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英文文献翻译

钢-混凝土组合结构在海洋工程中的应用。

抽象:海洋工程和建设是实施中国海上力量战略的有前途的基础。与陆地工程相比，海洋工程需要更复杂，更苛刻的施工环境和条件,这给结构工程带来了新的挑战。钢混混凝土结构成功地结合了钢和混凝土各自的优点，在海洋工程中具有广阔的应用前景，具有显着的性能优势和综合经济效益。本文总结了清华大学复合结构研究团队在海洋工程中三种类型的复合结构的开发和应用方面的研究工作:跨海桥梁，海底沉管隧道和浮动海上平台。提出了四个新的结构系统，包括具有抗裂技术的大跨度连续梁桥，适用于跨海多塔斜拉桥的双钢板混凝土复合桥塔，隔室钢结构适用于海底沉管隧道的混凝土-钢复合结构，以及钢-混凝土复合超大型浮式结构(VLFS) 。深入研究了新结构的关键荷载传递机理，力学性能和设计方法,并

将其应用于大连湾大桥，南京五长江大桥，深圳等大型工程项目的设计中。-中山线和海上VLFS。

关键词:海洋工程;钢-混凝土复合结构; 跨海桥梁; 海底沉管隧道; 浮动海 上平台; URSP连接器; 双钢板 -混凝土组合桥塔;隔室钢-混凝土 钢复合结构;钢-混凝土复合超大型浮式结构;

中国的海岸线在其东部和南部边界延伸超过18,000公里，拥有广阔的水域，包括边界海和内陆海在内总计约470万平方公里，其中有7600多个大小岛屿。因此，海洋在中国的经济发展，资源和能源，生态环境以及国家安全方面具有巨大的战略意义。中国共产党第十八次全国代表大会的报告首次提出了完整的海上力量战略，呼吁提高资源开发能力，发展海洋经济,保护生态环境，坚决维护国家海洋权益，并建立海上力量。海上力量的建设已成为中国长期发展必须维护和维持的基本国策。为了实现海上力量的愿景，必须建立和发展具有重要基础和支持的海洋基础设施。

海洋工程面临海洋环境的各种特殊要求，因此其设计和建造通常比陆上工程更加困难: 1) 在耐久性方面，海洋环境具有高湿度和高盐度。由于高度潮湿和咸的海风，盐雾和海水飞溅，使海上结构遭受侵蚀，从而对钢筋混凝土结构和钢结构造成严重的耐久性挑战。2)在载荷方面，海洋工程必须承受海水压力和波浪冲击，具有复杂的载荷结构机理，难以预测载荷的影响。3)在建设方面，与陆上建设相比,近海建设业务存在更大的不确定性，更高的风险和更多的困难,

近年来，钢混凝土复合结构在中国陆上工程建设中得到越来越广泛的应用，已成为继钢筋混凝土结构和钢结构之后的重要结构形式。它充分利用了钢材和混凝土的材料优势，同时避免了它们的缺点，从而提出了一-种优化组合,并实现了1 1gt;2的效果。与传统的混凝土结构相比，该复合结构尺寸更小，重量更轻,施工更方便,机械性能更好，并且能够减轻混凝土开裂和钢筋腐蚀的问题。与钢结构相比，复合结构具有更高的刚度，更少的钢用量，更易于施工，疲劳性能更好，并改善了抗裂性能。如图1所示，清华大学的复合结构研究小组在大跨度复合楼板，复合转移梁，叠层板复合桥，波纹钢腹板复合桥，复合板，钢混凝土方面取得了多项研究成果。复合剪力墙，复合接缝和复合加固[[ 1 ]--[ 2 ]]。鉴于钢混混凝土结构在土地工程中的成功应用以及相关的显着经济效益，可以预见海洋工程中的广阔应用前景。

