西班牙UHPC創(chuàng)新結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史
時(shí)間：2022-10-08 來源：砼策智庫 分享：
目前，法國、瑞士、丹麥、中國、日本和美國都是UHPC發(fā)展比較活躍的國家，這些國家致力于常見結(jié)構(gòu)的有關(guān)技術(shù)和發(fā)展趨勢研究，如單體建筑、橋面及其接縫連接、橋梁結(jié)構(gòu)及修復(fù)、陽臺、樓梯建造等等。目前，法國、瑞士、丹麥、中國、日本和美國都是UHPC發(fā)展比較活躍的國家，這些國家致力于常見結(jié)構(gòu)的有關(guān)技術(shù)和發(fā)展趨勢研究，如單體建筑、橋面及其接縫連接、橋梁結(jié)構(gòu)及修復(fù)、陽臺、樓梯建造等等。
UHPC被認(rèn)為是20世紀(jì)最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一。目前，法國、瑞士、丹麥、中國、日本和美國都是UHPC發(fā)展比較活躍的國家，這些國家致力于常見結(jié)構(gòu)的有關(guān)技術(shù)和發(fā)展趨勢研究，如單體建筑、橋面及其接縫連接、橋梁結(jié)構(gòu)及修復(fù)、陽臺、樓梯建造等等。人行橋及橋面板應(yīng)用
在西班牙，這方面工作也有不同類型的機(jī)構(gòu)在推進(jìn)實(shí)施。事實(shí)上，UHPC在西班牙的首次應(yīng)用可以追溯到2003年，馬德里雷納索非亞博物館(Reina Sofia Museum in Madrid)的復(fù)合結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中。Ductal?-AF用于澆筑一個(gè)高度為16m，直徑為32cm的結(jié)構(gòu)。遺憾的是，關(guān)于該項(xiàng)目的資料很少，它也是UHPC在國際上的一個(gè)里程碑。UHPC在西班牙的第二次應(yīng)用是在十年后，2013年，地中海城市阿利坎特(Alicante)建成了橫跨奧維賈峽谷(Oveja’s Ravine)的人行橋。這座跨度43m，寬度3m的結(jié)構(gòu)成為世界上第一個(gè)僅用UHPC建造的桁架人行橋。UHPC混合料使用當(dāng)?shù)乜捎玫牟牧?，空氣固化后平均抗壓?qiáng)度達(dá)到150mpa。由于得到瓦倫西亞是個(gè)開放的城市，該建設(shè)方案被提出后，最終項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)獲得了2013年西班牙土木工程協(xié)會ACHE的土木工程獎，以及2019年ACI建筑獎，以表彰該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師對行業(yè)的杰出貢獻(xiàn)。如今，近10年過去了，該結(jié)構(gòu)不需要任何維護(hù)，在XS1級環(huán)境的暴露下保持著完美狀態(tài)。
在這次成功的經(jīng)歷后，2014年又先后建造了兩座人行橋。一座位于在瓦倫西亞Pu?ol的V-21高速公路上，另一座是在2016年建造的Guadassuar人行橋。人行橋結(jié)構(gòu)的跨度為30-33m，與其他方案相比，實(shí)現(xiàn)了一種更工業(yè)化的預(yù)制解決方案，使其實(shí)現(xiàn)最少的維護(hù)成本。
所有這些人行橋的橋面均為35mm厚的無鋼筋UHPC面板，由混合UHPC和鉤端鋼纖維制成。自2016年以來，作為最大尺寸2×3 m的技術(shù)地板，該解決方案已用在許多不同類型的項(xiàng)目中。
2021年，西班牙第四座UHPC人行橋安裝在Sollana，跨度為15.4m。在2022年底之前，巴倫西亞附近第二座跨度35m的人行橋?qū)⑼度胧褂谩?/span>
海上牧場漂浮結(jié)構(gòu)應(yīng)用
