超高性能轻型SC组合桥面技术钢桥新技术

钢桥的超高性能轻型组合桥面技术

—攻克钢桥的主要技术瓶颈

2012年10月钢桥面的两个公认难题钢结构易出现疲劳开裂

钢桥面铺装极易损坏是制约钢桥发展的主要技术瓶颈钢桥面的常见病害2研发目的研发目的：综合解决钢桥面的两个难题31.钢桥面的两个疑难问题

钢桥面铺装问题41.钢桥面的两个疑难问题

1.1钢桥面铺装的使用现状

1、浇注式沥青混凝土（Gussasphalt）2、沥青玛蹄脂混凝土(SMA)

3、环氧树脂沥青混凝土（Epoxyasphalt）

三种常规的钢桥面铺装方案:

51.钢桥面的两个疑难问题

1.1钢桥面铺装的使用现状

部分桥梁钢桥面铺装破坏失效情况桥梁名称建成年代铺装类型主要破坏形式Littlebelt1970浇注式沥青混凝土纵向疲劳裂缝Bosporus桥1973浇注式沥青混凝土纵向疲劳裂缝LionGate桥197850mm环氧沥青混凝土层间滑移广东肇庆马房大桥198460mm橡胶沥青混凝土开裂、坑槽宜昌西陵大桥199660mm改性密集配沥青混凝土开裂、车辙、推挤香港青马桥199750mm浇注式沥青混凝土局部鼓包、脱层广东虎门大桥199755～60mm单层改性SMA疲劳开裂、车辙61.钢桥面的两个疑难问题

1.1钢桥面铺装的使用现状

部分桥梁钢桥面铺装破坏失效情况(续)桥梁名称建成年代铺装类型主要破坏形式江阴大桥199950mm浇注式沥青混凝土疲劳开裂、车辙厦门海沧大桥199930mmSMA13+35mmSMA10疲劳开裂、车辙重庆鹅公岩大桥200060mm改性级配沥青混凝土油斑、光面的轮迹带武汉白沙洲大桥200030mmSMA13B+50mmSMA13A疲劳开裂、车辙、脱层南京长江二桥200052mm环氧沥青混凝土疲劳裂缝SanMateo-Hayward桥200250mm环氧沥青混凝土脱层7钢桥面铺装病害及其机理我国大跨径桥梁桥面铺装病害相对较多。

常见病害类型及产生的主要原因有：81.纵、横向裂缝破坏钢桥面铺装层的纵向裂缝车轮作用下加劲肋顶部的负弯矩钢桥面铺装病害及其机理9

钢桥面铺装层出现的脱层及推移破坏2.脱层及推移破坏钢桥面铺装病害及其机理103.坑槽破坏坑槽破坏是一种种比较明显的过程化破坏：“发丝”状裂缝缝中中期的网网状裂缝局部承荷能力急急剧下降坑坑槽早期“发丝”裂裂缝中期网状裂缝缝末期的坑槽钢桥面铺装病害害及其机理114.车辙破坏车辙就是车轮永久压痕。轮迹处铺装层层厚度减薄，削弱了面层及及路面结构的整体强度，从而诱发其他病害。。钢桥面铺装病害害及其机理121.钢桥面的两个疑疑难问题桥面钢结构疲劳劳问题131.钢桥面的两个疑疑难问题1.2正交异性钢桥面面板疲劳开裂常见的疲劳裂缝缝：面板开裂；面板与纵肋角焊缝开裂；纵肋与隔板焊接开裂；纵肋接头开裂。141.钢桥面的两个疑疑难问题1.2正交异性钢桥面面板疲劳开裂某大桥出现的疲疲劳裂缝面板开裂151.钢桥面的两个疑疑难问题1.2正交异性钢桥面面板疲劳开裂某大桥出现的疲疲劳裂缝纵肋腹板与面面板连接角焊焊缝开裂纵肋面板161.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂某大桥出现的的疲劳裂缝纵肋下缘与横横隔板间焊缝缝开裂纵肋横隔板171.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂某大桥出现的的疲劳裂缝隔板撕裂181.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂国外桥梁也出出现类似开裂裂现象19面板开裂1.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂国外桥梁也出出现类似开裂裂现象20面板开裂1.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂面板与纵肋间间焊缝开裂21国外桥梁也出出现类似开裂裂现象1.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂面板与纵肋间间焊缝开裂22国外桥梁也出出现类似开裂裂现象1.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂纵肋与横隔板板间焊缝开裂裂23国外桥梁也出出现类似开裂裂现象1.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂纵肋接头焊缝缝开裂24国外桥梁也出出现类似开裂裂现象1.钢桥面的两个个疑难问题1.2正交异性钢桥桥面板疲劳开开裂纵肋接头焊缝缝开裂25国外桥梁也出出现类似开裂裂现象1.钢桥面的两个个疑难问题沥青铺装层的高温、疲劳性能和粘结强度不足；