本文以跨海大桥，海底沉管隧道和海上浮动平台三个典型的重大海洋工程项目为例，来说明研究团队近来在新型海洋工程复合结构的开发和工程应用中所取得的成就。年，并为海洋工程建设提供新的参考。具体来说，它们包括采用抗裂技术的大跨度连续复合梁桥，适用于跨海多斜拉桥的双钢-板混凝土复合桥塔，以及隔室的钢-混凝土-钢复合桥适用于海底沉管隧道的结构以及海上钢-混凝土超大型浮动结构(VLFS) 。最后展望了复合结构在海洋工程中的应用,

1钢混混凝土跨海大桥

桥梁是海洋工程中最重要的结构形式之一。近年来,随着香港,珠海,澳门大桥等大型跨海大桥的建成[[ 3 ]]和大连湾跨海大桥等项目的规划，跨海大桥在世界范围内，特别是在中国发展迅猛。在海洋等湿度高，氯离子含量高的环境中，混凝土开裂后的钢材腐蚀是一个严重的问题，极大地影响了桥梁结构的耐久性[[ 4 ]]。 因此，防裂是跨海桥梁设计和研究中的主要问题。钢-混凝土复合结构桥梁可以减轻结构重量和钢消耗，跨度大，并且可以快速方便地进行施工。该复合结构已被广泛用于陆上桥梁，在跨海桥梁，特别是标准非通航桥梁中具有良好的应用前景。然而，在连续梁的弯矩区域中的混凝土开裂仍然是很大的风险。目前，避免复合结构中混凝土开裂的方法主要包括添加钢筋法[[ 5 ]]，预应力技术[[ 6 ]]，群钉技术[7]],优化的施工工艺方法等。添加普通钢筋以限制混凝土开裂的方法会由于钢筋过密而影响混凝土的浇筑质量,并且高的配筋率将不利于长期控制裂缝收缩和蠕变等影响。另- -方面， 由于螺栓的存在，预应力的程度大大降低，因此预应力技术的效果不令人满意。尽管群钉技术可以显着改善预应力程度，但结构复杂且结构完整性不足。长期作用引|起的混凝土板拉应力仍不能有效缓解。海洋工程对桥梁的跨越能力有严格的要求，多塔斜拉桥已经成为竞争激烈的桥梁类型[[ 8 ]]。由于没有末端锚来限制顶部位移[8]，因此多塔斜拉桥对塔的刚度有更严格的要求。具有高刚性和良好经济效益的钢混凝土复合结构是理想的选择。但是，全世界很少有这样的例子。1992年，圣地亚哥卡拉特拉瓦( Santiago Calatrava)设计了景观桥，阿拉米洛桥[[ 9 ]主跨度为200 m,塔高134.25 m。外部钢板代替了桥塔中的大量钢筋，从而在满足设计刚度要求的同时降低了施工难度。诺曼底大桥的部分塔楼使用了钢筋混凝土结构[ 10 ]但是，钢和混凝土的强度并未在结构中得到充分利用。为了满足上述要求，我们的研究团队提出了一种新颖的限制升滑的允许滑移(URSP) 技术，并结合了传统的支撑举升，预应力和施工工艺优化，从而形成了一种针对桥臂弯矩区域的综合抗裂技术。连续组合梁桥，已应用于大连湾大桥的结构设计。同时，开发了一种新型的双钢板混凝土组合桥塔，该桥塔已被应用到大跨度多塔斜拉桥南京第五长江大桥。

1.1连续组合梁弯矩区的全面抗裂技术

大连湾跨海交通项目横跨黄海大连湾，将大连的核心地区与锦州新区连接起来。它由海洋中的主要项目以及南部和北部的连接项目组成。这条路线的总长度约为24. 267公里，其中包括一个长9.850公里的海上桥梁。对于大跨度桥梁，静载比率

要比活载比率大得多。首先采用整体提升技术来提供简单的支撑，以承受由自重产生的弯矩，该弯矩占载荷的很大一部分 ，然后将简单支撑的梁转移到仅承受第二个梁的连续梁系统中。阶段的摊铺和活荷载，可以充分利用材料特性[[ 11 ]]。大连湾的平均水深超过10 m,满足了大吨位浮动作业的条件。该施工方法已成功应用于港珠澳大桥，并已积累了经验。但是,使用该单一抗裂措施的效果是有限的。对于6x80 m跨海不可通行的复合材料桥梁，计算出的混凝土板最大拉应力仍可达到10.1MPa。

