《UHPC在预制装桥墩中的应用研究》开题报告3800字

PAGEPAGE6一、研究目的和意义：十三五期间，我国桥梁建设事业取得飞速发展，桥梁数量超过任何一个国家。其中中小跨径桥梁占比达90%以上，城镇桥梁中这一比例更高。如何在城镇这种人口密集和交通繁忙的地区高效、快速、绿色并且高质量建设桥梁成为一个重要的问题。装配化是桥梁工业化的主要特征，是城镇桥梁实现高效、快速、绿色建设桥梁重要手段，也是“十三五”期间我国桥梁建设领域转型升级与战略产业发展方向。国务院于2016年9月印发《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》，意见指出力争在10年时间内使我国装配式建筑在新建建筑占比比例达到30%；交通运输部也于2016年7月印发《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，意见指出大力推进钢结构桥梁建设标准化设计、工业化生产、装配化施工，提升桥梁工程的质量品质。目前，装配式桥梁主要包括装配式混凝土梁、装配式钢-混凝土组合梁以及装配式钢箱梁三大类型。大量的工程实践表明，现有的装配式桥梁存在节段吊装重量过大，不利于现场装配施工，以及梁体、上部结构连接节点易开裂、破损、渗漏，耐久性较差，后期维护费用较高等现实问题，装配化水平有待进一步提高。随着对桥梁工程标准化、工业化以及装配化的现实需求日益提升，目前现有装配式桥梁存在的施工质量不易控制、施工过程繁琐以及桥梁耐久性差等诸多问题以不能满足工程建设要求，仍需要进一步改进。在现有装配式桥梁的基础上，发展具有施工条件好、使用性能优异、高耐久性的高性能装配式桥梁结构是重要的发展方向。UHPC超高性能混凝土以及FRP纤维增强聚合物材料等许多新型材料已在桥梁工程中得到了广泛的应用。如何在工厂标准化预制装配式桥梁中充分利用新材料性能是目前装配式桥梁工程中的主要方向。二、课题的研究现状和发展趋势：超高性能混凝土（UHPC）以前被称作活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，RPC），由法国公司布依格最早研发，是一种具有超高性能的水泥基复合材料。RPC材料研发之处便申请了专利，具有一定的商业产品的特点。法国学者DeLarrard为了避免专利商业侵权，同时为了更好地研究和发展这种材料，在1994年，将这类新型材料称作超高性能混凝土（UItra-HighPerformanceConcrete，UHPC）。UHPC材料具有优秀的力学性能和良好的耐久性，自从其问世以来，已经被广泛的应用于公共建筑、海洋水利工程、大跨桥梁以及机场工程等领域。在桥梁工程领域，UHPC材料主要应用于主梁、拱桥主拱、桥面板、桥梁接缝及桥梁加固等方面。据不完全统计，包括法国、澳大利亚、日本、美国、瑞士、中国等国家在内，已有超过400座桥梁采用了UHPC材料（见表1），其中超过200座采用UHPC材料作为桥梁的主要受力构件。表1UHPC在桥梁工程中的应用时间桥梁名称国家结构体系跨度（m）UHPC应用位置1997SherhrookeFootbridge加拿大桁架桥60桁架弦杆、桥面板2002Sunyudo（Peace）Footbridge韩国中承式拱桥120主拱2007GärtnerplatzFootbridge德国桁架桥36桁架弦杆、桥面板2010WildBridge奥地利上承式拱桥70箱形拱肋2014Batu6Bridge马来西亚预应力箱梁桥100预制节段箱梁2016长沙北辰虹桥中国预应力连续箱梁桥36.8预制节段箱梁2020南京长江五桥中国组合梁斜拉桥600组合梁桥面板目前UHPC材料已在桥梁工程中得到了广泛应用。值得注意的是，在表1所述的UHPC应用于主体结构的桥梁中，70%以上为预制结构。UHPC适用于装配式预制构件主要的优势有以下几点：（1）桥梁上部结构自重轻。UHPC材料具有超高的强度，材料的比强度接近钢材。