钢桥面板的刚度不足；应力幅过大(超载）；构造细节处理不当，焊接残余应力等偏大。出现两类病害害的主要原因因26解决问题的常常规思路：1、加大面板厚厚度2、改进构造细细节无法治本！271.钢桥面的两个个疑难问题“…,与混凝土桥面面相比，车轮轮荷载作用下下钢桥面承受受了过大的局局部变形，导导致疲劳裂缝缝经常出现，，很多重要桥桥梁使用不到到20年就需要维修修加固了。””刊于ASCEJournalofBridgeEngineeringMay1,2007281.钢桥面的两个个疑难问题从掌握资讯的的整体情况来来看：国内因超载、高温等原因钢桥面铺装寿命很短，正正交异性板疲疲劳开裂现象象较普遍；（环氧沥青弯弯拉强度：20oC时，12～15MPa60oC时，3～4MPa）国外钢桥面铺装寿寿命较长，但但正交异性板板疲劳开裂问问题未解决，，一般使用不不到20年就需维修加加固钢结构。。291.钢桥面的两个个疑难问题能否同时解决决上述两个难难题？301.钢桥面的两个个疑难问题1.3解决难题新理理念综合解决钢桥面疲劳裂裂纹和铺装易损坏的新思路：沥青铺装层（35~80mm）传统的沥青铺铺装311.钢桥面的两个个疑难问题1.3解决难题新技技术综合解决钢桥面疲劳裂裂纹和铺装易损坏的新思路：钢面板磨耗层（15~30mm）永不开裂STC薄层（40~60mm）焊钉钢桥面组合桥面钢筋网超高韧性轻型型组合桥面32改变了桥面的的设计理念桥面铺装桥面结构（以经验指导的路面设设计）（以理论指导的桥梁设设计）331.钢桥面的两个个疑难问题1.3解决难题新技技术这样做的好处处有：（2)水泥基面板上上铺磨耗层，，价廉且耐久性性好。（1)组合结构提高高了桥面刚度度，大幅度减减小了面板和和纵横肋在轮轮载下的应力力，提高了钢桥面面的抗疲劳寿寿命；34为什么称为““轻型组合结构构”？自重较大桥面板抗拉强度低

