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2019年中国土木工程学会年会院士观点(摘录二)

发表日期:2019-11-18    浏览次数:116

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我国拱桥的成就和展望

郑皆连

        郑皆连:出生于四川省内江市,19658月毕业于重庆交通学院。中国工程院院士,路桥工程专家。首届享受国务院特殊津贴专家。现任广西大学全职教授、博士生导师,培养桥梁工程博士生。曾任广西壮族自治区交通厅副厅长兼总工,广西公路学会理事长,广西科技进步奖评审委员会副主任,广西科协主席,中国公路学会桥梁与结构工程学会副理事长。

        获国家科技进步二等奖两项、三等奖一项,还获得广西壮族自治区科技进步一、二等奖各2项,2008年获得广西科技进步特别贡献奖,2018年获李国豪原创桥梁技术奖。

        报告摘要: 随着我国,尤其是西部山区357cc拉斯维加斯和铁路的飞速发展,大跨拱桥的数量得到了快速增加,跨径也有了大幅提升。2014年,跨径530米合江长江一桥的建成,标志着钢管混凝土拱桥进入了500米级的行列;2016年,南、北盘江特大桥的建成,再一次刷新了劲性骨架混凝土拱桥的跨径记录。这两种桥型能够取得快速发展和成功,主要源自在建造技术和工艺上的科学创新,同时具非常好的经济性和超高的耐久性。

        报告以合江一桥、平南三桥等标志性CFST拱桥以及南盘江特大桥等标志性劲性骨架混凝土拱桥为例,重点介绍我国在这两种桥型方面取得的理论创新和技术成就。随着国家重大战略项目一川藏铁路的快速推进,对700m级超大跨径拱桥提出了需求,700m级的大跨拱桥建造技术面对着更高的挑战。

一、中国拱桥成就

(一)古代拱桥

有悠久拱桥建造史,距今2000年东汉出现了砖刻拱桥;1400年前跨?┖拥恼灾萸牛?缇?/span>37米,首创了敞肩拱,早欧洲500年,改善了受力,找到了??大跨径必由之路,评为世界土木工程里程碑。

800年前建成的卢沟桥,通过400t平板车,证明了拱桥的耐久性和超载能力;拱桥成了中华民族重要的文化符号。

           

(二)现代拱桥

现代拱桥主要特点是:斜拉、扣挂、悬拼,松索合拢简单、快捷,合拢松索静态、安全、段数不限。

1.转体:1977年转体成功跨径70m四川遂宁建设桥,平转、竖转、平竖转。优点:无须大型设备,对桥下干扰最少、速度快,施工安全性好,对地形利用充分时,经济性佳,已转体100余座。

           

2.跨径世界第一:近30年对钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥发展做出了重大贡献。

           

丹河大桥

   

重庆朝天门大桥

    

上海卢浦大桥

     

合江长江一桥

     

南盘江特大桥

3.钢管混凝土拱桥:1937年,在前苏联列宁格勒用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋,建造了横跨涅瓦河的下承式拱桥一沃洛达尔斯基( Volodarsky),跨度101.1m1939年又在西伯利亚依谢季河建成了跨径140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。施工方法是在预制场将钢管分段浇筑混凝土以后,在满堂支架上拼装成桥,两座桥未能发挥结构优势和施工优势,50年未有第3座诞生,被市场淘汰。

现代钢管混凝土拱桥我国从1990年建成旺苍东河桥以来,30年建成400多座,研发了膨胀收缩可控自密实混凝土,发明了真空辅助灌注管内混凝士,发明了斜拉扣挂悬拼和转体施工。有工程价值的钢管混凝土拱桥结构是中国原创 

   

目前在建的有平南三桥(575米),合江长江公路桥(主跨507米),建成的跨径最大的是合江长江一桥(主跨530米)。

          

合江长江一桥

4.基于悬拼单元的新型主拱结构

          

5.悬拼单元制造:制造及精度控制

          

6.悬拼:安装过程不调索,成拱后一次张拉

          

7.塔架智能控制技术

          

8.管内混凝土新材料

动态聚羧酸水泥分散剂制备方法和应用获中国专利优秀奖。

          

