Стальные гофрированные полотна в мостовых балках - Строительство и ремонт

3. Структурное поведение гофрированных балок

Поведение гофрированных балок при изгибе
Поведение гофрированных балок при сдвиге

4. Режимы разрушения балок с гофрированным полотном

Поведение при сдвиге
Поведение при кручении

5. Преимущества гофрированных балок

6. Заключение
7.Ссылки

1. Стальные гофрированные перегородки – Введение

Высокопроизводительные стали, которые становятся все более доступными, хорошо подходят для применения в мостах автомобильных дорог благодаря своей высокой прочности, отличной вязкости, а также хорошей свариваемости и коррозионной стойкости.
Эти стали способны обеспечить значительную экономию веса, хотя препятствия для их эффективного использования в обычных жестких плитных балках с плоским полотном включают потенциальную нестабильность полотна, чрезмерные прогибы и усталостные разрушения.
Для преодоления этих ограничений были предложены инновационные конструкции, в том числе использование гофрированных полотен для обеспечения повышенной устойчивости к сдвигу и устранения необходимости в поперечных ребрах жесткости.
Гофрированный стальной лист является широко используемым конструктивным элементом во многих областях применения благодаря своим благоприятным свойствам и применяется с 1920-х годов. Сначала он использовался в авиационных конструкциях с очень тонкими панелями, затем был распространен в гражданском строительстве в зданиях и мостах.
В последние 20 лет он все чаще используется в полотнах стальных и композитных мостов. Мост Коньяк, построенный во Франции, является первым в мире мостом с гофрированным стальным полотном, строительство которого было завершено в 1986 году. Это трехпролетный мост с непрерывной коробчатой балкой общей длиной 105 м и максимальным пролетом 43 м.

Рис.1.1 Мост Коньяк, Франция

Использование гофрированного полотна рассматривалось в течение длительного времени для увеличения прочности на смятие и жесткости вне плоскости, исключая использование вертикальных ребер жесткости. Однако было установлено, что балки с гофрированными полотнами экономичны в использовании и могут улучшить эстетику конструкции.
Как показано на рис. 1.2, мост с гофрированным полотном, в котором полотна обычных предварительно напряженных бетонных мостов были заменены гофрированными стальными полотнами.
Многочисленные исследования последних лет доказали, что распределение напряжений в балках с гофрированным полотном отличается от обычного распределения напряжений в традиционных двутавровых балках с плоским полотном при плоскостном изгибе и сдвиге. Различные характеристики распределения напряжений в пластинах фланца и полотна оказывают влияние на сопротивление изгибу и сдвигу, что можно учитывать при проектировании.

Рис.1.2. Схема гофрированного стального полотна предварительно напряженной железобетонной коробчатой балки

2. Конструктивная система балки с гофрированным полотном

Конструктивная система балки с гофрированным полотном состоит из тонкостенного гофрированного полотна и фланца. В случае мостов с пластинчатыми балками с плоскими полотнами, они обладают максимальной несущей способностью по моменту, чем любые прокатные профили.
Для восприятия моментов секции должны быть тонкими, а тонкие секции подвержены смятию полотна. Таким образом, полотно теряет свою прочность на изгиб. Следовательно, чтобы избежать этого смятия и получить максимальную прочность, основное внимание было уделено гофрам на полотне.
Цель использования гофрированного полотна заключается в том, что оно позволяет использовать тонкие пластины без жестких элементов, что снижает стоимость изготовления и повышает усталостную прочность. . По оценкам, такие балки с гофрированными полотнами могут быть на 9-13% легче обычных жестких балок с плоскими полотнами.

Типы гофров

Существует множество типов гофров: прямоугольные, трапециевидные и синусоидальные. Трапециевидные и синусоидальные получили больше внимания. Типичный профиль гофрированного полотна показан на рис. 2.1.

