《UHPC在預(yù)制裝橋墩中的應(yīng)用研究》開題報告3800字

PAGEPAGE6一、研究目的和意義：十三五期間，我國橋梁建設(shè)事業(yè)取得飛速發(fā)展，橋梁數(shù)量超過任何一個國家。其中中小跨徑橋梁占比達90%以上，城鎮(zhèn)橋梁中這一比例更高。如何在城鎮(zhèn)這種人口密集和交通繁忙的地區(qū)高效、快速、綠色并且高質(zhì)量建設(shè)橋梁成為一個重要的問題。裝配化是橋梁工業(yè)化的主要特征，是城鎮(zhèn)橋梁實現(xiàn)高效、快速、綠色建設(shè)橋梁重要手段，也是“十三五”期間我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級與戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。國務(wù)院于2016年9月印發(fā)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，意見指出力爭在10年時間內(nèi)使我國裝配式建筑在新建建筑占比比例達到30%；交通運輸部也于2016年7月印發(fā)《交通運輸部關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，意見指出大力推進鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工，提升橋梁工程的質(zhì)量品質(zhì)。目前，裝配式橋梁主要包括裝配式混凝土梁、裝配式鋼-混凝土組合梁以及裝配式鋼箱梁三大類型。大量的工程實踐表明，現(xiàn)有的裝配式橋梁存在節(jié)段吊裝重量過大，不利于現(xiàn)場裝配施工，以及梁體、上部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點易開裂、破損、滲漏，耐久性較差，后期維護費用較高等現(xiàn)實問題，裝配化水平有待進一步提高。隨著對橋梁工程標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化以及裝配化的現(xiàn)實需求日益提升，目前現(xiàn)有裝配式橋梁存在的施工質(zhì)量不易控制、施工過程繁瑣以及橋梁耐久性差等諸多問題以不能滿足工程建設(shè)要求，仍需要進一步改進。在現(xiàn)有裝配式橋梁的基礎(chǔ)上，發(fā)展具有施工條件好、使用性能優(yōu)異、高耐久性的高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)是重要的發(fā)展方向。UHPC超高性能混凝土以及FRP纖維增強聚合物材料等許多新型材料已在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。如何在工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制裝配式橋梁中充分利用新材料性能是目前裝配式橋梁工程中的主要方向。二、課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：超高性能混凝土（UHPC）以前被稱作活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，RPC），由法國公司布依格最早研發(fā)，是一種具有超高性能的水泥基復(fù)合材料。RPC材料研發(fā)之處便申請了專利，具有一定的商業(yè)產(chǎn)品的特點。法國學(xué)者DeLarrard為了避免專利商業(yè)侵權(quán)，同時為了更好地研究和發(fā)展這種材料，在1994年，將這類新型材料稱作超高性能混凝土（UItra-HighPerformanceConcrete，UHPC）。UHPC材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和良好的耐久性，自從其問世以來，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于公共建筑、海洋水利工程、大跨橋梁以及機場工程等領(lǐng)域。在橋梁工程領(lǐng)域，UHPC材料主要應(yīng)用于主梁、拱橋主拱、橋面板、橋梁接縫及橋梁加固等方面。據(jù)不完全統(tǒng)計，包括法國、澳大利亞、日本、美國、瑞士、中國等國家在內(nèi)，已有超過400座橋梁采用了UHPC材料（見表1），其中超過200座采用UHPC材料作為橋梁的主要受力構(gòu)件。表1UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用時間橋梁名稱國家結(jié)構(gòu)體系跨度（m）UHPC應(yīng)用位置1997SherhrookeFootbridge加拿大桁架橋60桁架弦桿、橋面板2002Sunyudo（Peace）Footbridge韓國中承式拱橋120主拱2007G?rtnerplatzFootbridge德國桁架橋36桁架弦桿、橋面板2010WildBridge奧地利上承式拱橋70箱形拱肋2014Batu6Bridge馬來西亞預(yù)應(yīng)力箱梁橋100預(yù)制節(jié)段箱梁2016長沙北辰虹橋中國預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋36.8預(yù)制節(jié)段箱梁2020南京長江五橋中國組合梁斜拉橋600組合梁橋面板目前UHPC材料已在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。值得注意的是，在表1所述的UHPC應(yīng)用于主體結(jié)構(gòu)的橋梁中，70%以上為預(yù)制結(jié)構(gòu)。UHPC適用于裝配式預(yù)制構(gòu)件主要的優(yōu)勢有以下幾點：（1）橋梁上部結(jié)構(gòu)自重輕。