2015年，當(dāng)?shù)豒HPC研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖部門的一個(gè)重大持久性問題：加利西亞有3337個(gè)用于收獲貽貝的水上農(nóng)場，它們的使用壽命很少超過10-15年。因此，他們決定設(shè)計(jì)一個(gè)類似UHPC梁漂浮結(jié)構(gòu)。UHPC梁結(jié)構(gòu)可以保持相同重量、結(jié)構(gòu)更能適應(yīng)波浪的沖擊，而且具有更好的耐久性。因此，UHPC制作的漂浮結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。2016年10月，團(tuán)隊(duì)在Cantabric Sea為AZTI安裝了第一個(gè)365㎡的漂浮筏原型。這成為世界上第一個(gè)UHPC漂浮結(jié)構(gòu)，也是該材料在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的首次應(yīng)用。從商業(yè)戰(zhàn)略的角度考慮，向市場推出這類產(chǎn)品的想法貌似很瘋狂，因?yàn)閁HPC漂浮農(nóng)場有四個(gè)明顯的障礙:- 漁民固有觀念障礙：他們不相信混凝土，因?yàn)樗麄冊诟劭谥锌吹搅嗽S多腐蝕的情況；
- 運(yùn)輸障礙：UHPC產(chǎn)品生產(chǎn)工廠距離加利西亞1000km，那里又是漂浮筏傳統(tǒng)原材料（桉樹木材）盛產(chǎn)的地方，這就意味著使用新方案將面臨雙重困難；
- 價(jià)格障礙：UHPC解決方案比傳統(tǒng)解決方案貴25%；
- 知識障礙：UHPC研發(fā)機(jī)構(gòu)在先進(jìn)材料方面是專家，但在海產(chǎn)品養(yǎng)殖方面不是。
盡管有以上眾多障礙，但有一個(gè)關(guān)鍵的事實(shí)給了研發(fā)機(jī)構(gòu)和從業(yè)者進(jìn)入市場的機(jī)會：客戶是漂浮筏的維護(hù)者，他們清楚地知道每年要花多少錢來保護(hù)和修理木結(jié)構(gòu)。因此，UHPC漂浮結(jié)構(gòu)降低維護(hù)成本的優(yōu)勢就凸顯出來，使其進(jìn)入市場變的更加順理成章。目前有超過20000㎡的UHPC漂浮筏結(jié)構(gòu)應(yīng)用在加利西亞、瓦倫西亞、亞得里亞海、北海和波羅的海。
下圖是第一艘UHPC筏安裝5年后(2016-2021年)的檢查情況。盡管處于XS3的環(huán)境級別，承受了高達(dá)1.2m的海浪，但該結(jié)構(gòu)狀況依然良好，沒有腐蝕跡象。UHPC漂浮筏可以承受高達(dá)3.7m的海浪，以加利西亞的Baiona河口的漂浮筏為例，目前還處于完美狀態(tài)。
公路橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用
2018年，西班牙第一個(gè)UHPC公路橋完工，該項(xiàng)目主要完成了一座跨度為7m的公路橋面安裝（該橋2007年被Vernissa河的水流沖壞）。該方案由三個(gè)雙向UHPC預(yù)制構(gòu)件組成(厚40cm)，以實(shí)現(xiàn)能夠抵御未來高流量的洪水，并提高耐久性。
2019年，Alcira的一座橋（距離前一座橋50公里）遭受了一輛卡車的撞擊，破壞了其最初的兩根雙T梁。承包商為其設(shè)計(jì)新了UHPC梁，如果未來再有新的碰撞，梁將不會受損。新的UHPC雙T梁是預(yù)應(yīng)力的，并在工廠預(yù)制生產(chǎn)，尺寸與未損壞的普通混凝土梁一樣。
建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)應(yīng)用2020年，在新冠毒病(COVID-2019)引起的全球封鎖之后，UHPC材料為多種應(yīng)用場景提供了可能性。2021年，西班牙一家公司使用UHPC修復(fù)了一座四層的歷史建筑。該建筑建于1900年，要求增加最大設(shè)計(jì)負(fù)荷，并必須符合最低樓層高度的要求。由于高度問題，不允許安裝典型的混凝土或鋼地板。此外，考慮到這座文化遺產(chǎn)建筑的特殊保護(hù)要求，一些木地板需要作為新地板進(jìn)行整合。