超高韧性轻型型组合结构VS常规组合结构构自重较轻桥面板抗拉强度高

>20cm5cm适合于大跨柔性桥梁1.钢桥面的两个个疑难问题351.钢桥面的两个个疑难问题1.3解决难题新技技术形成新的组合合结构类型：：混凝土结构钢结构钢－混凝土组组合结构超高韧性轻型组合结构构362.超高性能活性性粉末混凝土土(RPC)基本性能2.1活性粉末混凝凝土(RPC)的研发RPC－ReactivePowderConcrete；1993年在法国Bouygues实验室研制成成功；超高强度、超超高韧性和高耐久性的水泥基复合合材料。上海世博会法法国馆的RPC外包线网372.超高性能活性性粉末混凝土土(RPC)基本性能2.1活性粉末混凝凝土(RPC)的研发混凝土类型RPC200普通混凝土RPC/普通抗压强度（MPa）170~23020~50约4倍抗折强度（MPa）30~602～5约10倍弹性模量（GPa）40~6030~40约1.2倍材料断裂韧性（kj/m2）20~400.12约200倍徐变系数0.29~0.311.3~2.1约20%382.超高性能活性性粉末混凝土土(RPC)基本性能与高性能混凝凝土(HPC)相比，RPC材料的显著特特点是强度更更高、韧性更更大。2.1活性粉末混凝凝土(RPC)的研发属于超高性能能混凝土Ultra-highPerformanceConcrete（UHPC）与金属铝力学性能接近近392.超高性能活性性粉末混凝土土(RPC)基本性能2.2活性粉末混凝凝土(RPC)的组分石英砂水泥石英粉硅灰减水剂钢纤维粉煤灰没有粗骨料，，最大集料粒粒径为600μm402.超高性能活性性粉末混凝土土(RPC)基本性能细骨料按最大密实度理理论进行级配412.超高性能活性性粉末混凝土土(RPC)基本性能2.2活性粉末混凝凝土(RPC)的施工具有优异的和易性，易于施工操作和保证均匀密实。施工性能42奥地利Wild拱桥，跨径70m，主拱壁厚仅仅50mm，建于2006年，是第一座RPC公路拱桥。蒸养室壁厚仅5cm《桥梁》杂志2011年第5期P48页奥地利威尔德德桥威尔德桥的设设计使用年限限为200年。超长寿命源于于RPC材料的耐久性性指标混凝土类型RPC200普通混凝土RPC/普通氯离子扩散系数（m2/s）0.02×10-121.1×10-121/50冻融剥离（g/cm2）7＞10001/140吸水特征（kg/m3）0.22.71/13磨耗系数1.34.01/3（源自国际上上第一篇介绍绍RPC的论文：MicrostructuralAnalysisofRPC.CbeyrezyM,MaretV,FrouinL.CementandConcreteResearch,1995,25(7)）RPC为何拥有超长长寿命？454.应用于虎门门大桥的试试设计RPC材料因早期期收缩量很很大，可达达800με，直接铺在在钢桥面上将出出现收缩开开裂。为此对RPC改性，研制制成功超高高韧性混凝凝土STC（SuperToughnessConcrete)。钢－STC组合结构的的超高韧性性464.应用于虎门门大桥的试试设计为了检验新新型STC组合桥面应应用于悬索索桥钢箱梁梁的可行性性，参照虎虎门大桥原原设计数据据，分别计计算了纯钢箱梁和STC组合箱梁两种情形下下，悬索桥桥主要受力力构件的内内力或应力力变化情况况。474.应用于虎门门大桥的试试设计新型STC组合桥面结结构（1）试设计桥桥面构造方方案钢面板(12mm)Φ13焊钉STC层（45mm）磨耗层（20mm）484.应用于虎门门大桥的试试设计（2）全桥内力力计算依照《虎门大桥工工程（第二二册悬索索桥）》中提供的相相关资料，，用Midas软件对悬索索桥做了全全桥结构计计算，主桥桥跨径888m，矢跨比1:10.5，吊索间距距12m，主缆中距距33m，钢箱梁宽宽35.6m、高3.012m。494.应用于虎门门大桥的试试设计（2）全桥内力力计算加劲梁及桥桥面系按以以下两种情情形分别计计算：a原设计：钢钢箱梁上铺铺7cm厚沥青混凝凝土；b组合梁试设设计：钢箱箱梁上铺4.5cm厚STC＋2cm厚沥青混凝凝土。容重27kN/m3容重24kN/m3虎门大桥变变更桥面板板前后主缆缆索力对比比（单位：：kN）桥面类型恒载水平索力活载下最大索力钢桥面板132818.5225947.8组合桥面板133059.3825966.5增幅％0.180.0悬索桥主缆缆系统受力力只有极其其细微的变变化，不影响安全全。504.应用于虎门门大桥的试试设计（3）桥面板局局部轮载计计算取全幅宽、、两个吊索索间距，按按2跨连续计算算，局部轮轮载作用面面积：20cm（长）×62cm（宽）。虎门大桥局局部计算车车辆荷载横横向布置示示意图514.应用于虎门门大桥的试试设计（3）桥面板局局部轮载计计算桥面板局部部轮载效应应计算模型型67万余个单元元65万余个节点点桥面计算模模型如下图图所示：524.应用于虎门门大桥的试试设计（4）综合计算算结果分析析采用组合桥桥面后：桥面板刚度度增加40倍，相当于钢面面板厚由12mm增降至40mm等刚度40mm钢面板12mm钢板45mmSTC层534.应用于虎门门大桥的试试设计（4）综合计算算结果分析析桥面板应力力计算点544.应用于虎门门大桥的试试设计（4）综合计算算结果分析析钢面板横向向拉应力由由100.1MPa降至21.97MPa(降幅78%）;面板与纵肋肋焊缝拉应应力由76.95MPa降至24.57MPa(降幅68%）。由ASHTO桥规可知：：疲劳强度与与应力幅的的立方成反比，若若应力幅减减小1/2，疲劳寿命命将增大8倍。正交异性钢钢板所有部部位的应力力均大幅下降，其中：554.应用于虎门门大桥的试试设计（4）综合计算算结果分析析STC桥面板应力力（MPa；拉+压-）应力方向拉应力压应力顺桥向10.08-19.29横桥向6.41-10.60564.应用于虎门门大桥的试试设计（4）综合计算算结果分析析STC材料能否承承受如此大大的应力？？足尺模型试试验予以验验证。57虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验58钢面板(12mm)Φ13焊钉STC层（45mm）磨耗层（20mm）5.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验试验验证该该体系的可可行性595.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验钢-STC结合面抗剪推出试试验；虎门大桥桥桥两种面板板条带足尺模型试试验。605.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.1钢-STC结合面抗剪剪推出试验验推出试验模模型A—A615.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.1钢-STC结合面抗剪剪推出试验验（续）STC板内钢筋和和焊钉焊钉直径13mm，高35mm35mm625.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.1钢-STC结合面抗剪剪推出试验验（续）公式参数与与栓钉长度度无关短拴钉在STC中锚固是否否可靠？每根栓钉的的容许抗剪剪力计算公公式：（栓钉尺寸寸：直径13mm，高度35mm）=45.77kN635.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.1钢-STC结合面抗剪剪推出试验验（续）钢－STC结合面推出出试验结合面破坏坏形态200t压力机剪断荷载：534kN

