鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用1

鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用Applicationofsteelfiberreinforcedconcreteinbridgeengineering摘要鋼纖維混凝土是一種新型的復(fù)合材料,是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。近年來在橋梁工程中應(yīng)用非常廣泛,本文主要探討了鋼纖維混凝土在在橋面鋪裝、舊橋加固、橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用鋼纖維混凝土的實例,并提出了工程鋼纖維混凝土應(yīng)用的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：混凝土橋梁工程性能應(yīng)用AbstractSteelfiberreinforcedconcreteisanewtypeofcompositematerialsisingeneralchaoticmixingconcretetothedistributionofshortsteelfibersformedanewtypeofmulti-phasecompositematerials.Bridgeengineeringinrecentyearsinaverywiderangeofapplications,thispaperdiscussesthesteelfiberreinforcedconcreteinbridgedeckpavement,theoldbridgestrengthening,bridgestructure,theapplicationofsteelfiberreinforcedconcreteexamples,andputforwardtheapplicationofsteelfiberreinforcedconcreteprojectsfordevelopment.Keywords:ConcreteBridgeEngineeringPerformanceApplication目錄TOC\o"1-3"\f\h\z\u1鋼纖維混凝土及鋼纖維的概述 11.1鋼纖維混凝土概述 11.2鋼纖維的基本性質(zhì) 11.2.1鋼纖維的類型及特征參數(shù) 11.2.2鋼纖維的特征參數(shù) 11.3鋼纖維混泥土的基本性能 11.3.1強度和重量比值增大 21.3.2.具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度 21.3.3具有卓越的抗沖擊性能 21.3.4收縮性能明顯改善 21.3.5抗疲勞性能顯著提高 21.3.6耐久性能顯著提高 22鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計 33鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用 33.1鋼纖維混凝土現(xiàn)在橋面工程中的應(yīng)用 33.1.1鋼纖維混凝土的優(yōu)勢 33.2鋼纖維混凝土在新建橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 43.3鋼纖維混凝土在舊橋加固工程中的應(yīng)用 53.3.1