如图2所示，URSP技术[[ 12 ]保留了传统连接器的升力限制作用，并消除了其滑移限制作用，从而在不分离钢混凝土界面的情况下减轻了混凝土板的拉应力，从而降低了混凝土板开裂的风险。以大连湾6x80 m跨海不可通航复合桥为例，基于整体吊装技术，比较了URSP技术与支吊，内部预应力和外部预应力的抗裂效果。。 结果如表1所示。可以看出，采用URSP连接器，支持起重,

已经对URSP连接器的机械性能进行了-系列研究，包括滑动性能测试[[ 13 ]]，拉出性能测试[[ 14 ]]和光束测试[[ 15 ]如图3所示。滑移性能测试结果表明，URSP连接器的剪切应力_滑移曲线具有明显的夹紧效应，并且可以忽略纵向滑移刚度。拔出性能测试的结果表明，在URSP连接器的拔出下，可能会发生混凝土板的穿孔失败或钢网的屈服失败。提出的设计公式可以保证预期的抗拔出性。在弯矩区域内使用URSP连接器进行连续复合梁测试的结果表明，该连接器可以释放剪切相互作用并提高在弯矩区域内复合梁的抗裂性。在实验的基础上，进一步提出了URSP连接器的滞后剪切应力-滑动曲线模型,

1.2新型双钢板-混凝土组合桥塔

南京长江五号大桥是205国道和312国道的过河通道，全长10.3公里， 其大小和工程难度可与跨海大桥媲美。跨度为(70 200 2x600 200 70) m的三塔斜拉复合桥跨过长江左岸。桥塔采用新颖的双钢板-混凝土组合桥塔系统，如图4所示。内壁和外壁由厚度为6毫米和14/20毫米的钢板制成，混凝土之间填充混凝土他们。塔的内部和外部钢板均通过纵向和横向加劲肋(间距为400 mm)加强。新型桥塔的界面连接和整体机械性能已进行了如下研究。根据复合桥塔界面的力传递要求，设计并测试了薄肋全粘结连接器(图4c) ，加载装置如图5a所示。根据孔在板.上的位置，Perfobond连接器显示两种故障模式:-种在孔下方， 另一种在孔侧面，如图5b和c所示。对于在钢板底部失效的性能连接器，当钢筋位于孔的下部时，承载能力得到提高;当钢筋位于孔的上部时，承载能力降低。对于在孔侧面失效的perfobond连接器，钢筋的位置仅影响刚度。塔的整体截面研究主要研究复合材料桥塔在压缩和拉伸下钢与混凝土的相容性能。如图6a所示，设计了三个四点弯曲梁测试。其中两个(TL1, TL2)是复合试样，其顶部和底部钢板的厚度分别为14 mm和20 mm。为了进行比较，设计了与TL1(使用14 mm厚钢板)具有相同钢比(体积钢用量)的RC试样TL3。 试验结果表明，复合材料试件中的钢筋混凝土具有良好的相容性。钢板不会因屈服前的屈曲和滑动而降低其承载能力。故障模式如图5b所示。通过对图5c的比较分析,