9.管内混凝土新材料实桥效果

          

10.钢管混凝土拱桥施工技术小结

钢管混凝土拱桥是钢拱桥拱圈中一部分钢被混凝土代替了,以混代钢部分只用钢的1/27,拱圈架设重量只为钢拱的1/2,所以架设速度快、造价低,地基能提供有效抗力时,代替钢拱是必然趋势,在软弱地基建系杆拱,值得比较。

11.劲性骨架混凝土拱桥

1)混凝土拱桥拱圈结构优势突出,但架设困难,约瑟夫米兰工程师发明了劲性骨架(如图),但为啥国外260m,国内到445m?

           

2)国外混凝土拱桥概况

          

3)发明专利

          

4)大跨径应用情况

          

5)国内的技术路线

悬拼或转体架设钢管拱骨架,泵送管内混凝土。

分环浇筑,已浇混疑士能参与劲性骨架受力,降低了到劲性骨架负担。

采用斜拉扣索或者多工作面浇注控制混凝士的瞬时应力;用斜拉扣索降低控制截面的永存应力。

          

6)劲性骨架瞬时应力处理

          

7)斜拉索降低劲性骨架瞬时、永存应力机理

          

8)斜拉索调载实现底板混凝土连续浇注

          

          

851t钢管拱骨架,5000m³外包混凝土,浇注底板,索力变化及拱脚上弦管内混凝土应力(见上图)。

  

云桂铁路南盘江特大桥

      

9)讨论:

                          劲性骨架与悬浇

     

                      劲性骨架拱桥与钢拱

    

                劲性骨架拱桥与钢管拱

     

                       箱拱与拱肋

    

二、展望

(一)地基好,钢管混疑土拱桥必然代替钢拱桥,系杆拱存在比较价值。跨径:2013年通车530m2020575m通车,近期可望700m

(二)我国首创的以钢管混凝土作劲性骨架,分环、多工作面浇注,斜拉索调载技术降低了造价,提高了安全性,建成了4座超400m跨径的混凝土拱桥,提高到600m是现实的,700m也在积极研究中,到性骨架是更大跨径混凝士洪挢的最佳选择。混疑土拱桥刚度大,维护少,日温差不敏感,更适用于高铁、山区。但外包混凝土量大,浇注时间长,待改进。

(三)600m级的上承式拱桥可替代千米级悬素桥,性能、造价占极大优势。

(四)700m级钢管混疑土拱钢管骨架近4万吨,拼单元达400t,单管混凝土2000m3,施工风险大,要研究弦管未灌混疑土时腹桁造成局部变形,特大弦管混凝土的灌注方法及瞬时应力控制。

(五)700m级劲性骨架混凝士拱桥,管内C120混?偻粒?耗?牧辖?span lang="EN-US">700kg,水胶比0.2以下,收缩大,流动性差,灌密实及抵消收缩相当难;外包混凝土6m3,防止高标号、大体积混凝土水化裂缝难度大,灌注钢管混凝土浇注外包混凝士风险大。

(六)建造700m级的上承式混疑土拱桥性能、造价优势极大,风险有望实现可控。

 

钢—混凝土组合结构及其工程应用

聂建国

    聂建国:结构工程专家,中国工程院院士。清华大学土木工程系教授,清华大学未来城镇与基础设施研究院院长,清华大学学术委员会主任。学术兼职包括《建筑结构学报》主编、中国土木工程学会副理事长、国务院学位委员会土木工程学科评议组召集人、中国钢结构协会副会长、中国钢结构协会专家委员会主任、中国公路学会桥梁和结构分会副理事长等。长期从事土木工程结构研究,成果已广泛应用于建筑结构、桥梁结构、特殊结构、地下结构等领域,取得了显著的技术经济效益和社会效益。以第一完成人获国家科技进二等奖、国家技术发明一等奖、国家科技进步奖(创新团队)1项。获光华工程科技奖、何梁何利科技进步二等奖、全国创新争先奖、全国模范教师、全国先进工作者等荣誉。