翻修舊橋橋面鋪裝 53.3.2舊橋加固改造 63.4公路與城市橋梁的加固改造 63.4.1

滬杭高速公路橋分離立交橋 63.4.2

江西贛州西河大橋 63.5

鐵路橋梁的加固 64結(jié)論 7參考文獻： 8第一章緒論1.1鋼纖維混凝土概述鋼纖維混凝土(簡稱SFRC)就是在普通混凝土中摻入適量鋼纖維而成的一種新型復(fù)合材料，近年來在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展。它克服了混凝土抗拉強度低、極限延伸率小、性脆等缺點，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲憊、高韌性等性能，已在建筑、路橋、水工等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。1.2鋼纖維的基本性質(zhì)1.2.1鋼纖維的類型及特征參數(shù)鋼纖維按材質(zhì)分,有普通碳鋼鋼纖維和不銹鋼鋼纖維,其中以普通鋼鋼纖維用量居多;按外形分有長直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分有圓形、矩形、月牙形及不規(guī)則形;按生產(chǎn)工藝分有切斷型、剪切型、銑削型及熔抽型;按施工用途分有澆筑用鋼纖維和噴射用鋼纖維。1.2.2鋼纖維的特征參數(shù)為滿足鋼纖維的增強效果與施工性能,通常采用鋼纖維長度為15～60mm,直徑或等效直徑為0.3～1.2mm,長徑比為30～100,纖維的體積摻量為0.5%～2%。1.3鋼纖維混泥土的基本性能國內(nèi)外對鋼纖維的作用機理和鋼纖維混凝土的基本性能做了大量的研究,現(xiàn)歸納如下:鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展。在受荷(拉、彎)初期,水泥基料與纖維共同承受外力,當(dāng)混凝土開裂后,橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優(yōu)越的物理和力學(xué)性能。1.3.1強度和重量比值增大這是鋼纖維混凝土具有優(yōu)越經(jīng)濟性的重要標(biāo)志。1.3.2.具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度在混凝土中摻入適量鋼纖維,其抗拉強度提高25%～50%,抗彎強度提高40%～80%,抗剪強度提高50%～100%。1.3.3具有卓越的抗沖擊性能材料抵抗沖擊或震動荷載作用的性能,稱為沖擊韌性,在通常的纖維摻量下,沖擊抗壓韌性可提高2～7倍,沖擊抗彎、抗拉等韌性可提高幾倍到幾十倍。1.3.4收縮性能明顯改善在通常的纖維摻量下,鋼纖維混凝土較普通混凝土的收縮值降低7%～9%。1.3.5抗疲勞性能顯著提高鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能比普通混凝土都有較大改善。當(dāng)摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時,應(yīng)力比為0.68,而普通混凝土僅為0.51;當(dāng)摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達2×106次時,應(yīng)力比為0.92,而普通混凝土僅為0.56。1.3.6耐久性能顯著提高鋼纖維混凝土除抗?jié)B性能與普通混凝土相比沒有明顯變化外,由于鋼纖維混凝土抗裂性、整體性好,因而耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性均有顯著提高。摻有1.5%的鋼纖維混凝土經(jīng)150次凍融循環(huán),其抗壓和抗彎強度下降約20%,而其他條件相同的普通混凝土卻下降60%以上,經(jīng)過200次凍融循環(huán),鋼纖維混凝土試件仍保持完好。摻量為1%、強度等級為CF35的鋼纖維混凝土耐磨損失比普通混凝土降低30%。摻有2%鋼纖維高強混凝土抗氣蝕能力較其他條件相同的高強混凝土提高1.4倍。鋼纖維混凝土在空氣、污水和海水中都呈現(xiàn)良好的耐腐蝕性,暴露在污水和海水中5年后的試件碳化深度小于5mm,只有表層的鋼纖維產(chǎn)生銹斑,內(nèi)部鋼纖維未銹蝕,不像普通鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕后,銹蝕層體積膨脹而將混凝土脹裂。第二章鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計鋼纖維混凝土配合比的設(shè)計步驟與普通混凝土大體相同，所配置的鋼纖維混凝土要進行實驗，同時滿足抗拉、抗壓、抗折強度要求。通過對鋼纖維混凝土的力學(xué)基本性能的研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維的加入對混凝土的抗壓強度提高不大，但抗壓韌性有很大改善。鋼纖維混凝土當(dāng)水灰比及集料最大粒徑變化不大時，鋼纖維含量特征參數(shù)影響鋼纖維混凝土的抗拉強度。鋼纖維混凝土極限荷載往往高于初裂荷載，初裂荷載與極限荷載的比值一般在0.8~1.0之間，并且初裂荷載、極限荷載及韌性均隨鋼纖維混凝土含量的增大而增大。在相同鋼纖維含量情況下，鋼纖維混凝土強度隨鋼纖維的強度增大而增大。隨鋼纖維直徑增大而減小。鋼纖維混凝土抗剪強度隨水灰比的減小而增大，隨鋼纖維體積率的增大而增大。第三章鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用3.1鋼纖維混凝土現(xiàn)在橋面工程中的應(yīng)用橋面鋪裝也稱行車道鋪裝，是鋪筑在橋面板上的防護層，是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分。作用是保護屬于主梁整體部分的行車道板不受車輛輪胎的直接磨耗，防止主梁遭受雨水的侵蝕，并能使車輛輪重的集中荷載起一定的分布作用。由于橋面天然敞露而受到大氣影響十分敏感，根據(jù)以往實踐經(jīng)驗，建橋時因?qū)蛎驿佈b重視不足而導(dǎo)致日后修補和維護的弊病不少，因此，如何合理改進橋面的構(gòu)造和施工，愈來愈引起人們的注意。而且，橋面鋪裝質(zhì)量的好壞和使用耐久性將直接影響到汽車的行駛質(zhì)量和使用耐久性。3.1.1鋼纖維混凝土的優(yōu)勢鋼纖維混凝土因其具有良好的抗裂性、抗彎曲性、耐沖擊性、耐疲勞性的特點，在橋面鋪裝中使用較一般水泥混凝土具有以下幾點優(yōu)勢：3.1.1.1減薄鋪裝厚度鋼纖維混凝土在相同荷載條件下鋪裝厚度可減少30%~50%，這樣既減少了工程量又降低了橋梁恒載。3.1.1.2加強橋面鋪裝與伸縮縫的連接強度橋面伸縮縫是整個橋面的薄弱環(huán)節(jié)，在車輛的行駛過程中，由剛性橋面過度到柔性伸縮縫再到剛性橋面，不可避免地產(chǎn)生強烈的震動，震動釋放出的巨大能量對伸縮縫與混凝土連接結(jié)構(gòu)極具破壞性。鋼纖維混凝土因其較強的耐沖擊性保證其與伸縮縫連接鋼筋牢固粘結(jié)，使伸縮縫發(fā)生的變形、位移、或翹曲都較小，大大提高了伸縮縫的使用壽命。3.1.1.3延長了橋面的使用壽命在重交通荷載作用下，鋼纖維混凝土橋面開列要比普通混凝土緩慢得多，其橋面裂縫寬度小，不連續(xù)開列后延性仍很好，混凝土剝落、坑槽現(xiàn)象很少。這都有利于橋面和橋梁的使用壽命，改善了車輛的行駛條件。3.2鋼纖維混凝土在新建橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