综上所述，基于复合结构原理，大跨度连续复合桥的新型抗裂技术有效地解决了弯矩区的开裂问题。与现有的抗裂方法(如混凝土结构中的预应力)相比，复合抗裂技术在结构以及运行和维护成本方面显示出更好的性能。这项新技术将大大提高结构的耐用性。它已在大连湾大桥的结构设计中得到了应用，为钢混凝土复合跨海桥梁的推广和应用提供了有效的技术支持。另一方面，新型的双钢板混凝土复合桥塔可以实现钢筋混凝土与薄肋Perfobond连接器的兼容工作，并且比RC和钢桥塔具有更高的承载能力，刚度和延性。同时，钢板还可以用作混凝土的模板，以提高施工效率。混凝土有助于解决钢板局部屈曲的问题。南京长江五号大桥采用了双钢_板混凝土组合桥塔。刚度和承载力方面的良好性能有助于将来进一-步推广 这种新型塔，并将其应用于跨海多塔斜拉桥。钢板还可以用作混凝土的模板，以提高施工效率。混凝土有助于解决钢板局部屈曲的问题。南京长江五号大桥采用了双钢-板-混凝:土组合桥塔。刚度和承载力方面的良好性能有助于将来进一步推广这种新型塔，并将其应用于跨海多塔斜拉桥。钢板还可以用作混凝土的模板，以提高施工效率。混凝土有助于解决钢板局部屈曲的问题。南京长江五号大桥采用了双钢-板-混凝土组合桥塔。刚度和承载力方面的良好性能有助于将来进一步推广 这种新型塔，并将其应用于跨海多塔斜拉桥。

2钢-混凝土复合海底沉官隧道

在跨海隧道结构工程领域，使用薄钢板作为防水和模板的钢筋混凝土结构和钢壳混凝土结构一直是两种主要的结构形式。在1980年代,随着复合结构的发展以及其在实践中的应用和经验,钢-混凝土_钢(SCS) 复合结构开始在跨海隧道中使用。钢~混凝土-钢复合隧道通过沉管法施工。将沉浸的隧道段预制在干船坞或大型驳船中，然后漂浮到施工现场,掩埋在设计位置，并通过连接措施进行固定，以最终完成海底隧道。与其他隧道施工方法相比，该沉管法结构形状限制小，地形适应性强，预制能力强，防水性能好，施工方便。如果钢-混凝土_钢复合隧道的钢结构部分在设计.上具有足够的平面外刚度，以抵抗施工过程中混凝土浇筑和运输引起的平面外变形，则可以进行混凝土浇筑在建筑工地的水上作业，大大节省了工地和运输的成本。

使用复合结构的跨海隧道的最早建议是在1986年，当时汤姆林森(英国)提出了-种重叠的钢-混凝土-钢复合沉管隧道，以穿越威尔士的康威河(图7a) [[ 16 ]]。基于相关研究,英国钢结构学会制定了钢~混凝土钢复合结构的设计规范[[ 17]]。扩展混凝土设计规范背后的基本理论是用钢筋代替钢结构部件，并将剪切连接器等同于箍筋。为了解决在沉管隧道中建造重叠式钢混凝土钢复合结构的困难并简化长螺栓的焊接工作,英国Corus公司提出了- -种双钢-钢混凝土复合材料1988年的结构如图7b所示[[ 18 ]，它使用短钢筋作为剪切连接器，可以通过旋转摩擦焊接同时将其焊接到两个钢板的内部。由于其良好的机械性能和施工方便性，Bi-Steel复 合结构已在国内外应用中，例如高层建筑剪力墙，核安全壳和防爆工程[[ 19 ]]。提出了相关的设计方法并发布了相应的规格[[ 20 ]]。 但是，对于海底隧道，双钢结构的尺寸较小，因此不能满足大型隧道的要求。

钢-混凝土复合结构在跨海隧道中的应用实际上起源于日本。1988年， 日本提出了一种钢-混凝土-钢复合讥官结构，该结构由内外钢板，隔板，加强筋和内部混凝土组成[[ 21 ]如图7c所示。在施工过程中，腹板连接内钢板和外钢板,并与加劲肋一起增加钢板的平面外刚度。在操作过程中，双向腹板分担了结构上的应力，加劲肋用作连接器，以确保结构组成并增强结构的局部稳定性。建造连接神户港岛和市区的隧道[[ 22 ]]，学者们进行了一系列测试以比较不同的连接器和Web表单。在1992年，日本土木工程师学会发布了“关于钢混凝土夹心结构的设计准则”[[ 23 ]]。由于缺乏测试数据，因此设计规范遵循混凝土结构的理论，相对保守。这种钢-混凝土钢复合沉管隧道结构在日本已被广泛使用，并且相继建造了神户港岛隧道(1999)，那霸隧道(2011) 和若中隧道(20

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