    报告摘要: 钢一混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的新型结构,可以充分利用钢结构和混凝土结构的各自优点,扬长避短,为解决工程结构的设计施工难题和发展高性能结构体系提供新的选择。报合重点讲述钢一混凝土组合结构的新形式和新技术、优点及适用范围,通过大量工程实例,介绍组合结构在大跨重载楼盖结构、大跨重载转换结构、混合连接节点、地下结构、结构改造与加固、桥梁结构等领域的应用效果,介绍钢一混凝土组合结构体系抗裂新技术。结合大量工程实例和方案的对比分析,阐述了钢一混凝土组合结构从结构将件到结构体系的俱多优点和发展前景,论述了组合结构的显著综合效益,指出钢一混凝土组合结结构将成为工程结构的重要发展方向,也符合我国当前大力发展钢结构和建筑工业化的产业策。

一、装配式建筑存在的突出问题

(一)我国建筑业的现状:工业化程度低,主要采用现场浇()筑的方式,资源能源利用效率较低,建筑垃圾排放量较大,扬尘和噪声环境污染严重。

       (二)传统混凝土结??施工效率低、施工措施费用高,施工周期长,对环境交通影响大。

       (三)设计水平亟待提高:

部品件标准化水平低、制作工艺复杂,堆放运输困难,成本高。

         

钢管桩不灌混凝土:用钢量增大,刚度小,抗灾能力差。

     

    楼盖可以利用组合作用但没有利用:用钢量大,楼盖结构高度大。

         

(四)装配式结构的一些问题:

纽约世贸中心遭恐怖袭击燃油大火引起垮塌的教训,钢柱、组合楼盖梁铰接、非组合结构体系如果采用钢管混凝土柱,逃生时间应该可以得到延长。

    

楼板选择:楼板分类:现浇、叠合、压型钢板、桁架筋楼承板,建议优先选择现浇混凝士楼板和叠合板混凝土楼板!

     

混凝土叠合楼板中预制板的“桁架筋”:带“桁架筋”的预制板施工麻烦,生产、堆放、运输、铺设,浪费钢筋。

     

混凝土叠合楼板中预制板的“胡子筋”,带“胡子筋”的预制板施工麻烦:生产、堆放、运输、铺设。

    

混疑土叠合楼板中预制板的“胡子筋”:带“胡子筋”的预制混凝土板施工麻烦,现场铺装难度大,为装配而装配的典型工程实例:名为装配,实为带模架施工。

    

混凝土叠合楼板中预制板的“胡子筋”:不出“胡子筋”的替代措施,在槽口预制板表面附加短钢筋。取消胡子筋,用附加钢筋“替代”,不仅施工不方便,而且附加钢筋根本没有起到替代“胡子筋”的作用。

     

    混士叠合楼板中预制板的“接缝”:传统叠合板的预制板侧面接缝施工麻烦,吊模、板底不平整。

     

    桁架筋楼承板:桁架筋的焊接破坏了压型钢板的镀锌层,耐久性差。钢筋桁架与镀锌板连接焊点的镀锌层被破坏,耐久性堪忧;钢筋桁架的存在导致堆放不便、运输不变、施工不便。

    

    

    

    竖向承重结构的钢筋套筒连接:造价高、??造复杂,拼装对接难度大,现场施工质量堪忧。

    

    为装配而装配的工程实例:工厂预制的混凝土构件,现场仍按传统现浇方式施工。

    

装配式结构的一些问题为装配而制造问题的工程案例:追求装配率,为装配而装配,造价大幅上升,工期延长,抗震性能、耐久性和安全性堪忧。

    

     

    钢结构装配程度低,没有用好钢结构的优点:用钢量大,施工复杂,该用组合结构而没有采用组合结构。钢结构的突出优点是“工厂化制作、装配化施工”,但实际设计没有利用好钢结构的优势,而是“工厂化分块、装配化焊接”,导致:构造复杂;大量现场焊接(仰焊)和涂装;施工周期长,用钢量大,桥面铺装费用高,使用性能差,动力性能差。不合理的设计影响了钢结构桥梁的谁广应用。

     

    