近十幾年來，我國應(yīng)用SFRC于橋梁結(jié)構(gòu)中取得了可喜的成績?，F(xiàn)將有代表性的橋梁應(yīng)用SFRC情況作一簡介。1)珠溪大橋建于198

9年，系我國第一座SFRC輕型拱橋，橋長81.2m，凈跨60m；廣西靜蘭特大橋建于1991年，系國內(nèi)第二座輕型拱

橋，也是當(dāng)時全國最大的多跨連拱，主跨為5×90m，全長540m。這兩座橋型均為懸鏈線雙箱肋拱橋、在拱圈受拉區(qū)部位，如拱頂、3/8L和拱腳截面應(yīng)用SFRC澆筑。2)三峽工程對外交通公路上的蓮沱特大橋，主跨采用

48.3﹢114﹢48.3m

三跨一聯(lián)中承式鋼管混凝土拱橋，設(shè)計荷載為汽—135、

掛—660級。在拱腳將近9m長范圍

的鋼管內(nèi)采用了體積率1.5％的微膨脹SFRC；在墩頂拱腳為橫向框架、橫隔墻、中拱拱肋和邊拱拱肋四個方向交匯處，受力十分復(fù)雜，此處為多向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力變幅大，故在墩

頂以下4.48m的

范圍內(nèi)采用以C40預(yù)應(yīng)力，并摻以體積率1％鋼纖維；在橫梁中性軸以上部分(材料分界線離橫梁頂面0.9m)，增加了含量為體積率1.5％的鋼纖維，收到了良好的效果。3)鄱陽湖湖口大

橋全長3799m，主跨318m，主橋?qū)?7.5m，雙向四車道。主橋為母子塔雙索面斜拉橋，其結(jié)構(gòu)為65+123+318+130m的四跨連續(xù)半漂浮體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主梁為雙肋板式截面

，系長薄梁體，抵抗溫度收縮裂縫的能力差。為防止裂縫的出現(xiàn)，在橫隔板、橋面板處手灑鋼纖維與混凝土同期振搗，即按C50的SFRC澆筑，并在橋面板下層鋼筋下緣處布設(shè)一層金屬擴張網(wǎng)，以提高混凝土的抗拉性能。該橋于2000年11月18日建成通車。4)我國最大跨度SF

RC斜拉衍架連續(xù)梁橋——京航運河邳州高架橋已于2001年建成通車。該橋全長1912m，其中主橋長163m，主孔結(jié)構(gòu)采用43.5+76+43.5m的三跨一聯(lián)的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力特種CF55現(xiàn)澆SFRC斜拉下承式連續(xù)梁橋。

3.3鋼纖維混凝土在舊橋加固工程中的應(yīng)用3.3.1

翻修舊橋橋面鋪裝舊式鋼筋混凝土橋

面鋪裝有一個致命弱點，即施工中不可避免地受到施工人員和施工機具的踐踏，使支墊就位的鋼筋下沉而緊貼橋梁梁體表面，從而喪失了鋼筋網(wǎng)在鋪裝混凝土中防止和改善裂縫的

