经济型超高性能混凝土在正交异性钢桥面铺装中的应用及经济效益分析

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论文字数:28225 论文编号:sb2021052712395335814 日期:2021-06-29 来源:硕博论文网
本研究以经济型超高性能混凝土在正交异性板钢桥面铺装应用为目的,从超高性能混凝土材料配合比、施工工艺质量和成本方面进行研究,形成了经济型超高性能混凝土,并完成了其在正交异性板钢桥面铺装中的工程应用。但由于作者理论水平和精力有限,以及试验器材的限制,开展的经济型超高性能混凝土正交异形板钢桥面铺装研究工作还不够全面。例如目前的超高性能混凝土配合比优化设计主要是以半经验半理论的方法为主,其设计方法未取得实质性的突破,此外,原材料中仍采用价格相对昂贵的钢纤维和石英砂等,后续可开展利用树脂纤维、河砂等价格相对较低的原材料,从而进一步降低原材料成本,现有的施工工艺仍采用高温蒸汽养护,后续还可以优化施工工艺进一步降低超高性能混凝土的施工成本等。

第一章 绪论

1.1 研究背景
随着我国国民经济的迅猛发展,国内的基础设施建设,尤其是交通运输网络的建设也得到了长足的发展。改革开放四十年来,我国桥梁建设伴随着公路交通的跨越式发展全面铺开,各种超大跨径的桥梁也不断涌现。跨度超过 600m 的超大跨桥梁多采用钢箱梁和钢桁梁作为加劲主梁,而桥面系则一般采用正交异性钢桥面板(Orthotropic SteelDecks,简称 OSD)。正交异性钢桥面板是采用纵横向互相垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构,具有自重轻、承载力高、施工速度快等优点,在大中跨及超大跨径桥梁中得到了广泛应用。但在长期的使用过程中,正交异性钢桥面板存在易产生疲劳裂纹及桥面铺装过早损坏等病害。这些病害不仅给桥梁结构的整体强度和行车安全性带来了隐患,也对交通和经济的发展造成了不利的影响。
为了有效解决上述正交异性钢桥面板在使用过程中出现的病害,国内外桥梁、道路届的许多学者对正交异性钢桥面板和桥面铺装进行了大量的理论与试验研究。根据现有的研究,目前可行性较强的方法主要包括采用超高性能混凝土铺装层和双面焊接,但双面焊接也只能解决顶板与 U 肋焊缝的焊根疲劳开裂问题,对于焊趾以及 U 肋与横隔板焊缝开裂问题仍不能有效解决。因此,采用超高性能混凝土铺装层就成为了更优的选择。
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称 UHPC)是种具有超高强度、高耐久性和高韧性的新型水泥基复合材料[1-10]。配制过程中遵循最大密实度理论将构件的孔隙和微裂缝等缺陷降低到最少,能得到最好的耐久性和最大承载能力[1,10]。在桥梁工程领域,UHPC 广泛应用于主梁结构、桥面结构、接缝及旧桥加固等多方面[1]。据不完全统计,到 2016 年底为止,全世界其他国家已经有超过 400 座桥梁采用 UHPC应用为部分建筑材料,超过 150 座桥梁将 UHPC 应用为主体结构材料。图 1.1-1 展示了世界各国中 UHPC 在桥梁中的应用情况。
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1.2 正交异性钢桥面板铺装的发展与研究现状
1.2.1 正交异性钢桥面板的出现及发展
19 世纪 40 年代,Stephenson 与 Hodgkinson[11]提出了类似正交异性板体系的加劲钢结构,这是首次将正交异性加劲结构应用于桥梁工程领域,但当时并未把这种新型结构称作正交异性钢桥面板(OSD)。直到 20 世纪初,Huber 才首次提出了严格定义上的正交异性板的概念,之后这种结构才开始被推广到实际工程中。由于正交异性板结构能够在保证结构刚度的同时极大的降低钢材用量,在桥梁工程中得到了广泛的应用。第二次世界大战之后,德国急需快速修复在战争中遭到损坏的桥梁,而当时钢材紧缺,因此开始大规模采用正交异性钢板这种结构型式,取得了良好的经济效果。此后,这种兼顾使用性与经济性的新型结构在日本以及欧美的桥梁建设中得到大力的推广,正交异性钢桥面桥梁几乎遍及各种桥梁型式。目前为止,全世界已有超过 1500 座桥梁采用了正交异性钢桥面板结构。
我国在正交异性钢桥面钢箱梁技术方面起步较晚,直到 20 世纪 80 年代末才开始大规模应用。虽然我国对于正交异性钢桥面桥梁的研究与工程应用较晚,但发展极为迅猛。据统计,自 1970 年建成第一座钢桥面铁路板桥——潼关黄河桥以来,目前国内已建成或在建的正交异性钢桥面桥梁超过 300 座以上,其中不乏广东虎门大桥(主跨 880m)、汕头礐石大桥(主跨 518m)、江苏润扬长江大桥(主跨 1490m)、武汉白沙洲大桥(主跨 m)等大跨或超大跨径桥梁,如图 1.2-2 所示。
图 1.2-1 国内采用正交异性钢桥面的桥梁
图 1.2-1 国内采用正交异性钢桥面的桥梁
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第二章 正交异性钢桥面铺装工程应用案例分析及启示