二、装配式结构的发展方向

    装配式建筑的未来:建筑工业化,建筑产业现代化

    (一)发展装配式建筑,需要发展适合于装配式建筑的结构体系和相关简单可靠的连接构造,钢-混凝土组合结??可以提供合理的选择。

    (二)解决当前装配式结构存在问题的有效措施之一:发展钢-混凝土组合结构,钢-混凝士组合结构有利于促进钢结构健康可持续发展。

    钢混凝土叠合板组合结构:首个叠合板组合楼盖工程,轻型大跨,预制装配,快速施工。

    太原第一热电厂集中控制楼(1988),钢-混凝土叠合板组合楼盖,楼面荷载(2535)kN/m2;经济效益,缩短工期1个月,提前发电创造经济效益690万元。

    

    

    -混凝土组合结构:钢混凝土组合楼盖,现场浇筑,无满堂架施工。

    

    -混凝土叠合板组合结构:大屯路隧道与地铁奥运支线交汇的公交枢纽,荷载重,跨度大、净空要求高、工期紧。跨度:22.05米,恒载:84kN/m2(覆盖层浮土厚4.2m),活载:20kN/m2,混凝土板厚500m。钢-混土组合梁板结构:截面高度降低27%,自重减轻73%,施工周期缩短50%。

    

    -混凝土叠合板组合结构:轻型大跨、预制装配、快速施工(科技的力量,创新的效果)

     

     

    三、装配式结构的创新技术

    (一)混凝土叠合板楼盖的新技术新工艺:板端不出胡子筋的??造创新。板端不出胡子筋双向混凝土叠合板解决了传统合板不向受力的难题)

     

    (二)创新青景:传统混凝士叠合板不适用于双向板(双向受力)

     

     

     

    (三)钢-混凝土叠合板组合楼盖的新技术新工艺:构构造简单,施工堆放运输方便,安装便捷,质量安全易控,经济实用,是对传统混凝土叠合板的重要发展。

     

     

     

     

     

四、结语与展望 

(一)建筑产业现代化发展展望

符合需求,值得发展

稳步推进,合理应用

加强研究,注重创新更新理念,加强研讨

重视构造,关注施工

目标:高性能,高性价比,全寿命费用低

高性能、长寿命、低消耗是建筑产业现代化创新的目标

新思想、新理念、新方法是建筑产业现代化创新的基础

新技术、新材料、新工艺是建筑产业现代化创新的手段

社会责任和担当精神是建筑产业现代化创新的不竭动力

建筑产业现代化发展和创新空间大

当前结构装配的一些向题值得关注

-混凝士组合结构适合于建筑产业现代化的发展需求

-混凝士组合结构可为建筑行业转型升级提供新选择

(二)建筑产业现代化可持续发展

精细化设计是源头

精细化施工是措施

精细化管理是保障

科技创新是根本

 

 

严酷环境中混凝土耐久性提升技术研究

缪昌文

        缪昌文:中共党员,中国工程院院士,建筑材料专家,东南大学学术委员会主任、教授、博士生导师。现任江苏省建筑科学研究院有限公司董事长,高性能土木工程材料国家重点实验室首席专家。

        缪昌文院士长期从事土木工程材料理论研究与工程技术应用研究,先后承担了包括国家“973”项目、自然科学基金重点项目等国家、省部级科研项目30余项,在混凝土重大基础设施工程服役寿命及耐久性能提升技术的研究、多功能土木工程材料的研发等方面取得了多项成果,先后获国家技术发明二等奖1项,国家科技进步二等奖3项,省部级科技进步一等奖7项,国家发明专利12项,出版专著4部,发表论文200余篇,其中SCIEIISTP150篇,在国际上有较高的声誉。

