳细节的应力水平：细节14均为连接焊缝的焊趾位置；细节5为横隔板上的弧形切口；细节6为加劲肋底 试验关注位置3.1.2 足尺模型静力试验22134桥面钢结构

8、应力峰值试验结果位置应力（拉+压-）/MPa纯钢梁组合梁降幅%细节1-1671789.9细节2582065.6细节3431565.1细节5392730.8细节6763751.1UHPC-3.37 34.3轻型组合桥面大幅降低了钢箱梁正交异性钢桥面板6个主要疲劳细节处的应力！3.1.3 足尺模型疲劳试验23134平面图立面图 足尺试验模型构造支座支座加载点支座支座3.1.3 足尺模型疲劳试验241A-A截面4 足尺试验模型构造剪力钉间距3.1.3 足尺模型疲劳试验254 试验情况剪力钉和钢筋布置桥盒与动位移计疲劳试验静载图3.1.3 足尺模型疲劳试验26134 疲劳试验结果疲劳试验中，控制弧形切

9、口边缘的主拉应力幅为68.2MPa，即为1.0倍的实桥设计疲劳应力幅。结果表明，在经历592万次疲劳循环后，圆弧切口处未出现任何疲劳裂纹。经历592万次疲劳循环后，足尺模型的其他疲劳细节和UHPC层均未出现疲劳开裂现象，模型的刚度也无明显衰减，表明在设计荷载作用下，钢-UHPC轻型组合桥面结构的抗疲劳寿命至少为592万次。3.1.4 钢-UHPC结合面抗剪设计27134 推出试验模型尺寸UHPC板的厚度为45-50mm，配置5055mm直径8mm的冷拔带肋钢筋网，工字钢腹板、翼板及顶板厚度均为12mm，两侧各布置短栓钉4个，栓钉高度为35mm，直径13mm，布置间距为200mm110mm。栓钉

10、尺寸3.1.4 钢-UHPC结合面抗剪设计28 试验情况试验现场模型试件破坏形态3.1.4 钢-UHPC结合面抗剪设计29134试件编号A-1A-2A-3A-4UHPC层厚（mm）50455050自然粘结情况无有有有试件抗剪承载力（kN）328534413413单个栓钉的抗剪承载力（kN）41.0066.7551.6351.63 试验结果栓钉的实测抗剪承载力为51.6366.75 kN，大于理论计算值。在轻型组合桥面中，钢-UHPC结合面间存在自然粘结，计算所得UHPC中短栓钉的抗剪承载力是偏于安全的。钢-UHPC组合梁模型3.1.4 钢-UHPC结合面抗剪设计30134 钢-UHPC组合梁模

11、型短栓钉疲劳试验钢面板顶面涂刷油脂疲劳试验模型3.1.4 钢-UHPC结合面抗剪设计31134 试验结果根据欧洲规范Eurocode 4规定，栓钉的抗剪S-N曲线计算公式，得到实桥应力幅下的加载次数为按照前述短栓钉试验中的B-1脱粘试件的疲劳试验结果可得：栓钉布置方式完全能够满足实桥抗剪疲劳使用要求，栓钉不会先于钢桥面板发生疲劳破坏。3.1.5 UHPC接缝研究32134 接缝示意图试验模型分别设计了配置6、8、10和12不同型号局部加强钢筋的接缝形式。3.1.5 UHPC接缝研究33134 接缝试验预制段UHPC板焊接钢筋接缝凿毛处理模型加载试验3.1.5 UHPC接缝研究341接缝处抗裂能

12、力较弱，应将接缝设置在低应力的位置，即横隔板跨中位置，以确保接缝不开裂4接缝加强筋直径/mm681012UHPC开裂应力/MPa13.216.619.421.8 接缝试验结果UHPC局部最大拉应力3.1.6 UHPC层的破损修补技术3534待修补区域UHPC的初期切分风镐对切割区域的UHPC层局部破碎，表面露出钢筋头拉拔钢筋，破碎需要修补区域的UHPC层风镐清除粘在钢板上的UHPC清理桥面，检查剪力钉，及时更换受损的剪力钉修补区域周边凿除10倍钢筋直径宽的UHPC，以露出钢纤维焊接连接用的短钢筋和接长钢筋浇筑UHPC层，高温蒸养，完成破损区域的修补施工 UHPC破损拆除及修补流程桥面清理3.1