单个拴钉的抗剪承载能力：＝66.75kN＝1.46拴钉被整齐剪断STC无任何裂缝+短拴钉在STC中锚固可靠靠645.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.3虎门大桥桥桥面板条带带足尺模型型试验纯钢梁原形形断面浇筑STC后的组合断断面按照虎门大大桥正交异异性钢桥面面板尺寸，，截取一个个条带，按按1:1制作试验模模型，模型型长10.4m，按两跨连连续设计。。模型及加载载装置图655.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.3虎门大桥桥桥面板条带带足尺模型型试验（续续）足尺纯钢梁梁模型加载载试验剪力钉、钢钢筋网665.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.3虎门大桥桥桥面板条带带足尺模型型试验（续续）STC内配筋情况况675.虎门大桥两两种桥面板板足尺模型型试验5.3虎门大桥桥桥面板条带带足尺模型型试验（续续）STC板达到强强度后，，表面未未出现任任何收缩缩裂缝，，表现出出优良的的韧性。。685.虎门大桥桥两种桥桥面板足足尺模型型试验抗压强度度＝135.9MPa抗压弹性性模量＝＝42.6GPa抗折强度度＝29.2MPaSTC材料力学学性能试试验5.3虎门大桥桥桥面板板条带足足尺模型型试验（（续）695.虎门大桥桥两种桥桥面板足足尺模型型试验5.3虎门大桥桥桥面板板条带足足尺模型型试验（（续）钢－STC组合梁加加载试验验组合梁加加载到上上缘STC的拉应力力达到42.7MPa后STC表面才出出现细微微裂缝。。705.虎门大桥桥两种桥桥面板足足尺模型型试验5.3虎门大桥桥桥面板板条带足足尺模型型试验（（续）200万次疲劳试验验（STC的拉应力力幅值为为7.25~14.5MPa），STC未出现开开裂迹象象71进展展应用于马房大桥桥6.应用于马马房桥（（试验桥桥）72进展展马房北江江大桥（（钢桥））维修工工程历史马房大桥桥建成于于1984年，是公公、铁路路两用桥桥，公路路桥为14孔64米简支钢钢箱梁，，正交异异性板钢钢桥面。。由于桥面板刚刚度小（板厚12mm，角钢加加劲肋高高120mm)，交通量大大，重车车多，造造成了桥桥面铺装装短期使用用后就出现大量量车辙、开开裂、推推移和拥拥包等病害，，曾采用多种不同铺装装方案进进行实桥桥试验和和维修，如改性沥青青、环氧沥青青、聚合物改改性混凝凝土等，但使用寿寿命均不超过3年。6.应用于马马房桥（（试验桥桥）73进展展马房桥钢钢桥面铺铺装层病病害6.应用于马马房桥（（试验桥桥）74进展展马房大桥桥第11跨轻型组组合桥面面结构方方案6.应用于马马房桥（（试验桥桥）75进展展桥面STC应力：纵向13.07MPa，横向14.85MPa6.应用于马马房桥（（试验桥桥）76进展展马房桥桥桥面板1:1试验模型型6.应用于马马房桥（（试验桥桥）77进展展应变计用用于测试试STC收缩应变变（蒸养结结束时实实测收缩缩应变为为110με）6.应用于马马房桥（（试验桥桥）78进展展3.2m大悬臂上上承受60吨荷载6.应用于马马房桥（（试验桥桥）3.2m4.5m1.3m2m79进展展模型左侧侧3.2m长的大悬悬臂上堆堆载60吨时，钢钢横梁被被局部压压屈，但但STC层仍保持持完好，，未出现现裂纹。。此时STC最大拉应应力达到到40MPa。即超载达达2.7倍仍未见见开裂。。模型试验验验证了了STC应用在马马房桥钢钢桥面上上强度足足够。6.应用于马马房桥（（试验桥桥）80轻型组合合桥面的的抗超载载能力STC层拉应力随随温度变变化6.应用于马马房桥（（试验桥桥）81进展展界面抗剪、抗垂直拉拔拔力验算6.应用于马马房桥（（试验桥桥）82a）抗水平平剪力栓钉直径径为13mm，高度为为40mm；根据美美国AASHTO规范，单个栓栓钉的抗剪承载力为为：45.77kN。