        报告摘要: 随着国家重点战略逐步实施,基础设施工程中钢筋混凝土耐久性所面临的挑战呈现出新特点,即服役环境的复杂严酷、施工条件的严苛以及设计寿命的提高。传统混凝土已难于适应严酷环境中建筑结构的设计、施工与服役性能的新变化,因此亟需开展严酷环境下混凝土耐久性提升新技术的研究与应用。针对上述问题,本文围绕钢筋锈蚀延缓的关键问题,从混凝土表层防护隔离介质侵入、混凝土基体抗介质侵蚀与钢筋表面维钝耐蚀三个方面介绍了耐久性提升技术的研究进展。在表层防护材料方面,简要介绍了潮湿或水下混凝土的湿基面固化基层材料、表层纳米粒子发射耐候技术的研究进展及工程应用;在混凝土基体抗侵蚀方面,对比分析了现有低水胶比、大掺量矿物掺合料技术、基于纳米前驱体的侵蚀性离子传输抑制技术,主要介绍了具有优异分散性能的侵蚀性离子传输抑制技术及其工程应用;在钢筋表面维钝耐蚀方面,重点介绍了多位点、强吸附的有机钢筋阻锈新技术及工程应用情况。

         一、概述

        (一)混凝土是重大基础工程的基础性材料,海洋工程钢筋混凝土结构中占90%以上,在超长跨距、复杂设计、超长距离、超大体积、超高层建筑等现代结构设计中被广泛应用。

        (二)严酷环境下混凝土耐久性问题突出:海洋和西部环境严酷,基础工程腐蚀严重。普通海工混凝土结构使用10-15年后出现严重锈蚀破坏(交通部科考报告)。西部极端环境下,普通混凝土2年开裂,3年失效(青海盐湖所科考报告)。

(三)耐久性提升技术是保障服役寿命的关键:2014年我国的腐蚀总成本约占当年GDP3.349%,其中腐蚀“重灾区”采用可通过相应的缓蚀措施加以避免,15%至35%的腐蚀损失是有望避免的(2017724日《自然材料腐蚀》文章)。

隔:混凝土表面涂层强化,隔离侵蚀性介质。

阻:混凝土基体致密与抗渗,阻碍介质传输。

缓:混凝土内钢筋阻锈,延缓钢筋腐蚀破坏。

亟需面向严酷环境的耐久性提升关键技术,满足服役寿命需求。

二、混凝土耐久性劣化机理

(一)技术背景:严酷环境导致混凝士材料内部微结构破坏、胶凝力急速下降、钢筋锈蚀率迅速增加,进而造成混凝土结构普遍出现性能提前退化等现象的一类环境。例如海洋高盐、高温、高湿、浪溅冲刷耦合环境。

(二)硫酸盐腐蚀机理:硫酸盐腐蚀导致混凝士结??腐化崩坍,硫酸根离子和水化铝酸盐作用生成水化硫铝酸钙晶体,产生体积膨胀,硫酸盐与氢氧化钙作用生成二水石膏结晶而引起体积膨胀;在镁离子的作用下,水泥石中的氢氧化钙不断被溶出,系统碱度降低,导致水泥的主要水化产物C-A-H的分解;低温时<15)主要水化产物C-S-HAFt,与碳酸盐与硫酸盐的复合作用,生成碳硫硅钙石,减弱了水泥石的胶结性,引起强度下降,使水泥石转化为糊状的无胶结性、无强度的物质。

(三)氯离子传输:CI渗透直接导致混凝土结构钢筋锈蚀.

一般海水中的氯离子含量约为18000-25000mg/L,特别需要注意特定地区地下水中同样含有较高的氯离子含量

工程经验教训表明,混凝土结构中的钢筋锈蚀,与服役环境和结构自身氯离子浓度、温湿交变和混凝土渗透性等因素密切相关。

结构自身氯离子可通过材料与施工管理控制;环境氯离子通过三种途径侵入混凝土内部:毛细管作用(水位变化区)、渗透作用(水下区、水位变化区)、扩散作用(水下区、大气区、水位变化区)

(四)钢筋锈蚀

钢筋锈蚀膨胀致使混凝土结构开裂:环境中的氯离子侵入到钢筋表面,电化学腐蚀反应发生;钢筋有效截面积减小,钢筋混凝土间粘结力下降,结构承载力降低;钢筋体积膨胀,混凝土开裂,结构耐久性严重下降。

   

三、材料、结构耐久性设计思路

(一)设计模块:

           