13、.6 UHPC施工工艺流程36 UHPC施工工艺流程异型加强钢板焊接栓钉焊接钢筋网铺设接缝钢筋搭接3.1.6 UHPC施工工艺流程3734 UHPC施工工艺流程UHPC浇筑UHPC抹平UHPC保湿养护3.1.6 UHPC施工工艺流程383 UHPC施工工艺流程高温蒸汽养护UHPC层表面糙化面层铺筑3.1.7 成果效益39项目单位综合单价(元)A.钢-STC超高性能轻型组合加劲梁（薄层磨耗层铺装）B.常规钢加劲梁（环氧沥青混凝土铺装）数量建设成本(万元)更换次数全寿命成本(万元)数量建设成本(万元)更换次数全寿命成本(万元)桥面系用钢t140001415 1,98101,9811617 2,26

14、302,263STC层m2180067501,21501,2150000磨耗层m280675054116480000环氧沥青m21600000067501,0801112,960总投资万元 3,2503,844 3,343 15,223静态成本差(B-A)万元建设成本节省94万元，全寿命成本节省1.13亿元2016年6月8月 株洲市枫溪大桥UHPC桥面铺装施工主要内容3.纤维增强复合材料缠包带2.钢-UHPC轻型组合桥面1. 概述403.2 纤维增强复合材料缠包带4113纤维增强复合材料缠包带应用研究枫溪大桥主缆防护设计2纤维增强复合材料缠包带试验研究3纤维增强复合材料缠包带现场施工4国内外主

15、缆防护现状113.2.1 国内外主缆防护现状42传统腻子涂装系统主要是对主缆外表面进行封闭，以阻止和隔绝水分、盐和其它腐蚀物质对主缆钢丝的腐蚀，将不可避免会产生裂纹(a) 美国金门大桥主缆生锈 (b) 英国Forth桥主缆生锈 (c) 日本大岛大桥主缆生锈国内悬索桥主缆腐蚀情况国内外悬索桥主缆腐蚀情况美国布朗公司开发的纤维增强复合材料缠包带代替传统的腻子涂料系统，将预制的高强度、高模量、高延伸率布朗带缠绕在主缆表面，逐段采用热熔连接3.2.1 国内外主缆防护现状43挪威哈当厄尔大桥主缆采用布朗带防护3.2.1 国内外主缆防护现状4413枫溪大桥在主缆缠绕钢丝的外层缠绕纤维增强复合材料缠包带进行

16、综合防护针对悬索桥主缆柔性防护系统存在的问题，依托枫溪大桥进行以下研究：（1）研究中小直径纤维增强复合材料缠包带的现场缠绕成型关键技术，并开发相应的张紧缠绕设备；（2）深入调研、选择、开发改性缠包带的搭接热熔技术，形成相应的现场热压设备，确保加热加压均匀稳定，且搭接处强度大于等于母材本体强度；（3）针对柔性缠包带缠绕、现场搭接等关键工序，制定主缆防护体系柔性缠包带施工技术指南；（4）研究索夹处缠包带密封技术及施工工艺。3.2.2 枫溪桥主缆防护方案设计45134枫溪大桥主缆截面索夹外空隙率20%，直径约312.5mm，需在缠绕S形钢丝的基础上，采用现场缠绕纤维增强复合材料缠包带材料代替腻子涂装

17、系统采用预制的一定宽度（约15cm）的卷材相互搭接在主缆表面缠绕形成护套结构，然后采用热压硫化技术等方式使之形成完整的主缆护套结构该方式施工方便，可大幅节约原有现场油漆涂装的时间，且特种氯磺化聚乙烯橡胶材料天然具有耐老化等优良特性，同时可方便维修更换圆柱螺旋线理论导程假设一个动点沿一直径为2R的圆柱体旋转一周，其沿圆柱体轴向上升的高度称为导程，用S表示。动点绕轴螺旋2/n角度时，沿轴上升的距离为S/n。3.2.2 枫溪桥主缆防护方案设计46式中=t，为角速度，h 为螺距，称为螺旋角，若以弧长s为参数直径300mm的主缆，150mm宽的缠绕带，缠绕主缆段长度6000mm需要的缠绕带长度=402L

18、=40（2R）+S =76.3米缠绕时缠绕角度为80.8度搭接间距确定按主缆直径选用带宽，根据三层搭接口的搭接宽度，计算搭接间距设缠包带带宽为L，搭接口宽度L1，根据搭接宽度至少保证52%的要求。3.2.2 枫溪桥主缆防护方案设计47缠带机张紧力、缠包带表面张力计算主缆缠包防护功能要求缠包带包覆在主缆上时必须要有一定的表面张力才能永久保护在主缆上，表面张力值根据主缆直径和缠包带的抗拉强度进行计算 1）缠包带：宽=150mm、带厚=1.25mm 2）主 缆：L1主缆半径=150mm 3）缠带机： L2=缠带机手柄到主缆外径的距离=380mm ；L3=L1+L2=530mm 4）缠包带b抗拉强度：