栓钉布置置横桥向向间距为为325mm；纵桥向向间距为250mm。Ansys有限元计算表明：单个栓钉的最最大剪力为2.22kN，满足设设计要求求。6.应用于马马房桥（（试验桥桥）83进展展b）界面抗抗垂直拉拉拔力参考美国国LehighUniversity提出的计计算公式式，单个栓钉抗拉拔承载载力为29.17kN。Ansys有限元计算表明：单个栓钉的最最大拉拔拔为1.05kN，满足设设计要求求。6.应用于马马房桥（（试验桥桥）84进展展实桥施工工6.应用于马马房桥（（试验桥桥）85进展展6.应用于马马房桥（（试验桥桥）焊接桥面面短栓钉钉86进展展6.应用于马马房桥（（试验桥桥）STC内钢筋网网及焊钉钉87进展展6.应用于马马房桥（（试验桥桥）桥面现浇浇50mm厚STC层88进展展6.应用于马马房桥（（试验桥桥）STC桥面80oC高温蒸汽汽养生89进展展6.应用于马马房桥（（试验桥桥）超高韧性性轻型组组合桥面面施工完完成（未未见任何何裂缝））90进展展6.应用于马马房桥（（试验桥桥）铺设磨耗耗层后91铁科院对对马房桥桥的检测测结论：：新铺装未未见混凝凝土开裂裂破损的的现象；新铺装完完毕后，，构件应应力明显显下降，，相对于于原铺装装状态，，应力降降低幅度度达80%～92%。纵桥向应应变实测测值荷载试验验检测报报告93横桥向应应变实测测值荷载试验验检测报报告94测点局部部挠度实实测值荷载试验验检测报报告95进展展马房桥共共有14跨，目前前共实施施了5种试验方方案：第1~9跨：沥沥青混混凝土(SAC)第10跨：环环氧沥青青（日本本技术））第11跨：轻轻型组合合桥面第12跨：SPS(双层钢夹夹心板））第13、14跨：聚合物改改性混凝凝土6.应用于马马房桥（（试验桥桥）2011年同时完完工2010年完工（已出现现长裂缝缝）（已大面面积破坏坏）96马房桥五五种实验验方案效效果对比比图第1~9跨：沥沥青混混凝土(SAC)马房桥五五种实验验方案效效果对比比图第10跨：环环氧沥青青（日本本技术））（已出现现长裂缝缝）马房桥五五种实验验方案效效果对比比图第11跨：轻型型组合桥面马房桥五种实验方方案效果对比图第12跨：SPS(双层钢夹心板）马房桥五种实验方方案效果对比图第13、14跨：聚合物改性混凝土土（已大面积破坏））虎门大桥桥面系造造价对比环氧沥青混凝土铺装新型组合桥面结构运营时间（年）总费用（万元）运营时间（年）总费用（万元）04262.405008.388524.885221.41612787.2165434.6……8851148.8887352.610051148.81007352.6造价对比表大桥钢桥面系为888m×30m；环氧沥青铺装均价价按1600元/m2计，每8年更换一次；新型组合桥面结构构中STC层按1800元/m2计，无须更换；磨耗层层按80元/m2计，每8年更换一次。102虎门大桥桥面系造造价对比第8年显现经济优势103基本消除了桥面钢钢结构疲劳开裂风风险，带来的巨大效益无无法估量。巨大的经济效益104国外的相关研究105国外已经尝试采用用水泥基材料作为为钢桥面的铺装层层，即刚性铺装。如：（1）荷兰、丹麦等国国家采用密配筋高性能混凝凝土RHPC；（2）日本采用钢纤维混凝土SFRC。国外刚性铺装应用用情况RHPC铺装（荷兰）SFRC铺装（日本）106国外应用刚性铺装装使用情况序号桥名所在国家铺装材料铺装厚度施工时间运营状况1CalandBridge荷兰RHPC50mm2003年横桥向出现开裂病害裂缝宽度为0.05-0.1mm，

每0.3-1m出现一道最大裂缝深度达到板厚2MoerdijkBridge47-100mm2005年横桥向出现开裂病害裂缝宽度为0.1mm，每0.2-0.3m出现一道3HagesteinBridge60mm2006年局部出现肉眼可见收缩

裂缝4