作用。我國以前修建的橋梁，橋

面鋪裝采用鋼筋混凝土者出現(xiàn)了大量裂縫，甚至嚴(yán)重破壞，采用鋼筋混凝土的破壞率大大高于瀝青混凝土路面，原因就在于此。我國翻修橋面鋪裝工程實例很多，在此僅介紹幾例。1)廣州洛溪大橋采

用

VSL預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)體系，1998年建成通車。其建成通車僅1年，橋面鋪裝就產(chǎn)生了嚴(yán)重剝落，后經(jīng)采用鋼纖維增強鋼絲網(wǎng)混凝土(FC技術(shù))進行維修，取得了較好效果。2)北京市于1980

—1989年間建造的西直門、三元、安貞和安慧等10多座立交橋，橋面鋪裝均為水泥混凝土。通車運營1—2年后，混凝土橋面鋪裝層就發(fā)生程度不同的裂縫，破壞情況嚴(yán)重的以板角

為中心向四周剝落，橋面層鋼筋網(wǎng)外露。1997年3—5月，采用特快硬SFRC修復(fù)了西直門、安貞、三元和安慧等11座立交橋橋面鋪裝，修補時間短的橋面層運營已5年多，時

間長的已近13年，經(jīng)現(xiàn)場多次查看，未發(fā)現(xiàn)已修補過的橋面層有裂縫、破壞和新舊混凝土間剝落現(xiàn)象。施工時選用波浪形剪切短形斷面鋼纖維，摻量為C30混凝土體積的1％。

3)

杭州320國道上村口橋，因原橋面鋪裝混凝土破損嚴(yán)重，1995年采用SFRC對橋面進行大面積翻修，水灰比為0.5，鋼纖維含量為1.25％，水泥用量400kg／m

3，TJ—A減水劑為水泥用量的2.5％。營運幾年來，未出現(xiàn)病害。

另有杭州錢塘江公路大橋

、武漢長江二橋

、江西西村袁河大橋等。SFRC加固橋面已取得良好的效果，由于鋼纖維的加入，改善了水泥混凝土的力學(xué)性能，且縮縫少，行車舒適平穩(wěn)，減少了維修費，并延長了使用壽命。3.3.2舊橋加固改造

日本從20世紀(jì)70年

代以來，采用噴射早強快硬SFRC對30多座橋梁進行搶修，取得了良好的效果。我國對噴射混凝土的新材料進行了大量試驗研究后，從1983年以來，

分別在破損混凝土結(jié)構(gòu)物的補強、公路與城市橋梁加固、鐵路橋墩的抗震加固、鐵路橋梁補強工程中的應(yīng)用均收到很好的技術(shù)經(jīng)濟效益，施工速度快，又不影響結(jié)構(gòu)物的正常營運。3.4公路與城市橋梁的加固改造

3.4.1

滬杭高速公路橋分離立交橋

該橋全長284m，共14孔20m跨徑后張

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板，空心板頂板厚度原設(shè)計為10cm，因施工工藝不夠完善，對芯模加固控制措施不妥當(dāng)，檢測結(jié)果普遍為5—8cm。原橋面鋪裝層設(shè)計厚度10.5—15cm，鋪裝

層配有直徑6方格鋼筋網(wǎng)，間距為10cm，橋面未鋪筑瀝青混凝土。為有效解決頂板超薄造成的板梁的使用壽命和承載力降低等問題，經(jīng)過三個方案的綜合比較確定，采用SFRC加固

橋面鋪裝，鋪裝層原厚度不變。原鋼筋網(wǎng)取消，增設(shè)補強鋼筋，橫橋向為直徑2，順橋向為直徑8，間距均為20cm。SFRC的鋼纖維體積率為1.2％，采用嘉

興經(jīng)緯鋼纖維廠生產(chǎn)的30mm矩形剪切微扭鋼纖維。該橋經(jīng)采用SFRC維修加固后，經(jīng)過5年多通車使用觀察，橋面不但外觀良好，且行車十分舒適，取得了顯著的社會效益。