因此，在相同荷载作用下，UHPC桥梁可以大幅减小结构构件尺寸，桥梁的高跨比也得以降低。结构尺寸的减小使得UHPC材料用量降低，与普通混土相比结构自重得到了40%-60%减小，从而使得桥梁结构轻型化，也给结构的工厂化预制以及装配化施工带来方便。另外，上部结构自重的减小，相应的下部结构桥墩、基础受到的其传递的自重荷载也得以减小。因此下部结构的设计要求大为降低，施工成本以及桥梁总体造价都得到了很大程度的控制。（2）桥梁耐久性好，有利于装配式制造施工。UHPC材料的密实度远高于普通混凝土，UHPC桥梁结构具有良好的耐久性和耐腐蚀性，用于预制装配式桥梁中，避免了混凝土预制构件上部结构连接节点易开裂、破损、渗漏，耐久性较差等问题。UHPC自身材料具有抗压性能高以及具有一定抗拉性能，这使得结构设计可减少或取消普通钢筋，从而减少工艺环节，减少操作人员参与UHPC桥梁构件制造过程，提高机械自动化施工率，具备实现大规模装配制造的施工条件。中国城市桥梁建设的发展经历了三个重要过程。从1960年到1990年，城市桥梁建设处于早期阶段。桥梁结构主要为现浇梁板结构，辅以预制T梁和空心板，经济技术发展缓慢。桥梁规模小，形式单一，主要要求是经济实用，对桥梁景观的要求不高。从1990年到2010年，我国城市桥梁建设处于中期阶段，桥梁结构主要由空心板、预制箱梁、节段预制拼装箱梁以及组合梁桥组成。随着经济和技术的飞速发展，该阶段有许多大规模系统桥梁工程。桥梁规模大，形式复杂多样，对景观的要求日益增高。从2011年至今，城市桥梁建设已进入近期阶段，桥梁结构主要为全装配结构。现阶段，随着经济技术的飞速发展，交通压力逐渐增大，传统建筑模式的弊端日益突出。在国家政策的指导下，倡导绿色发展，再加上新材料和新技术的引入，通过不断的研发和工程实践，预制桥梁得到了全面、快速的发展。装配式桥梁根据构件吊装类型可以分为纵向划分的节段拼装桥梁、横向划分的分片整孔吊装桥梁、纵横向划分的分块吊装桥梁、全截面预制制造的整孔\大节段吊装桥梁四种形式。a)节段拼装b)分片整孔吊装c)分块吊装d)整孔\大节段吊装图1装配式桥梁分类目前节段预制拼装梁桥以混凝土箱梁为主，UHPC材料在节段预制拼装装配式桥梁中应用处于兴起阶段，对于UHPC节段预制拼装梁桥的设计还处在探索过程，见图1-2。图2节段预制拼装梁桥分类及架设工法三、主要参考文献（外文大于2项，中文大于8项）[1]王志刚,余顺新,陈亚莉.桥梁快速建造技术[J].中外公路,2018,38(04):184-188.[2]项贻强,竺盛,赵阳.快速施工桥梁的研究进展[J].中国公路学报,2018,31(12):1-27.[3]刘康宁,张守健,苏义坤.装配式建筑管理领域研究综述[J].土木工程与管理学报,2018,35(06):163-170+177.[4]苏立超,周印霄,刘小宇.我国钢-混凝土组合桥梁的创新实践[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(11):30-37.[5]邵旭东,曹君辉.面向未来的高性能桥梁结构研发与应用[J].建筑科学与工程学报,2017(5):41-58.[6]邵旭东,邱明红.基于UHPC材料的高性能装配式桥梁结构研发[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2019,51(02):160-167.[7]易圣涛,黄凡.日本体外预应力索桥梁应用现状[J].公路交通技术,2000(1):62-67.[8]鲁邦泽.单向预应力UHPC新型箱梁桥体外预应力束转向构造研究[D].湖南大学,2019.[9]邵旭东,张良,张松涛,欧阳泽卉.新型UHPC连续箱梁桥的体外预应力锚固构造形式研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2016,43(03):1-7.[10]张策,邵旭东,张阳.超大跨径UHPC连续箱梁桥接缝设计及模型试验.