2.1 常规正交异性板钢桥面铺装工程应用案例分析
常规正交异性钢桥面工程一般采用常规铺装方法,然而在使用初期就出现了开裂和坑槽等早期病害[63-65]。导致以上问题的主要原因是配合比设计不合理、施工工艺质量不过关以及养护不当等人为主观因素,而部分原因则是由于原材料、恶劣环境及超载等客观因素所造成。以天津西站复兴路高架桥为例,跨西青道位置(3#~6#)采用 40+50+40m连续钢箱形式,钢桥梁为单箱多室结构,桥面全宽 13.5~20.666m。桥面铺装层采用了35mm 的浇筑式沥青混凝土 GA10 桥面铺装。
2.1.1 施工质量控制措施
(1)施工准备
由于钢桥面的施工环境存在大量的水分,钢结构组件的锈蚀度偏高,浇筑式沥青混凝土在进行钢桥面铺装之前,要求工作人员在清理防水层的同时,对钢桥面出现的锈蚀进行必要的处理,处理过程中,必须保证除锈等级达到 Sa2.5 级,粗糙度则控制在50μm~100μm 的范围之内,以确保整体的除锈效果符合预期。
图 2.1-1 钢桥面除锈
图 2.1-1 钢桥面除锈
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2.2 超高性能混凝土桥面铺装在正交异性钢桥面工程应用案例分析
与钢纤维混凝土相比,超高性能混凝土具有超高的力学性能和耐久性。这种铺装体系不仅提高了钢桥面的刚度,还改善了桥面系的受力性能[66-67]。以佛陈大桥为例,全长约 1363m,桥位水面宽度约 90m。该桥右幅主桥采用超高性能轻型组合连续梁结构。钢桥面铺装方案为:在钢主梁上铺设薄层超高性能混凝土层,将钢箱梁转变成钢-UHPC 组合结构。即在钢箱梁上焊剪力钉,绑扎钢筋,再浇筑 UHPC 层。该项目采用 45mm 厚的超高性能混凝土钢桥面铺装。
2.2.1 施工质量控制措施
(1)施工准备
超高性能混凝土材料拌合前,各种施工设备必须调试完好,材料准备到位且输送管必须先润管。材料的搅拌作业由专人负责,技术人员旁站监督指导。
(2)钢桥面喷砂除锈
清钢桥面尘埃、杂物并清洗桥面,对将要喷查除锈处理的钢桥面进行预清洁处理。待桥面钢板干净干燥并满足相关要求后,开始喷砂除锈。
(3)原材料
铺装层主要材料是由 UHPC 干混料、钢纤维、水和高效减水剂按一定比例配制而成,各项原材料的指标按照按照规范进行验收,分类堆放。
(4)超强性能混凝土配合比控制
在保证混凝土抗压和抗折强度的情况下进行配合比设计,采用高钢纤维掺量、低水胶比的配合比(钢纤维掺量 3.0%、水胶比 0.16)。虽然确保了超高性能混凝土的力学性能,但施工过程中的超高性能的流动性和工作性能较差。
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第三章 超高性能混凝土在正交异性钢桥面应用的关键因素和施工措施保证.......22
3.1 材料配合比对超高性能混凝土性能的影响............................22
3.1.1 配合比设计原则.................................22
3.1.2 配合比试设计...............................22
第四章 经济性超高性能混凝土钢桥面铺装的经济效益分析........................37
4.1 不同正交异性板桥面铺装材料全寿命成本价格分析.......................37
4.1.1 材料成本分析.................................37
4.1.2 施工成本分析........................38
第五章 结论与展望............................43
5.1 主要结论........................43
5.2 研究展望.......................43