UHPC材料具有超高的強度，材料的比強度接近鋼材。因此，在相同荷載作用下，UHPC橋梁可以大幅減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，橋梁的高跨比也得以降低。結(jié)構(gòu)尺寸的減小使得UHPC材料用量降低，與普通混土相比結(jié)構(gòu)自重得到了40%-60%減小，從而使得橋梁結(jié)構(gòu)輕型化，也給結(jié)構(gòu)的工廠化預(yù)制以及裝配化施工帶來方便。另外，上部結(jié)構(gòu)自重的減小，相應(yīng)的下部結(jié)構(gòu)橋墩、基礎(chǔ)受到的其傳遞的自重荷載也得以減小。因此下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求大為降低，施工成本以及橋梁總體造價都得到了很大程度的控制。（2）橋梁耐久性好，有利于裝配式制造施工。UHPC材料的密實度遠高于普通混凝土，UHPC橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性和耐腐蝕性，用于預(yù)制裝配式橋梁中，避免了混凝土預(yù)制構(gòu)件上部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點易開裂、破損、滲漏，耐久性較差等問題。UHPC自身材料具有抗壓性能高以及具有一定抗拉性能，這使得結(jié)構(gòu)設(shè)計可減少或取消普通鋼筋，從而減少工藝環(huán)節(jié)，減少操作人員參與UHPC橋梁構(gòu)件制造過程，提高機械自動化施工率，具備實現(xiàn)大規(guī)模裝配制造的施工條件。中國城市橋梁建設(shè)的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要過程。從1960年到1990年，城市橋梁建設(shè)處于早期階段。橋梁結(jié)構(gòu)主要為現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，輔以預(yù)制T梁和空心板，經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展緩慢。橋梁規(guī)模小，形式單一，主要要求是經(jīng)濟實用，對橋梁景觀的要求不高。從1990年到2010年，我國城市橋梁建設(shè)處于中期階段，橋梁結(jié)構(gòu)主要由空心板、預(yù)制箱梁、節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁以及組合梁橋組成。隨著經(jīng)濟和技術(shù)的飛速發(fā)展，該階段有許多大規(guī)模系統(tǒng)橋梁工程。橋梁規(guī)模大，形式復(fù)雜多樣，對景觀的要求日益增高。從2011年至今，城市橋梁建設(shè)已進入近期階段，橋梁結(jié)構(gòu)主要為全裝配結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟技術(shù)的飛速發(fā)展，交通壓力逐漸增大，傳統(tǒng)建筑模式的弊端日益突出。在國家政策的指導(dǎo)下，倡導(dǎo)綠色發(fā)展，再加上新材料和新技術(shù)的引入，通過不斷的研發(fā)和工程實踐，預(yù)制橋梁得到了全面、快速的發(fā)展。裝配式橋梁根據(jù)構(gòu)件吊裝類型可以分為縱向劃分的節(jié)段拼裝橋梁、橫向劃分的分片整孔吊裝橋梁、縱橫向劃分的分塊吊裝橋梁、全截面預(yù)制制造的整孔\大節(jié)段吊裝橋梁四種形式。a)節(jié)段拼裝b)分片整孔吊裝c)分塊吊裝d)整孔\大節(jié)段吊裝圖1裝配式橋梁分類目前節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋以混凝土箱梁為主，UHPC材料在節(jié)段預(yù)制拼裝裝配式橋梁中應(yīng)用處于興起階段，對于UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的設(shè)計還處在探索過程，見圖1-2。圖2節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋分類及架設(shè)工法三、主要參考文獻（外文大于2項，中文大于8項）[1]王志剛,余順新,陳亞莉.橋梁快速建造技術(shù)[J].中外公路,2018,38(04):184-188.[2]項貽強,竺盛,趙陽.快速施工橋梁的研究進展[J].中國公路學(xué)報,2018,31(12):1-27.[3]劉康寧,張守健,蘇義坤.裝配式建筑管理領(lǐng)域研究綜述[J].土木工程與管理學(xué)報,2018,35(06):163-170+177.[4]蘇立超,周印霄,劉小宇.我國鋼-混凝土組合橋梁的創(chuàng)新實踐[J].筑路機械與施工機械化,2017,34(11):30-37.[5]邵旭東,曹君輝.面向未來的高性能橋梁結(jié)構(gòu)研發(fā)與應(yīng)用[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2017(5):41-58.[6]邵旭東,邱明紅.基于UHPC材料的高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)研發(fā)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,51(02):160-167.[7]易圣濤,黃凡.日本體外預(yù)應(yīng)力索橋梁應(yīng)用現(xiàn)狀[J].公路交通技術(shù),2000(1):62-67.[8]魯邦澤.