大跨径钢-UHPC轻型组合桥梁结构设计理论

In the long-span continuous and flexible bridges, the traditional steel-concrete composite girder structures have two drawbacks. First, because of the low tensile strength of ordinary concrete, the top flange of the concrete deck in negative moment zones is prone to crack. Second, with heavy self weight, the traditional steel-concrete composite girder is uneconomical for (super) long-span bridges. To overcome the above drawbacks, the applicant has proposed the original steel-UHPC (Ultra High Performance Concrete) lightweight composite bridge structures. By utilizing the high strength, superior ductility and excellent durability of UHPC, the applicant uses the thin UHPC deck with shallow ribs (i.e., waffle deck panel) to replace the thick concrete bridge deck in traditional composite girders, which can reduce the self weight by about 35% and meanwhile ensure its high cracking strength and superior durability. This project focuses on a series of inherent scientific problems of the steel-UHPC lightweight composite bridge structures: the basic performance and failure mechanism of the reinforced UHPC and the steel-UHPC composite members will be explored; the controlling indexes and multi-factor influence mechanism of the steel-UHPC lightweight composite girders under different long-span bridge systems will be revealed; the design theory of long-span steel-UHPC composite bridge structures will be proposed for different loading modes and the outcomes will be applied to major bridge projects.

在大跨径连续体系和柔性体系桥梁中，传统钢-混凝土组合梁结构存在着两方面难题：其一，因普通混凝土抗拉强度低，负弯矩区内上缘混凝土容易受拉开裂；其二，因自重较大，传统组合梁应用于（特）大跨径桥梁时并不经济。为了解决上述难题，申请者提出了原创性的钢-超高性能混凝土UHPC（Ultra High Performance Concrete）轻型组合桥梁结构，利用高强度+高韧性+高耐久性的UHPC材料，采用薄型UHPC带矮肋桥面板（华夫板）代替传统组合梁中较厚的混凝土桥面板，既可减轻自重约35%，又保证其高抗裂强度和高耐久性。本项目研究新结构中一系列内在科学问题：探明配筋超高性能混凝土及其钢-UHPC组合构件的静力、疲劳性能和破坏机理；揭示不同大跨桥梁体系下，钢-超高性能混凝土轻型组合梁的控制性指标和多因素影响机制；提出大跨径钢-超高性能混凝土组合梁在不同受力模式下的设计理论，并将成果应用于重大工程。

在大跨径连续体系和柔性体系桥梁中，传统钢-混凝土组合梁结构存在着两方面难题：其一，因普通混凝土抗拉强度低，负弯矩区内上缘混凝土容易受拉开裂；其二，因自重较大，传统组合梁应用于（特）大跨径桥梁时并不经济。为了解决上述难题，项目组提出了原创性的钢-超高性能混凝土UHPC（Ultra High Performance Concrete）轻型组合桥梁结构体系。本项目在以下研究内容方面取得了进展：.UHPC材料单轴拉伸力学性能及纤维取向分析。根据大跨径钢-UHPC组合梁结构背景，重点研究了UHPC材料的轴心抗拉力学行为与内部钢纤维的纤维取向，并提出了UHPC材料四点弯曲与轴心抗拉力学行为相互转换的方法。.组合梁UHPC桥面板结构的基本受力性能。研究了UHPC桥面板静力与疲劳抗弯、抗剪、冲切性能。研究证明了：与传统28cm厚的普通混凝土桥面板结构，UHPC轻型桥面板的平均厚度在13.4-17cm之间，自重可降低30%-50%。另外桥面板的结构性能优越，使用期间内不会出现疲劳断裂现象，仅需要正常的维护工作。.不同结构体系中钢-UHPC轻型组合梁结构的静动力行为与设计理论。分析了梁式桥、斜拉桥和悬索桥体系中，钢-UHPC轻型组合梁结构的受力性能，并给出了合理的结构设计方案，包括无预应力钢-UHPC组合梁先简支后连续梁、大小伞斜拉桥等新型结构设计。研究证明了钢-UHPC轻型组合梁在实际工程应用时具有良好的结构抗裂性，无需使用预应力钢束，施工更加简单、快速。.设计方法。提出了钢-UHPC轻型组合梁结构的设计方法，并形成了《公路桥涵超高性能混凝土应用技术规范》。.本研究针对传统大跨径钢-混凝土组合梁结构存在的典型病害问题提出了新的解决方案，理论和试验研究均表明，新型钢-UHPC轻型组合梁结构受力性能良好，有望解决大跨径组合梁桥的难题，并具有良好的经济性能。因而本项目研究意义重大，将产生巨大的社会和经济效益。