(二)建立材料耐久性修正模型

初步建立了应变对扩散系数的修正模型,并应用于平台。

           

(三)搭建材料、结构耐久性一体化设计平台

基于建模绘图、有限元分析、报告处理等软件的无缝对接,运用BIM技术建立材料、结构耐久性一体化设计方法。

   

基于BIM平台完成结构混凝土的材料与结构参数的协同设计。

   

(四)耐久性提升技术整体思路

           

四、实践应用

(一)混凝土表层强化

大气区:盐雾侵蚀为主,辐射强耐老化要求高,碳化、汽车尾气中性化腐蚀。

潮差区:混凝土表层干湿循环导致毛细孔吸附作用突出。

浪贱区:混凝土表层遭受海浪动态冲刷作用,以水压渗透作用为主。

关键技术应用方向:

密封性:改性硅酸盐密封防护材料,用于大气区,海岸区防护的桥梁索塔上部、箱梁、防浪块(以桥为例)。

水性:低聚物聚硅氧浣浸渍材料,用于浪溅区以上干湿位置防护的桥梁索塔下部、承台顶部(以桥为例)。

成膜型:喷涂聚脲弹性体涂层材料,用于浪溅区及潮差区重腐蚀位置防护的桥梁墩柱等(以桥为例)。

(二)混凝土外防护:喷涂聚尿弹性体

提出仿生基团与多种化学官能团结合,实现混凝土表层防水与高粘接性能。

开发新型高官能度固化剂,通过高官能度脂肪族固化剂与位阻仲胺扩链剂实现耐候性提升(典型工程应用见下图)。

         

(三)基体抗渗:侵蚀离子传输抑制剂,技术原理与特点

细化毛细孔径,降低毛细孔连通性,提高密实度。

堵孔与憎水复合作用。

设计新型前驱体解决纳米材料在混凝土体系中分散难题。

        

        

(四)钢筋阻锈:掺入型有机阻锈剂

                

                

                

(五)青岛万达:滨海盐渍土环境中耐腐蚀混凝土关键技术

背景:全球投资规模最大影视产业项目,项目总投资500亿元人民币,混凝土结构设计服役寿命50年。

服役环境:为拟建场地为滨海盐渍土环境;水中CI浓度与S02浓度超规范数倍。

关键问题:项目存在超规范的滨海盐渍土环境强腐蚀难题;依据现有标准和工程经验无法实现混凝土结构耐久性保障。

技术难点:加速试验方法与评价体系,不改变腐蚀机理;混凝土盐结晶破坏抑制,高浓度硫酸盐结晶;无盐渍土环境耐腐蚀混凝土应用技术规程。

(六)灌河大桥一滨海化学腐蚀一关键问题

背景:江苏省重点工程,主桥塔、墩、基础和引桥部分采用钢筋混土结构,设计服役寿命为100年。

服役环境:为典型演海环境,位于化工产业园区;NO2浓度为0.1-0.2mg/m3,超标准1倍以上。

关键问题:大桥在ClCO2H+NO3共存的复杂环境中服役,而非单一氯盐环境混凝土结构存在化学腐蚀风险。

技术难点:修正服役寿命预测模型,酸雨、二氧化碳等侵蚀性介质耦合作用;开发高效有机阻锈技术:结构裂缝、高氯盐环境;滨海化学腐蚀环境混凝土耐久性技术体系。

亟需形成滨海化学腐?混凝土耐久性应用关健技术!

(七)虎门二桥:滨海氯盐侵蚀技术方案

            

五、结语与展望

(一)结语:

积极推动混凝土材料/结构耐久性一体化设计方法的科研工作,实现重大工程耐久性的定制化研究与设计。

应加大混凝土耐久性理论的原创性研究,采用先进技术改造传统混凝土材料,基于有机无机的学科交叉,开发混凝土耐久性提升新技术。

重视既有混凝土耐久性的长期服役数据积累,建议加强基于物联网技术的大数据采集平台与分析方法。

(二)展望

重视混凝土开裂问题。

           

耐久性评价新方法及设计平台

         

基于多场识别的耐久性监控技术

  

 

混凝土耐久性需全方位考虑

          

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