探索UHPC桥梁设计的未来：环保与美学的完美结合|基体|材料|构件|混凝土|耐久性|钢筋

ABC-UTC 2024 深度网络培训介绍了与超高性能混凝土 (UHPC) 创新相关的最新发展及其使用示例。

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我们现在开始第三模块：欧洲超高性能桥梁的设计与建造。很高兴介绍我们的讲者尤金·布雷尔博士，他是瑞士联邦理工学院的名誉教授，同时也是桥梁咨询师。感谢您再次加入我们，布雷尔博士，我将把屏幕交给您

非常感谢，凯西。我很高兴能展示一些新的超高性能混凝土（UHPC）桥梁的例子。我演讲的题目是“超高性能混凝土桥梁的设计与建造”，主要集中在设计和施工问题上。

我将分为三个部分：第一，概念设计，讨论我们在使用高性能材料（如UHPC）时的设计理念、一些原则和典型的横截面；第二，抗力模型，即我们如何通过计算验证结构尺寸，第二部分会相对简短，只介绍原则，不涉及数字，因为我认为计算只是一个工具，验证必须证明设计的有效性；第三部分将讨论UHPC结构，特别是一些我在设计阶段到施工质量控制中参与的重要人行道和道路桥梁。

UHPC是什么？我想这应该对公众来说很清楚。这个视图展示了黑色的基体和大量的钢针纤维，作为增强材料。我称这种材料为超高性能纤维增强复合材料（UHPFRC），强调纤维增强的重要性。UHPC是一个简单的缩写，现在被广泛使用。基体非常紧凑，材料是不透水的，能够在服务条件下保持防水和无裂纹。如果材料在拉伸时表现出应变硬化，说明其在超过弹性极限后，变形会增加。我们将UHPC定义在更高的应力水平下，单轴拉伸强度通常为2000 PSI，抗压强度和弹性模量也很高。

那么，为什么我们需要使用UHPC进行设计和建造呢？因为精心设计的UHPC结构具有更低的成本，表现出非常高的耐久性，或至少可以期待如此，相比传统的钢筋混凝土结构，环境影响较小。此外，我们还可以创造具有独特美学的结构。

接下来，我想介绍五个设计原则。首先，我们需要理解UHPC既不是混凝土也不是钢材，它是一种新材料。其次，我们希望充分利用UHPC的材料特性。第三，我将介绍三个主要且简单的设计目标，并优化设计，减少或加厚结构构件的尺寸，始终在经济性与美观之间寻找平衡。设计时我们总会从某些地方获取灵感，我想在这里做两个说明。

第一个原则，UHPC既不是混凝土也不是钢材。这与我们的思维方式有关，我们不应该根据混凝土施工的思维来考虑UHPC。UHPC是一种复合材料，由基体和大量纤维组成，这一点非常重要。它也不是钢材，钢材可能是我们拥有的最佳材料，而UHPC则介于两者之间，这意味着我们需要关注UHPC的特定属性、原则以及设计方法。

另外，许多文献中提到的UHPC实际上只是更好的纤维增强混凝土，因为有时其纤维体积甚至不到2%。我今天所说的都是针对纤维含量在3%或更高的UHPC，以确保其抗拉应变硬化特性，不必担心裂缝问题。

第二个原则是利用UHPC的材料特性。抗拉应变硬化非常重要，材料在达到强度之前能够承受的变形，这种特性对于使用性能非常重要，帮助维持UHPC构件的刚度。这从经济和安全性角度也很有趣，在UHPC构件的横截面中添加钢筋是瑞士的强制要求，但仅限于主要受力方向。结构的响应实际上是钢筋和UHPC的响应之和，这样在服务条件下就不会出现裂缝和水渗入，这与传统混凝土在耐久性和结构行为方面形成了明显的差异。

关于三个基本设计目标：首先，使用具有最佳机械性能的UHPC；其次，使用尽可能少的UHPC，实际上我们希望使用UHPC，但只使用严格必要的数量，不多于此。这样可以实现轻量化结构，纤细结构。计算交通荷载与自重的比率，这个比率应高于50%，这样才能实现经济性。

我经常听到有人说在瑞士的UHPC中添加了过多的纤维，但我可以告诉你，这种高纤维含量在所需材料体积减少的情况下是可以平衡的，因为我们拥有显著更高的机械性能。同时，由于我们有轻量结构，可以简化施工过程，加快施工进度，这在成本上是非常重要的。

我们需要优化设计，在经济性（施工成本）和美观之间寻找平衡。我们坚持轻量设计，在施工方法上，预制构件是经济的，采用钢结构的安装技术非常有效，以缩短施工周期。当然，在美学方面，我们可以得到纤细、优雅的设计。