3.4.2

江西贛州西河大橋大橋全長256.2m。上部構(gòu)造由7×33+2×12.6m鋼筋混凝土懸臂梁組成，該橋于1956年12月2日竣工通車。由于汽車超載，競使所有支承掛孔的牛腿

全部斷裂

，成為危橋。為了解決城市進出車輛的行駛，于1996年2月采用SFRC技術(shù)完成牛腿加固工程，并經(jīng)加載試驗后恢復(fù)通車。該橋經(jīng)過近7年的營運，效果很好，未發(fā)現(xiàn)裂縫。

3.5

鐵路橋梁的加固

SFRC在鐵路工程方面的應(yīng)用，于20世紀(jì)80年代開始，如沈

大鐵路金州鐵路橋，建于1907年，全長92.46m，墩臺為漿砌塊石擴大基礎(chǔ)，墩高20.56m，鑲面砌縫裂紋滲漿嚴(yán)重。1985年采用錨釘及噴射SFRC加固橋墩，每立方米混凝土摻鋼纖維

80kg；包白線K23十190處為6孔16m圬工梁橋，1959年建造，墩高27.5m，料石砌筑，位于7

—8級烈度地震地區(qū)。為加強該橋的抗震性能，將墩身周圍土層下挖，在墩身外圍綁扎鋼

筋網(wǎng)，然后噴射SFRC進行加固。從1986年起大虎山等工務(wù)段也采用SFRC加固橋梁和橋墩。采用此加固方法，行車

時不減速，稍加限速，施工簡便，工期短，性能可靠，效果很好。1996年5月3日，包頭發(fā)生了6.4級地震及多次余震。該橋離震中約20km，而加固后的墩身完好無損。第四章結(jié)論

混凝土強度總體水平是反映一個國家土建技術(shù)水平的重要標(biāo)志。我國目前總體水平仍停留在28MPa左右，與歐美發(fā)達國家相

比尚有相當(dāng)大差距。據(jù)專家估計，美國在21世紀(jì)常用混凝土強度平均強度可達133MPa，并可研究出400MPa的超高強混凝土。鋼纖維是增加泥凝土強度最佳材料之一。應(yīng)用SFRC與素泥凝土相比，可降低造價10％—30％，經(jīng)濟效益顯著，如珠澳大橋原設(shè)計普通鋼筋混凝土箱形拱橋，后改為SFRC箱形拱橋，降低造價24％。

目前，我國的高速

公路與鐵路建設(shè)多已進入山嶺區(qū)，為保護自然生態(tài)環(huán)境，路基填高超20m者則優(yōu)先考慮高

架橋方案；位于山嶺區(qū)的高速公路，橋隧長度占線段總長的30％—35.4％；線路處在凍土

、沼澤、內(nèi)澇和滯洪區(qū)亦多設(shè)計為橋梁；截至20世紀(jì)末，我國公路危橋有2萬余延米和近5

萬延米的

橋梁須提高承載能力，急需加固、改建或重建。SFRC由于具有一系列的優(yōu)良性能、潛在的綜合效益和巨大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，可以預(yù)見SFRC在21世紀(jì)必有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻[1]J.P.RomualdiandG.B.Batson.MechanicsofCrackArrestinConcrete,Proc.ASCE,Vol.89,EM3,Junal1963(pp.147-168).[2]高丹盈，劉建秀．鋼纖維混凝土基本理論[M]．北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社．1994．[3]趙國藩，彭少民，黃承逵等．鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．11．[4]張春漪．鋼纖維噴射混凝土實驗研究及其應(yīng)用．鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程專題研究告集．大連理工大學(xué)，1990．[5]盧良浩．鋼纖維混凝土工程應(yīng)用三例．南京：全國第四屆纖維混凝土與纖維水泥學(xué)術(shù)會議論文集，1992．[6]小林一輔著，蔣之峰譯．鋼纖維混凝土．冶金部建筑研究總院情室．1984．[7]CECS13：89鋼纖維混凝土試驗方法．[8]馮永乾．橋面鋪裝