由于這些原因，該建筑采用UHPC材料進(jìn)行修復(fù)。該解決方案使每平方米地板的重量最小化，避免了這座歷史建筑超載。UHPC在24小時(shí)后能提供40%的性能，因此它促進(jìn)了工程的進(jìn)展和模板的早期拆除。
功能性構(gòu)件（泳池）開發(fā)應(yīng)用
2021年，西班牙一家預(yù)制住宅公司Casas InHaus設(shè)計(jì)了一個(gè)長12mi的懸臂結(jié)構(gòu)游泳池，增加懸臂的長度是最具有挑戰(zhàn)性的。與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，UHPC的使用減少了70%的重量，因此構(gòu)件的厚度減少了，并具有更大的建筑價(jià)值。這個(gè)案例說明UHPC結(jié)構(gòu)的輕量化不僅可以降低成本，還可以通過美學(xué)藝術(shù)效果來提供額外的價(jià)值，從而使客戶選擇了其他材料無法實(shí)現(xiàn)的解決方案。
太陽能漂浮結(jié)構(gòu)應(yīng)用
在2022年，UHPC組件應(yīng)用于漂浮太陽能工廠，這是世界上首次使用UHPC材料來解決海上光伏項(xiàng)目遇到的問題。該設(shè)計(jì)申請了專利，它可以保護(hù)UHPC浮橋平臺免受海浪的沖擊，同時(shí)用作加強(qiáng)筋，將系泊次數(shù)減少到最低，以實(shí)現(xiàn)降低成本的目標(biāo)。該解決方案目前在市場上已經(jīng)得到應(yīng)用。該設(shè)計(jì)應(yīng)用在歐盟最大的人工湖，而這個(gè)裝置是歐盟大壩中最大的漂浮太陽能發(fā)電廠。使用UHPC比其他材料更具競爭力，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用中耐久性和輕便性都提供了競爭優(yōu)勢。由于潮濕的環(huán)境和海浪造成的磨損，耐久性很重要。
解決方案的輕盈度體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
浮筒的平均密度小于1，如果浮橋板較薄，重量較低，所以可以通過降低浮橋板的厚度，將密度保持在1以下，從而減少更多重量和降低成本。這使得UHPC浮橋與傳統(tǒng)混凝土解決方案相比有明顯的競爭力。
輕量化構(gòu)件需要減少吃水深度才能漂浮，因此水動力也減小，這樣可以節(jié)約系泊點(diǎn)和連接成本。
運(yùn)輸和操作成本可以顯著降低，此案例與傳統(tǒng)的解決方案相比，運(yùn)輸成本減半。
漂浮變電站結(jié)構(gòu)應(yīng)用耐久性、輕便性、防火強(qiáng)度和彈性是Alqueva工廠浮動變電站的主要優(yōu)勢，該變電站是上文“太陽能漂浮結(jié)構(gòu)”的附屬配套方案，使其成為世界上第一個(gè)使用UHPC完成的變電站。變電站的尺寸為12.3mx 6.5m，厚度為1.29m，中心設(shè)計(jì)了一個(gè)22噸的集裝箱。
下表為以上UHPC應(yīng)用發(fā)展的英文表格，這些是迄今為止UHPC在西班牙應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的案例，也顯示了這些里程碑所在的地方。標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制產(chǎn)品主要用于收獲貽貝的海上浮動農(nóng)場，安裝了近40個(gè)結(jié)構(gòu)(約1000m3的UHPC)，近80%在加利西亞地區(qū)。
這些成功的應(yīng)用證明了西班牙的工程師們及用戶對UHPC可能性的理解越來越深入。
創(chuàng)新成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是擺脫對傳統(tǒng)理念的束縛
未來幾年新應(yīng)用的發(fā)展前景應(yīng)該會更好，希望這篇文章能鼓勵(lì)工程師們在他們的設(shè)計(jì)中可以考慮使用UHPC
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