第四章 经济性超高性能混凝土钢桥面铺装的经济效益分析

4.1 不同正交异性板桥面铺装材料全寿命成本价格分析
桥面铺装材料种类多样,价格也各有高低。有的铺装材料初期建设成本较低,但在建成后易出现各种各样的病害,运营养护成本较高;有的铺装材料初期造价高昂,成本大,但在使用过程中寿命长、病害少、易管理,运营养护成本较低。因此考察一种桥面铺装材料的成本,应该在其全寿命周期内综合考虑。全寿命周期的成本分为材料成本、施工建设成本以及后期的运营养护成本,本小节将逐一分析几种桥面铺装材料的成本,计算出其全寿命周期的总成本。
4.1.1 材料成本分析
(1)普通超高性能混凝土
生产成本包括材料费用,加工费用和运输费用三个部分,普通超高性能混凝土的材料成本参考陈佛大桥的成本计算,其材料的用量和价格如下表所示:
表 4.1-1 普通超高性能混凝土生产价格
表 4.1-1 普通超高性能混凝土生产价格
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第五章 结论与展望

5.1 主要结论
本文以佛山市佛平路辅道桥正交异性板钢桥面铺装的工程应用为导向,通过对国内外正交异性钢桥面铺装的研究现状及存在问题进行分析,结合实际工程应用案例,提出了超高性能混凝土在正交异性钢桥面应用的关键控制因素和施工措施保证,完成了经济型超高性能混凝土在正交异性钢桥面铺装中应用,并对工程应用的经济效益进行了分析。得出了下述有意义的结论:
(1)通过对正交异性钢桥面铺装的现状及问题调研,结合正交异性钢桥面铺装的工程应用案例,分析了超高性能混凝土铺装用于正交异性钢桥面板的优良性能,得出了经济型超高性能混凝土正交异性钢桥面铺装工程的关键控制因素。
(2)根据影响因素分析,开展配合比设计优化研究,在满足超高性能混凝土力学性能和施工性能求的基础上,适当增大水胶比、降低钢纤维、细粉煤灰以及减水剂掺量,可降低超高性能混凝土的材料成本。经济型超高性能混凝土的水胶比取 0.17,超细粉煤灰体积掺量取 16%,钢纤维掺量 2.5%,减水剂掺量取 4%。
(3)根据影响因素分析,开展施工工艺优化研究,通过对不同的搅拌生产、泵送运输、养护制度进行对比研究,确定经济性超高性能混凝土的施工工艺:采用普通双卧轴搅拌机搅拌,可有效降低搅拌设备的采购及摊销成本;采用长距离泵送浇筑方式可以大大提升施工效率,可减少现场人工工日及设备的消耗量;采用 60℃、恒温养护 72h养护方式,可减少高温蒸养设备的投入和能耗,从而节约施工成本。
(4)采用综合对比法进行经济效益分析,分析对比了不同正交异形板钢桥面铺装从材料生产、施工、运营养护三个阶段全寿命周期费用成本:其中浇筑式沥青混凝土的价格为 7711.96 元/m2,普通超高性能混凝土的价格为 4601 元/m2,经济性超高性能混凝土的价格为 4013 元/m2。从全寿命周期的角度考虑,采用经济性超高性能混凝土的成本要优于普通超高性能混凝土,且小于浇筑式沥青混凝土。
参考文献(略)

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