Рис.2.1 Профиль балки с гофрированным полотном

Назначение гофров

Для того чтобы поперечное сечение эффективно сопротивлялось изгибу в плоскости, необходимо, чтобы максимум материала располагался как можно дальше от нейтральной оси. По мере увеличения глубины сечения увеличивается глубина полотна, и оно становится более тонким, может произойти преждевременное разрушение балки из-за смятия полотна при сдвиге.
Следовательно, чтобы уменьшить коэффициент крутизны, создаваемый большой глубиной и малой толщиной полотна, вместо использования ребер жесткости, гофрированное полотно является возможным способом придания устойчивости к упругому смятию полотна. Профиль выполнен таким образом, что позволяет избежать разрушения балки из-за потери устойчивости до достижения предельной нагрузки на полотно в результате выгибания полотна.

3. Структурное поведение гофрированного полотна

Поведение при изгибе гофрированного полотна

Прочность на изгиб балки с гофрированным полотном обеспечивается фланцами, практически без вклада полотна и без взаимодействия между изгибом и сдвигом.
Гофрированное стальное полотно обеспечивает только сдвиговую способность балок, где прочность на сдвиг контролируется смятием и/или текучестью стали в полотне. Фланцы обеспечивают граничные опоры для полотна.
Таким образом, гофрированный стальной лист не сопротивляется осевым силам и изгибающему моменту, но обладает высокой устойчивостью к сдвиговому смятию, как показано на рис. 3.1. Этот эффект можно определить как эффект гармошки.
В случае предварительно напряженных железобетонных мостовых балок эффект гармошки позволяет обеспечить эффективное предварительное напряжение верхнего и нижнего настилов балки. Таким образом, потери предварительного напряжения значительно снижаются по сравнению с обычными мостами с коробчатыми балками.

Рис.3.1. Свойства гофрированных стальных листов

Распределение осевой силы и изгибающего момента в поперечном сечении коробчатой балки показано на рис. 4.2. Здесь фланцы коробчатой балки изготовлены из бетона, а бетонные полотна заменены гофрированными стальными полотнами. На рисунке показано, что вклад гофрированных ребер в осевую силу и изгибающий момент на балке пренебрежимо мал.

Рис.3.2. Эффективное сечение для осевых сил и изгибающих моментов

Поведение при сдвиге гофрированных перегородок

На основании экспериментов и анализа, проведенных на сегодняшний день, было подтверждено, что приложенная сдвигающая сила полностью сопротивляется гофрированным стальным полотнам. Прочность гофрированного полотна на сдвиг является основной функцией высоты полотна, толщины, геометрии гофров, а также важную роль играют дефекты полотна.
Как упоминалось ранее, гофры обеспечивают устойчивость полотна, устраняя необходимость в поперечных ребрах жесткости, которые оказывают основное влияние на прочность на сдвиг обычных жестких балок с плоским полотном.

Рис.3.3. Свойства гофрированных стальных пластинчатых балок

Гофрированные полотна не несут значительных продольных напряжений от первичного изгиба балок. Следовательно, прочность на сдвиг может быть определена без учета взаимодействия момента сдвига. Следовательно, при проектировании предполагается, что все сдвигающие усилия воспринимаются гофрированными полотнами. Распределение поперечных сил показано на рис.3.4.

Рис.3.4. Эффективное сечение для сдвигающих сил

4. Режимы разрушения гофрированной балки

Поведение при сдвиговом смятии

Сдвигающая сила, приложенная к балке с гофрированными стальными полотнами, сопротивляется в основном полотнам, и напряжения в гофрированных полотнах являются почти чистыми напряжениями сдвига, проблема неустойчивости мостов этого типа часто сводится к сдвиговому смятию гофрированных полотнищ.
Устойчивость гофрированного стального полотна может быть обеспечена путем соответствующего проектирования формы и длины гофров. Обычно минимальная толщина полотна определяется с учетом гофров и необходимого допустимого напряжения сдвига.
Существует три типа режимов смятия: местное смятие, глобальное смятие и интерактивное смятие.

