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钢纤维混凝土在桥梁工程中的应用
Application of steel fiber reinforced concrete in bridge engineering

摘 要

钢纤维混凝土是一种新型的复合材料,是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。近年来在桥梁工程中应用非常广泛,本文主要探讨了钢纤维混凝土在在桥面铺装、旧桥加固、桥梁结构中应用钢纤维混凝土的实例 ,并提出了工程钢纤维混凝土应用的发展前景。

关键词：混凝土 桥梁工程 性能 应用

Abstract

Steel fiber reinforced concrete is a new type of composite materials is in general chaotic mixing concrete to the distribution of short steel fibers formed a new type of multi-phase composite materials. Bridge engineering in recent years in a very wide range of applications, this paper discusses the steel fiber reinforced concrete in bridge deck pavement, the old bridge strengthening, bridge structure, the application of steel fiber reinforced concrete examples, and put forward the application of steel fiber reinforced concrete projects for development.

Key words: Concrete Bridge Engineering Performance Application

目录
1钢纤维混凝土及钢纤维的概述 1
1.1钢纤维混凝土概述 1
1.2钢纤维的基本性质 1
1.2.1钢纤维的类型及特征参数 1
1.2.2钢纤维的特征参数 1
1.3钢纤维混泥土的基本性能 1
1.3.1强度和重量比值增大 2
1.3.2.具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度 2
1.3.3具有卓越的抗冲击性能 2
1.3.4收缩性能明显改善 2
1.3.5抗疲劳性能显著提高 2
1.3.6耐久性能显著提高 2
2钢纤维混凝土的配合比设计 3
3钢纤维混凝土在桥梁工程中的应用 3
3.1钢纤维混凝土现在桥面工程中的应用 3
3.1.1钢纤维混凝土的优势 3
3.2钢纤维混凝土在新建桥梁结构中的应用 4
3.3钢纤维混凝土在旧桥加固工程中的应用 5
3.3.1 翻修旧桥桥面铺装 5
3.3.2旧桥加固改造 6
3.4公路与城市桥梁的加固改造 6
3.4.1 沪杭高速公路桥分离立交桥 6
3.4.2 江西赣州西河大桥 6
3.5 铁路桥梁的加固 6
4结论 7
参考文献： 8

第一章 绪 论
1.1钢纤维混凝土概述
钢纤维混凝土(简称SFRC)就是在普通混凝土中掺入适量钢纤维而成的一种新型复合材料，近年来在国内外得到迅速发展。它克服了混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、性脆等缺点，具有优良的抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、耐疲惫、高韧性等性能，已在建筑、路桥、水工等工程领域得到应用。
1.2钢纤维的基本性质
1.2.1钢纤维的类型及特征参数
钢纤维按材质分,有普通碳钢钢纤维和不锈钢钢纤维,其中以普通钢钢纤维用量居多;按外形分有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形;按截面形状分有圆形、矩形、月牙形及不规则形;按生产工艺分有切断型、剪切型、铣削型及熔抽型;按施工用途分有浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。
1.2.2钢纤维的特征参数
为满足钢纤维的增强效果与施工性能,通常采用钢纤维长度为15～60mm,直径或等效直径为0.3～1.2mm,长径比为30～100,纤维的体积掺量为0.5%～2%。
1.3钢纤维混泥土的基本性能
国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究,现归纳如下:
钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期,水泥基料与纤维共同承受外力,当混凝土开裂后,横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。
1.3.1强度和重量比值增大
这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。
1.3.2.具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度
在混凝土中掺入适量钢纤维,其抗拉强度提高25%～50%,抗弯强度提高40%～80%,抗剪强度提高50%～100%。
1.3.3具有卓越的抗冲击性能
材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能,称为冲击韧性,在通常的纤维掺量下,冲击抗压韧性可提高2～7倍,冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。
1.3.4收缩性能明显改善
在通常的纤维掺量下,钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。
1.3.5抗疲劳性能显著提高
钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106次时,应力比为0.68,而普通混凝土仅为0.51;当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时,应力比为0.92,而普通混凝土仅为0.56。
1.3.6耐久性能显著提高
钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外,由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好,因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。

第二章 钢纤维混凝土的配合比设计
钢纤维混凝土配合比的设计步骤与普通混凝土大体相同，所配置的钢纤维混凝土要进行实验，同时满足抗拉、抗压、抗折强度要求。通过对钢纤维混凝土的力学基本性能的研究发现钢纤维的加入对混凝土的抗压强度提高不大，但抗压韧性有很大改善。钢纤维混凝土当水灰比及集料最大粒径变化不大时，钢纤维含量特征参数影响钢纤维混凝土的抗拉强度。钢纤维混凝土极限荷载往往高于初裂荷载，初裂荷载与极限荷载的比值一般在0.8~1.0 之间，并且初裂荷载、极限荷载及韧性均随钢纤维混凝土含量的增大而增大。在相同钢纤维含量情况下，钢纤维混凝土强度随钢纤维的强度增大而增大。随钢纤维直径增大而减小。钢纤维混凝土抗剪强度随水灰比的减小而增大，随钢纤维体积率的增大而增大。