个人而言，我经常寻找早期钢筋混凝土设计的灵感。例如，在19世纪末的欧洲法语地区，费尼克引入了基本的钢筋混凝土，他的概念实际上与我们希望用新UHPC实现的目标非常接近。另一个灵感来源是现代桥梁，尽管仍使用传统材料，比如这道厚板，采用后张混凝土，我在想是否可以通过使用UHPC来减少板的厚度，使桥梁更优雅。

总结一下，设计原则包括：我们希望建造轻量结构，预制是非常有趣的，加速施工是我们的目标，耐久性几乎是“免费”的，而施工成本在许多情况下要低于传统设计，但这当然取决于概念设计的艺术。

最后，这是一个经验性的控制。如果您设计的UHPC结构在相同用途下重量不至少是钢筋混凝土的三分之一，那么它可能并不是最佳设计。因此，我们需要确保结构至少轻三倍。

接下来是一些用于桥梁施工的结构构件横截面，这里是厚板，厚度已经达到半英尺或六英寸，这对我来说已经很厚。这种厚板在钢筋混凝土中并不是有效的结构元素，因为三分之二的混凝土质量实际上并没有发挥作用，因为它会开裂。在UHPC中也是如此，厚度越大，材料的有效性越低，无法充分发挥其机械性能。因此，我们可以生产中空板，以便放置管道和其他服务设施，使结构更轻。接下来的步骤是进行设计。

我们现在来看一些关于桥梁设计的内容。这种板的厚度大约为两到两层半英寸，不会更多。对于较大跨径的桥梁，我们可以设计板梁，这也是传统施工方法中常见的横截面，通常采用预制或后张的UHPC梁，然后在现场浇筑一层约两英寸的材料，以填补预制构件之间的所有缝隙。目标是创建单体结构。

这种梁的厚度为两层半英寸，包括交叉布置的钢筋。我们使用的绿色部分是横梁和加劲肋，这些元素更像是钢结构，而不是传统混凝土结构，后者通常更加庞大。我们在UHPC中使用的这种箱型梁在设计上受到钢结构的强烈启发，目的是减少结构的自重，达到与相同的后张混凝土箱型梁自重仅为三分之一的目标。

复合梁是一个非常有趣的领域，我们结合了传统的钢结构或木梁与非常薄且轻巧、耐久的UHPC板，这种板不会开裂，并且不会对下方的钢结构造成问题。对于那些仍想使用传统混凝土施工的人，我们也可以创建复合梁，由预制或现场浇筑的后张或钢筋混凝土梁组成，然后通过现场浇筑UHPC来改善，以保护钢筋混凝土免受氯离子影响，提高其机械性能。

最重要的设计验证是服务条件下的行为和疲劳变形。我们的轻量化结构在极限状态下更为重要。由于UHPC具有很高的变形能力，我们可以对其进行塑性分析。在使用性能极限状态下，挠曲变形是关键问题，振动也可能是一个问题。根据我的经验，振动在我所做的设计中并不是问题，结构的重量足以避免振动，并且具有较强的刚度。

在疲劳加载下的应力计算以及与UHPC的疲劳抗力比较也很重要。对于极限弯曲抗力，平面截面的应力分布保持线性。我们按照常规计算应力，并进行内力平衡。UHPC的抗拉应力和抗拉强度在设计中是被考虑的，因为我们在极限剪切抗力方面拥有足够的韧性。

在设计中，我们看到在梁腹部的应力场是双向的，除了熟知的压应力场之外，还存在一个垂直的抗拉应力场。我们可以在梁腹部添加一些垂直钢筋，通常是单根钢筋，也可以添加后张钢筋，以满足服务性要求。

接下来我们来看一些我参与的应用案例。在所有情况下，UHPC设计的成本并不高于传统钢筋混凝土或钢结构设计，甚至在某些情况下更低。所有设计都根据我刚才介绍的模型和设计程序进行了验证。十年前，我们设计了这座人行桥，展示人行桥是因为它可能为您在城市中建造新的人行桥提供机会。

我们在设计上增加了难度，这座桥梁的截面是不对称的，腹部向外倾斜以达到美观。关于钢筋的布置，从一开始就必须考虑如何建造整个结构，确保每根钢筋的位置和必要性。我们这里的板厚度为两英寸，考虑到施工和预制构件的精度，最终选择了这个厚度。

在预制厂内，我们看到基体材料，制成我们所称的有机腹板，这是一种设计特点。预制构件是倒置浇筑的，这样可以在浇筑过程中获得显著的优势，并且经济实惠。构件被运送到现场，在一个早晨所有构件都在轻型脚手架上安装完成。为了美观，我们在UHPC混合料中添加了黑色颜料，以获得深色材料。