土木工程学报,2015,04:52-58.[11]RichardP,CheyrezyM.Compositionofreactivepowderconcretes[J].Cement&ConcretceResearch,1995,25(7):1501-1511.[12]AITCINPC.High-performanceConcrete[M].London:E&FNSpon,2004.[13]S.L.Yang,S.G.Millard,M.N.Soutsos,S.J.Barnett,T.T.Le.Influenceofaggregateandcuringregimeonthemechanicalpropertiesofultra-highperformancefibrereinforcedconcrete(UHPFRC)[J].ConstructionandBuildingMaterials,2008,23(6):2291-2298.[14]GuCP,YeG,SunW.Ultrahighperformanceconcrete-properties,applicationsandperspectives[J].ScienceChinaTechnologicalSciences,2015,58(4):587-599.[15]ResplendinoJ,ToulemondeF.DesigningandBuildingwithUHPFRC[M].JohnWiley&Sons,2013.四、主要研究内容：装配化是桥梁工业化的主要特征。目前我国城镇装配式桥梁以混凝土梁桥为主。大量的工程实践表明，混凝土装配式桥梁存在吊装重量大和连接点易开裂等耐久性问题。如何在城镇全预制装配式桥梁中充分利用UHPC等新型材料性能，提高桥梁整体质量及耐久性是装配式桥梁主要的发展方向。面对桥梁结构标准化、工业化、装配化的需求，以UHPC节段预制拼装梁桥为研究对象，对UHPC节段预制拼装梁桥标准化设计与工业化生产进行研究。主要内容包括以下几点：（1）通过调研相关文献资料，对UHPC节段预制拼装梁桥结构体系、适用跨径、结构尺寸拟定、节段划分、预应力体系以及整体受力性能进行研究。（2）以50m标准跨径为例，对UHPC节段预制拼装梁桥最重要的两个局部构造体外预应力特殊构造和预制节段连接方式进行研究。（3）将BIM技术与装配式桥梁标准化设计相结合，以50m标准跨径设计为例，研究UHPC节段预制拼装梁桥参数化设计方法，并利用参数化的BIM模型进行简单工程应用，给出基于BIM技术的UHPC节段预制拼装梁桥智能生产实施路线，研究UHPC预制节段标准化、智能化生产方法。研究方法及基本论点（1）文献研究法。UHPC材料作为新型材料在装配式桥梁发展中的应用处于起步阶段，UHPC节段预制拼装梁桥也是近几年逐渐兴起。作为有望给传统装配式桥梁技术带来革命性变化的桥梁形式，关于UHPC节段预制拼装梁桥甚至是UHPC梁桥相关的设计规范和设计经验是少之又少。文献资料的梳理为本研究明确UHPC节段预制拼装梁桥的总体设计要点，研究UHPC梁桥截面尺寸拟定、节段划分、预应力体系选择以及整体受力特点等诸多问题提供了参照，为研究路线的设计与研究方法的选择提供了依据。（2）实例研究法。从已建的UHPC桥梁中可以看出，UHPC梁桥适用跨径范围较大，在30-100m不等，不仅适用于中小跨径桥梁，在100m左右的大跨径桥梁中也得到广泛应用。普通混凝土节段预制拼装梁桥在我国工程建设中已经得到了广泛的应用，设计资料以及设计经验积累较多，UHPC材料和普通混凝土之间具有很多的相似性，因此，在UHPC节段预制拼装梁桥设计资料比较缺乏的情况下，参考普通混凝土节段预制拼装梁桥的截面尺寸拟定与节段划分方法也是大有裨益的。与此同时类比UHPC节段预制拼装梁桥与普通混凝土节段预制拼装梁桥设计要点的不同，找出符合UHPC材料特点的参数取值。同时本文研究的UHPC节段预制拼装梁桥选择的材料为UHPCR1