第三章钢纤维混凝土在桥梁工程中的应用
3.1钢纤维混凝土现在桥面工程中的应用
桥面铺装也称行车道铺装，是铺筑在桥面板上的防护层，是桥梁结构的重要组成部分。作用是保护属于主梁整体部分的行车道板不受车辆轮胎的直接磨耗，防止主梁遭受雨水的侵蚀，并能使车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用。由于桥面天然敞露而受到大气影响十分敏感，根据以往实践经验，建桥时因对桥面铺装重视不足而导致日后修补和维护的弊病不少，因此，如何合理改进桥面的构造和施工，愈来愈引起人们的注意。而且，桥面铺装质量的好坏和使用耐久性将直接影响到汽车的行驶质量和使用耐久性。
3.1.1钢纤维混凝土的优势
钢纤维混凝土因其具有良好的抗裂性、抗弯曲性、耐冲击性、耐疲劳性的特点，在桥面铺装中使用较一般水泥混凝土具有以下几点优势：
3.1.1.1减薄铺装厚度
钢纤维混凝土在相同荷载条件下铺装厚度可减少30%~50%，这样既减少了工程量又降低了桥梁恒载。
3.1.1.2加强桥面铺装与伸缩缝的连接强度
桥面伸缩缝是整个桥面的薄弱环节，在车辆的行驶过程中，由刚性桥面过度到柔性伸缩缝再到刚性桥面，不可避免地产生强烈的震动，震动释放出的巨大能量对伸缩缝与混凝土连接结构极具破坏性。钢纤维混凝土因其较强的耐冲击性保证其与伸缩缝连接钢筋牢固粘结，使伸缩缝发生的变形、位移、或翘曲都较小，大大提高了伸缩缝的使用寿命。
3.1.1.3延长了桥面的使用寿命
在重交通荷载作用下，钢纤维混凝土桥面开列要比普通混凝土缓慢得多，其桥面裂缝宽度小，不连续开列后延性仍很好，混凝土剥落、坑槽现象很少。这都有利于桥面和桥梁的使用寿命，改善了车辆的行驶条件。
3.2钢纤维混凝土在新建桥梁结构中的应用 
近十几年来，我国应用SFRC于桥梁结构中取得了可喜的成绩。现将有代表性的桥梁应用SFRC情况作一简介。
1)珠溪大桥建于198 9年，系我国第一座SFRC轻型拱桥，桥长81.2m，净跨60m；广西静兰特大桥建于1991年，系国内第二座轻型拱 桥，也是当时全国最大的多跨连拱，主跨为5×90m，全长540m。这两座桥型均为悬链线双箱肋拱桥、在拱圈受拉区部位，如拱顶、3/8L和拱脚截面应用SFRC浇筑。
2)三峡工程对外交通公路上的莲沱特大桥，主跨采用 48.3﹢114﹢48.3m 三跨一联中承式钢管混凝土拱桥，设计荷载为汽—135、 挂—660级。在拱脚将近9m长范围 的钢管内采用了体积率1.5％的微膨胀SFRC；在墩顶拱脚为横向框架、横隔墙、中拱拱肋和边拱拱肋四个方向交汇处，受力十分复杂，此处为多向应力状态，应力变幅大，故在墩 顶以下4.48m的 范围内采用以C40预应力，并掺以体积率1％钢纤维；在横梁中性轴以上部分(材料分界线离横梁顶面0.9m)，增加了含量为体积率1.5％的钢纤维，收到了良好的效果。
3)鄱阳湖湖口大 桥全长3799m，主跨318m，主桥宽27.5m，双向四车道。主桥为母子塔双索面斜拉桥，其结构为65+123+318+130m的四跨连续半漂浮体系预应力混凝土斜拉桥，主梁为双肋板式截面 ，系长薄梁体，抵抗温度收缩裂缝的能力差。为防止裂缝的出现，在横隔板、桥面板处手洒钢纤维与混凝土同期振捣，即按C50的SFRC浇筑，并在桥面板下层钢筋下缘处布设一层金属扩张网，以提高混凝土的抗拉性能。该桥于2000年11月18日建成通车。
4)我国最大跨度SF RC斜拉衍架连续梁桥——京航运河邳州高架桥已于2001年建成通车。该桥全长1912m，其中主桥长163m，主孔结构采用43.5+76+43.5m的三跨一联的双塔双索面预应力特种CF55现浇SFRC斜拉下承式连续梁桥。 
3.3钢纤维混凝土在旧桥加固工程中的应用
3.3.1 翻修旧桥桥面铺装
旧式钢筋混凝土桥 面铺装有一个致命弱点，即施工中不可避免地受到施工人员和施工机具的践踏，使支垫就位的钢筋下沉而紧贴桥梁梁体表面，从而丧失了钢筋网在铺装混凝土中防止和改善裂缝的 作用。我国以前修建的桥梁，桥 面铺装采用钢筋混凝土者出现了大量裂缝，甚至严重破坏，采用钢筋混凝土的破坏率大大高于沥青混凝土路面，原因就在于此。我国翻修桥面铺装工程实例很多，在此仅介绍几例。