19、缠包带经向拉伸强度26.9MPa，伸长率19%，纬向强度19.2MPa 5）缠包带屈服强度s：屈服强度s=0.6b=11.52N/mm缠包带表面许用张力F1=s 横截面积（宽厚度）=2160N缠带机张紧力F2=F1L1/L3 = 2160150/530 =611N61kgf 结论：缠带机施加给缠包带的张紧力F2控制在61kgf以内3.2.2 枫溪桥主缆防护方案设计48张力仪3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究49134试验内容缠包带研发设备研发工艺试验： 模拟弹性缠包带现场缠绕 延长接头搭接方法 柔性加热器热压硫化使缠包带热熔连接 索夹环缝处自紧密封装置安装、修补等施工工艺试验 张紧力、

20、缠包带表面张力测试 室外静态水渗透、变形、松弛、变色、龟裂等性能试验，重点观察索夹环缝处的密水性能3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究50缠包带研发根据从国外收集到的资料用于主缆防护的缠包带的材料为氯磺化聚乙烯胶带，2012年8月在国内找到了在地铁、轻轨、高铁上用的连接风挡材料同属一样性质的产品，选择了弹性纤维增强氯磺化聚乙烯胶带进行了相关材料性能试验和工艺试验。弹性纤维增强氯磺化聚乙烯胶带力学性能3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究51缠包带研发国产缠包带与美国布朗公司缠包带缠包、热熔对比试验热熔后剥离性能和老化性能测试 缠包带耐光老化、耐酸碱和耐燃烧性能测试缠包带热熔试验3.2

21、.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究52缠带机研发设备研发加热装置研发3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究53索夹环缝密封装置研发索夹环缝密封装置清理环缝周围，用胶枪将密封胶挤入环缝内，嵌入O型圈，再将密封胶挤入环缝内安装橡胶密封带安装不锈钢索箍1、2，用专用收紧器收紧；安装热缩带，上不锈钢不锈钢索箍3，用热风枪加热使它受热收缩包裹橡胶密封带，然后再上不锈钢索箍4，形成索夹环缝完全密封3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究54134模型为长6米，外径320mm钢管两端模拟索夹的环缝形状和尺寸设计环缝槽中间部分用冲孔板卷制，整根主缆要求可以承受至少200kg的缠绕力（枫溪大桥紧缆后,索

22、夹间主缆直径312.5mm，缠S型钢丝后，主缆索夹间直径321.2mm） 试验模型构造3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究553缠包带表面张力测试 试验内容缠包带缠绕搭接示意缠带机张紧力测试3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究563索夹环缝处自紧密封装置安装 试验内容加压、热熔粘合工艺试验3.2.3 纤维增强复合材料缠包带试验研究57 缠包带破损修补缠包带的破坏形式有三种： A型：割伤、 B型：撕裂和刺穿、C型：表面烫伤，其修补方法为： 受损面积较小时，采用局部修补。切割受损面积大小的缠包带，四周修圆角，用二甲苯清洁修补区域，用热风枪和手压轮修补 受损面积较大的，必须采用新的缠包带

23、绕一圈，并用加热毯进行加热熔接。在缠包新的缠包带前，对修补面采用二甲苯清洁缠包带烧伤修补试验3.2.4 纤维增强复合材料缠包带现场施工58 主缆防护体系柔性缠包带施工技术指南采用螺旋缠绕方式在索体上按52%的搭接，形成两层以上的搭接重叠，然后对搭接面进行加热加压熔接，使缠包带收缩紧贴索体表面形成保护层。索夹环缝采用环缝自紧密封装置形成环缝、索体整体密封；当缠缠包带加热全部完成后，在主缆表面涂刷防滑层，防止检修人员在主缆行走时打滑。1、环境要求 较为干燥的天气，湿度不超过90%，雨天不能施工； 环境温度不能低于+5，低于必须采取升温措施； 主缆表面必须干燥，不能有液态水、冰； 主缆表面必须清洁，不能有污垢；防止尖角锋利物刺伤缠包带。2、缠包带的保管和搬运缠包带用塑料袋包装，直立放入木箱中，不能横放，防止缠包带纸管受压变形；缠包带必须放置在阴凉、干燥和避光的地方保存，避免高温、潮湿和阳光照射而引起卷曲和老化。主缆缠包防护范围及缠包顺序主缆缠包防护范围从上索塔主缆索套第一个索夹开始到散索鞍密闭索夹结尾根据主缆直径选用相应的缠包带、缠带机和加热装置，根据搭接宽度要求调整好缠带机的螺旋升角，面向索体上端从下往上顺