Навигация
В статье рассмотрены вопросы применения высокопрочной стали HPS.
Marc Reno, Dan Frangopol, John Kulicki и др.
Мосты из стали. Перевод с англ. Агеев А. И.
http:/onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/millennium/00109.pdf
- Более легкий вес чем у бетонных конструкций для пролетных строений сопоставимых длин, уменьшение капитальных
затрат и, что более значительно, уменьшение эффекта инерции, вызванного сейсмической активностью;
- Уменьшенная высота конструкции для сопоставимых промежутков, таким образом, существенно уменьшается стоимость
подъездного шоссе для большого количества переходов, используемых всюду по Соединенным Штатам;
- Возможность восстанавливать элемент до полной работоспособности после ремонта вследствие аварии транспортных
средств или воздействия окружающей среды, например, воздействия химикалий для удаления льда с дороги; этот ремонт может производиться, не затрагивая
транспортный поток на конструкции или под ней;
- Стойкие к коррозии материалы, которые снижают капитальные и эксплуатационные затраты для фактически всех сред,
в которых находятся мосты, при надлежащей проработке проекта;
- Гибкость для сложных конструкций, включая горизонтально изогнутые и центрированные под углом, более длинные
пролеты, различные длины пролетов, и разветвленные конструкции;
- Растяжимость и прочность материала, чтобы обеспечить поглощение нагрузки значительно выше проектной без
катастрофических последствий.
Оба HPS70W и HPS100W классы в настоящее время изготовляются, с использованием закалки и отпуска (Q&T).
Этот процесс существенно повышает цену единицы материала и ограничивает максимальные доступные длины элементов 50 футами. Для компенсации
этого разрабатываются термически необработанные стали для класса HPS70W без понижения требований к материалу, которые позволят проектировать
еще более рентабельные мосты из стали. Кроме того, так как много элементов конструкции не требуют такой прочности, были рассмотрены классы HPS
пониженной прочности. Наименее прочная HPS50W, которая является экономичной и устойчивой под атмосферным воздействием, разрабатывается для
использования в областях, где не нужны 70- и 100-ksi уровни прочности (например, гибридные стенки балки). Использование HPS приводит к сокращениям
стоимости на 10% и более, и это - только начало.
Балка с рифленой стенкой уже нашла некоторое применение в Европе и Японии, и по крайней мере один мост, использующий
ее должен быть построен в Соединенных Штатах в ближайшем будущем. Есть, по крайней мере, два примера трубчатых ферм мостов в Европе, и этот проект
находится также под активным рассмотрением в Соединенных Штатах. Эта конструкция может использоваться с плоскими или с рифлеными сетями, и с одной
из внутренне или внешне напряженных частей, а также без них. Экспериментальное исследование сдвоенных листов стали указал, что эта конструкция имеет
потенциал значительного сокращения веса сдвоенных пластин и устраняет жесткие подкладки. Однако, необходимы подходящие основные материалы и сварочные
процессы для соединения тонких стальных листов с поясом, чтобы вывести эту конструкцию на рынок.
Комбинирование этих сталей с высокоэффективным бетоном (HPC) фундаментов, HPC или укрепленными стекловолокном
полимерными (FRP) плитами впервые обеспечит высокую эффективность мостов в целом, а не только стальных конструкций. Новые мосты объединят
преимущества каждого из этих конструкционных материалов.
Нагрузка и сопротивление как фактор проектирования (LRFD) позволяют изгибному сопротивлению двутаврового пояса пролета
с 36- и 50-ksi пределом текучести превышать момент сопротивления Мy, используя Q-формулу, с максимальным сопротивлением, равняются Мр упругому
моменту сопротивления. Недавно законченное исследование определяет, что текущие ограничения Мy стандартах LRFD Q-формулы к 70-и 100-ksi сталей могут
быть уменьшены.
Есть возможность для устранения или смягчения критических разрушений при использовании этих сталей, что может в свою
очередь увеличить долговечность отдельных частей, мостов с двумя пролетами, и других экономичных конструкций. Эти структуры часто обесцениваются на
основе требований кода, проблем избыточности и других факторов.
В дополнение к исследованиям материалов, идет полным ходом долгосрочное исследование для разработки интегральных
соединений между стальными конструкциями и конкретными фундаментами в эмуляции конкретных успешных проектов мостов. Хотя эти соединения использовались
несколько раз в прошлом, редко когда они были рассчитаны на воздействие потенциальных нагрузок от сейсмической активности и других боковых нагрузок,
типа воздействия судна, не говоря уже о сопротивлении вертикальным нагрузкам через действие фермы. Идея в том, что более экономичные проекты могут использоваться для уменьшения массы, что обычно связывалось бы со снижением или наклоном вершины опоры.
Другое направление продолжающегося исследования включает попытку лучше понять стальные конструкции, в особенности
фундаментальные принципы поведения горизонтально изогнутых двутавровых поясов конструкций. Полным ходом идет захватывающая аналитическая и
экспериментальная научно-исследовательская работа для совершенствования понимания эффекта искривления не только при проектировании и анализе
стального двутаврового пролета, но также и на реальных конструкциях этих мостов.
Вычислительный центр, который управляет изготовлением значительно изменился за прошедшие 100 лет. Все больше
автоматики используется в изготовлении спаянных стальных звеньев моста. Наиболее расширенные вычислительные центры становятся более чем базой
компьютеров, от вычерченных компьютером рабочих чертежей до автоматизированного изготовления, все от одного исходных данных и до трехмерной модели.
Последняя разработка - использование лазеров для измерения и регулирования. Вместо предварительной сборки пролетов для гарантирования надежности,
используется компьютерное моделирование основанное на фактических размерах отдельных элементов, что приносит удовлетворительный результат для все
более и более сложных форм. Ультразвуковой наклеп для повышения сопротивления усталости сварных швов, технология, импортированная из прежнего
Советского Союза, показывает улучшение подгонки, а также увеличения сопротивление усталостному разрушению неизбежного для деталей низкой
усталостной прочности относительно новых мостов.
Робототехника уже играет важную роль в изготовлении стали и продолжит развиваться.
В завершении второго тысячелетия, инженеры-мостостроители имеют в своем распоряжении инструментальные средства
для полного понимания распределение нагрузок и передачи реакций в трехмерной пространственной конструкции. Опытные инженеры могут разработать
простые или сложные трехмерные модели стальных конструкций для отображения основных путей передачи нагрузок и реакций в относительно сложных
конструкциях.
Концепции мостов из стали должны расширить структурную эффективность, уменьшая количество материала и перечень
элементов, не ставя под угрозу безопасность, эксплуатационную надежность, или конструктивность конструкции. Простота и легкость изготовления и
монтажа все еще важны для рентабельности проекта стальной конструкции.
Одна из выгод должным образом задуманного и выполняемого проекта моста - эстетика. Если конструкции имеют ясную
схему нагружения и элементы правильно распределяются, они будут и рентабельны и эстетичны.
© ДонНТУ 2008 Агеев