1)广州洛溪大桥采 用 VSL预应力连续刚构体系，1998年建成通车。其建成通车仅1年，桥面铺装就产生了严重剥落，后经采用钢纤维增强钢丝网混凝土(FC技术)进行维修，取得了较好效果。
2)北京市于1980 —1989年间建造的西直门、三元、安贞和安慧等10多座立交桥，桥面铺装均为水泥混凝土。通车运营1—2年后，混凝土桥面铺装层就发生程度不同的裂缝，破坏情况严重的以板角 为中心向四周剥落，桥面层钢筋网外露。1997年3—5月，采用特快硬SFRC修复了西直门、安贞、三元和安慧等11座立交桥桥面铺装，修补时间短的桥面层运营已5年多，时 间长的已近13年，经现场多次查看，未发现已修补过的桥面层有裂缝、破坏和新旧混凝土间剥落现象。施工时选用波浪形剪切短形断面钢纤维，掺量为C30混凝土体积的1％。 
3) 杭州320国道上村口桥，因原桥面铺装混凝土破损严重，1995年采用SFRC对桥面进行大面积翻修，水灰比为0.5，钢纤维含量为1.25％，水泥用量400kg／m 3，TJ—A减水剂为水泥用量的2.5％。营运几年来，未出现病害。 
另有杭州钱塘江公路大桥 、武汉长江二桥 、江西西村袁河大桥等。SFRC加固桥面已取得良好的效果，由于钢纤维的加入，改善了水泥混凝土的力学性能，且缩缝少，行车舒适平稳，减少了维修费，并延长了使用寿命。
3.3.2旧桥加固改造 
日本从20世纪70年 代以来，采用喷射早强快硬SFRC对30多座桥梁进行抢修，取得了良好的效果。我国对喷射混凝土的新材料进行了大量试验研究后，从1983年以来， 分别在破损混凝土结构物的补强、公路与城市桥梁加固、铁路桥墩的抗震加固、铁路桥梁补强工程中的应用均收到很好的技术经济效益，施工速度快，又不影响结构物的正常营运。
3.4公路与城市桥梁的加固改造 
3.4.1 沪杭高速公路桥分离立交桥 
该桥全长284m，共14孔20m跨径后张 预应力混凝土简支空心板，空心板顶板厚度原设计为10cm，因施工工艺不够完善，对芯模加固控制措施不妥当，检测结果普遍为5—8cm。原桥面铺装层设计厚度10.5—15cm，铺装 层配有直径6方格钢筋网，间距为10cm，桥面未铺筑沥青混凝土。为有效解决顶板超薄造成的板梁的使用寿命和承载力降低等问题，经过三个方案的综合比较确定，采用SFRC加固 桥面铺装，铺装层原厚度不变。原钢筋网取消，增设补强钢筋，横桥向为直径2，顺桥向为直径8，间距均为20cm。SFRC的钢纤维体积率为1.2％，采用嘉 兴经纬钢纤维厂生产的30mm矩形剪切微扭钢纤维。该桥经采用SFRC维修加固后，经过5年多通车使用观察，桥面不但外观良好，且行车十分舒适，取得了显著的社会效益。 
3.4.2 江西赣州西河大桥
大桥全长256.2m。上部构造由7×33+2×12.6m钢筋混凝土悬臂梁组成，该桥于1956年12月2日竣工通车。由于汽车超载，竞使所有支承挂孔的牛腿 全部断裂 ，成为危桥。为了解决城市进出车辆的行驶，于1996年2月采用SFRC技术完成牛腿加固工程，并经加载试验后恢复通车。该桥经过近7年的营运，效果很好，未发现裂缝。 
3.5 铁路桥梁的加固 
SFRC在铁路工程方面的应用，于20世纪80年代开始，如沈 大铁路金州铁路桥，建于1907年，全长92.46m，墩台为浆砌块石扩大基础，墩高20.56m，镶面砌缝裂纹渗浆严重。1985年采用锚钉及喷射SFRC加固桥墩，每立方米混凝土掺钢纤维 80kg；包白线K23十190处为6孔16m圬工梁桥，1959年建造，墩高27.5m，料石砌筑，位于7 —8级烈度地震地区。为加强该桥的抗震性能，将墩身周围土层下挖，在墩身外围绑扎钢 筋网，然后喷射SFRC进行加固。从1986年起大虎山等工务段也采用SFRC加固桥梁和桥墩。采用此加固方法，行车 时不减速，稍加限速，施工简便，工期短，性能可靠，效果很好。1996年5月3日，包头发生了6.4级地震及多次余震。该桥离震中约20km，而加固后的墩身完好无损。