單向預(yù)應(yīng)力UHPC新型箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向構(gòu)造研究[D].湖南大學(xué),2019.[9]邵旭東,張良,張松濤,歐陽澤卉.新型UHPC連續(xù)箱梁橋的體外預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造形式研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,43(03):1-7.[10]張策,邵旭東,張陽.超大跨徑UHPC連續(xù)箱梁橋接縫設(shè)計及模型試驗.土木工程學(xué)報,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、主要研究內(nèi)容：裝配化是橋梁工業(yè)化的主要特征。目前我國城鎮(zhèn)裝配式橋梁以混凝土梁橋為主。大量的工程實踐表明，混凝土裝配式橋梁存在吊裝重量大和連接點易開裂等耐久性問題。如何在城鎮(zhèn)全預(yù)制裝配式橋梁中充分利用UHPC等新型材料性能，提高橋梁整體質(zhì)量及耐久性是裝配式橋梁主要的發(fā)展方向。面對橋梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、裝配化的需求，以UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋為研究對象，對UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與工業(yè)化生產(chǎn)進行研究。主要內(nèi)容包括以下幾點：（1）通過調(diào)研相關(guān)文獻資料，對UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋結(jié)構(gòu)體系、適用跨徑、結(jié)構(gòu)尺寸擬定、節(jié)段劃分、預(yù)應(yīng)力體系以及整體受力性能進行研究。（2）以50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑為例，對UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋最重要的兩個局部構(gòu)造體外預(yù)應(yīng)力特殊構(gòu)造和預(yù)制節(jié)段連接方式進行研究。（3）將BIM技術(shù)與裝配式橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計相結(jié)合，以50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)計為例，研究UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋參數(shù)化設(shè)計方法，并利用參數(shù)化的BIM模型進行簡單工程應(yīng)用，給出基于BIM技術(shù)的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋智能生產(chǎn)實施路線，研究UHPC預(yù)制節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)化、智能化生產(chǎn)方法。研究方法及基本論點（1）文獻研究法。UHPC材料作為新型材料在裝配式橋梁發(fā)展中的應(yīng)用處于起步階段，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋也是近幾年逐漸興起。作為有望給傳統(tǒng)裝配式橋梁技術(shù)帶來革命性變化的橋梁形式，關(guān)于UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋甚至是UHPC梁橋相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗是少之又少。文獻資料的梳理為本研究明確UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的總體設(shè)計要點，研究UHPC梁橋截面尺寸擬定、節(jié)段劃分、預(yù)應(yīng)力體系選擇以及整體受力特點等諸多問題提供了參照，為研究路線的設(shè)計與研究方法的選擇提供了依據(jù)。（2）實例研究法。從已建的UHPC橋梁中可以看出，UHPC梁橋適用跨徑范圍較大，在30-100m不等，不僅適用于中小跨徑橋梁，在100m左右的大跨徑橋梁中也得到廣泛應(yīng)用。普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋在我國工程建設(shè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計資料以及設(shè)計經(jīng)驗積累較多，UHPC材料和普通混凝土之間具有很多的相似性，因此，在UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋設(shè)計資料比較缺乏的情況下，參考普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的截面尺寸擬定與節(jié)段劃分方法也是大有裨益的。與此同時類比UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋與普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋設(shè)計要點的不同，找出符合UHPC材料特點的參數(shù)取值。同時本文研究的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋選擇的材料為UHPCR1