关于成本，UHPC材料的成本仅占总施工成本的10%，尽管钢针纤维的体积占比超过3%。接下来我们看看一些美学表现，关于这座人行桥的照明。这座结构为夜间艺术家提供了灵感，涂鸦每几周就会变化。

下一座人行桥采用相同的设计原则，但进行了简化，因为这次的截面是对称的。第三个结构是一个非常繁忙的铁路上方的立交桥。我们有一个楼梯连接到这个单体结构，预制构件通过后张连接而成。后张连接为我们提供了新的美学表现。

虽然这不是一个很大的结构，但挑战在于施工方法。结构越大，物流需求越高。这里的路桥在河流净空和相邻道路的高度方面有严格的设计要求，因此我们设计了一根非常纤细的梁，梁高从约两层半英尺变化到四到四层半英尺。

这里的构造成本显著低于传统设计。我们看到的这个板梁设计就是之前提到的，现浇UHPC的厚度为两层半英寸，特别之处在于我们将现浇UHPC延伸到通常设置的膨胀缝之外，以避免耐久性问题。我们将膨胀缝转交给道路建设部门处理。

铸造 UHPC 并在完成后将桥梁投入公路交通服务。另一个设计是木材与 UHPC 复合梁结构，我们可以看到木梁和非常薄的 UHPC 板，薄度在两英寸到接近四英寸之间。这种结构几乎是 CO2 中性的，我们对其进行了环境影响研究，结果显示与最初计划的钢筋混凝土板相比，结果非常有利。

这个概念现在已经在多个桥梁上实现，我们很快将在瑞士获得该设计的奖项。接下来，我想介绍我参与的一个重要项目，这是一个1896年铆接的钢梁，我们正在查看一条长约半英里的铁路。整个部分是铺设在马萨里石拱上的多重拱结构，四座铆接钢桥的所有部分均采用 UHPC 制作。您可以在这张照片中看到，1896年的铆接梁顶部放置了预制的 UHPC 元素，并通过一个连接件连接在一起。施工工作几天前刚刚完成，火车将很快再次在这条铁路上通行。

我想总结一下，介绍了一些设计原则和典型的横截面，以便在设计和建造 UHPC 桥梁时能够参考一些抗力模型，验证结构尺寸。这些设计应该激励您自己设计一些 UHPC 桥梁。感谢您的关注。

谢谢，尤金。接下来我们进行问答环节。有个问题是，为什么 UHPC 具有非常高的耐久性？UHPC 具有非常紧密的基体，当您进行测试以查看水和氯离子是否渗入材料时，您几乎不会测量到任何东西。我们在20年前的第一次应用中进行了类似的测试。

另一个问题是，如何获得不同年龄的 UHPC 层之间的粘结？这很重要，必须对已经硬化的 UHPC 表面进行准备，这一准备是通过高压水射流来实现的，以获得微粗糙的表面。

关于 UHPC 材料成本的问题，您展示的 UHPC 桥梁的总建设成本如何？其他桥梁的情况如何？这些桥梁的成本类似，最高可能占总成本的25%。通常情况下，在我所在的环境中，我们在一个已建成的环境中增加新桥，这通常比较复杂，因此使用轻量结构和预制元件可以显著降低建设成本。

关于预制元件的尺寸精度，您展示了一些非常薄的元件，我想知道它们的尺寸精度如何？这是一个具有挑战性的问题。预制厂的工人通常习惯于制作钢筋混凝土预制元件，而当我们带着 UHPC 设计时，我们用毫米来表达非常小的数值。

在 UHPC 桥梁的施工过程中，如何进行质量保证？从设计开始，我们必须遵循标准，通常会有检查工程师进行审核。当进入施工阶段时，我们的标准中有一个相对清晰的概念和方法来控制施工。

关于 UHPC 是否被用于轻量混凝土封闭的问题，我不太了解，但我认为使用 UHPC 连接预制的钢筋混凝土元素是一个很好的解决方案，因为我们有高性能材料。实际上，我认为在1960年代和70年代，预制在欧洲非常流行，现在虽然略显不那么流行，但如果使用 UHPC 来填充和连接接缝，可能会再次流行。

关于带有斜面元素的结构，如何处理这些斜面？当我们铸造预制元件时，当然需要有斜面，但这与传统钢筋混凝土的施工没有区别。另一方面，当我们在道路桥梁的梁上铸造新鲜的 UHPC 时，需要使用具有良好流动性的材料。

在瑞士市场上，我们有几种产品，所有产品都是预混合的，并以大袋的形式交付，纤维也已预混合。这样可以减少施工现场的混合时间，非常重要。

感谢您的参与，尤金，您的演讲非常精彩，您独特桥梁的图片美丽动人。非常感谢，尤金，再次感谢您。