第四章 结 论 
混凝土强度总体水平是反映一个国家土建技术水平的重要标志。我国目前总体水平仍停留在28MPa左右，与欧美发达国家相 比尚有相当大差距。据专家估计，美国在21世纪常用混凝土强度平均强度可达133MPa，并可研究出400MPa的超高强混凝土。钢纤维是增加泥凝土强度最佳材料之一。
应用SFRC与素泥凝土相比，可降低造价10％—30％，经济效益显著，如珠澳大桥原设计普通钢筋混凝土箱形拱桥，后改为SFRC箱形拱桥，降低造价24％。 
目前，我国的高速 公路与铁路建设多已进入山岭区，为保护自然生态环境，路基填高超20m者则优先考虑高 架桥方案；位于山岭区的高速公路，桥隧长度占线段总长的30％—35.4％；线路处在冻土 、沼泽、内涝和滞洪区亦多设计为桥梁；截至20世纪末，我国公路危桥有2万余延米和近5 万延米的 桥梁须提高承载能力，急需加固、改建或重建。SFRC由于具有一系列的优良性能、潜在的综合效益和巨大的技术发展潜力，可以预见SFRC在21世纪必有广阔的应用前景。

参考文献
[1]J.P.Romualdi and G.B.Batson. Mechanics of Crack Arrest in Concrete,Proc.ASCE, Vol.89,EM3,Junal 1963(pp.147-168).
[2]高丹盈，刘建秀．钢纤维混凝土基本理论[M] ．北京：科学技术文献出版社．1994．
[3]赵国藩，彭少民，黄承逵等．钢纤维混凝土结构．北京：中国建筑工业出版社，1999．11．
[4]张春漪．钢纤维喷射混凝土实验研究及其应用．钢纤维混凝土结构设计与施工规程专题研究告集．大连理工大学，1990．
[5]卢良浩．钢纤维混凝土工程应用三例．南京：全国第四届纤维混凝土与纤维水泥学术会议论文集，1992．
[6]小林一辅著，蒋之峰译．钢纤维混凝土．冶金部建筑研究总院情室．1984．
[7]CECS 13：89 钢纤维混凝土试验方法．
[8]冯永乾．桥面铺装层损坏的原因分析及解决方法[J]．公路，2004（7）：40．

致 谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
本文是在尚新洪老师精心指导和大力支持下完成的。尚新洪以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。
另外，我还要特别感谢师哥对我论文写作的指导他为我完成这篇论文提供了巨大的帮助。还要感谢，学长对我的无私帮助，使我得以顺利完成论文。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢

王腾蛟

序号
名称
规格型号
单位
数量
备注
一
制冷系统

1
压缩机组
4AV10
台
4

2
冷凝器
LN-70
台
1

3
贮氨器
ZA-1.5
台
1

4
桶泵组合
ZWB-1.5
台
1

5
氨液分离器
AF-65
台
1

6
集油器
JY-219
台
1

7
空气分离器
KF-32
台
1

8
紧急泄氨器
JX-108
台
1

9
冷风机
KLL-250
台
8

10
冷风机
KLD-150
台
4

11
冷风机
KLD-100
台
2

12
阀门

套
86

13
电磁阀

套
6

14
管道及支架

吨
18.6

15
管道及设备保温

m3
22

16
管道保温包扎
镀锌板
吨
1.6

17
附件

套
1

二
气调系统

1
中空纤维制氮机
CA-30B
台
1

2
二氧化碳洗涤器
GA-15
台
1

3
气动电磁阀
D100
台
14

4
电脑控制系统
CNJK-406
台
1

5
信号转换器
8线
台
1

6
果心温度探头

台
7

7
库气平衡袋
5 m3
个
7

8
库气安全阀
液封式
个
7

9
小活塞空压机
0.05/7
台
1

10
PVC管

套
1

11
附件

套
1

三
水冷系统

1
冷却塔
DBNL3-100
台
2

2
水泵
SBL80-160I
台
2

3
水泵
SBL50-160I
台
2

4
阀门

套
30

5
管道及支架

吨
2.8

6
附件

套
1

四
电仪控系统

1
电器控制柜

套
1

2
照明系统

套
1

3
电线电缆

套
1

4
桥架管线

套
1

5
附件

套
1