Местное смятие

Режим местного смятия соответствует нестабильности стальной полосы, просто закрепленной между двумя складками при равномерном сдвиге. Он является критическим только для глубоких складок. При местном смятии гофрированное полотно действует как ряд плоских панелей, которые взаимно поддерживают друг друга по вертикальным кромкам и опираются на фланцы по горизонтальным кромкам.

Рис.4.1. Местный изгиб в гофрированном полотне

Глобальное смятие

Режим глобального смятия гофрированного полотна – это режим, при котором сминается все гофрированное стальное полотно. Этот режим является критическим для полотен с неглубокими складками.

Рис.4.2. Глобальное смятие в гофрированных полотнах

Режимы глобального смятия включают в себя несколько складок, а форма смятия распространяется по диагонали по всей глубине полотна.

Интерактивное смятие

Интерактивный режим смятия возникает в результате взаимодействия между локальным и глобальным режимами смятия, и это самый сложный режим смятия для прогнозирования. Предыдущие исследования показали, что разрушение гофрированного полотна при смятии в основном определяется интерактивным смятием при сдвиге.

Поведение при кручении

По сравнению с обычными коробчатыми балками из ПК, жесткость гофрированных стальных полотнищ в плане относительно мала, и поэтому поперечные сечения с гофрированными стальными полотнищами легко деформируются.
Когда поперечные сечения деформируются, это уменьшает напряжения крутильного деформирования. Поэтому, когда мосты с коробчатыми балками PC с гофрированными стальными полотнами принимаются для криволинейных или косоугольных мостов, необходимо предусмотреть диафрагмы через соответствующие интервалы для контроля любого искажения поперечного сечения.

5. Преимущества гофрированного полотна

Внедрение гофрированного полотна в мостовые балки дало много преимуществ. Его преимущества привели к его производству и использованию в Швеции, Франции, Германии и Японии. Его широкие свойства расширили его применение в строительстве балок. Перечислены преимущества гофрированных полотен в мостовых балках.

По сравнению с бетонным полотном, более легкое гофрированное стальное полотно приводит к снижению сейсмических сил и уменьшению размеров подконструкций, тем самым снижая стоимость строительства моста.
По сравнению с плоским стальным полотном, гофрированное стальное полотно имеет более высокую внеплоскостную жесткость и сопротивление смятию при сдвиге даже без дополнительных ребер жесткости, что значительно снижает материальные и трудовые затраты на изготовление надстроек.
Мост с гофрированными полотнами на 20% легче моста с бетонными полотнами. Для создания эффекта гармошки требуется на 20% меньше прядей ПК, чем для моста с бетонными полотнами. Поэтому мост с гофрированными полотнами дешевле моста с бетонными полотнами при длине пролета более 50 м.
Балка с гофрированным полотном может быть соединена со стальной коробчатой балкой. Таким образом, получается длиннопролетный гибридный мост, состоящий из балки с гофрированным полотном и стальной коробчатой балки.
Мост с гофрированными полотнами выбрасывает в атмосферу на 20% меньше углекислого газа, чем стальной и бетонный мосты. Следовательно, мост с гофрированными полотнами является экологически чистым.
Материалы используются более эффективно, так как бетон должен выдерживать в основном изгибающий момент, а сталь – сдвиг.
Мосты с коробчатыми балками с гофрированными стальными полотнами экономичны и конкурентоспособны при пролетах более 100 м.
Это обеспечивает потрясающую эстетику.

6. Заключение

Гофрированные стальные балки, которые используют преимущества стали и бетона, оказались одним из перспективных решений, позволяющих уменьшить собственный вес главных балок, что дает возможность использовать более длинные пролеты и снизить стоимость строительства. Несмотря на то, что балки с гофрированным полотном все еще являются новинкой, и в мире построено менее 10 мостов, предоставляемые преимущества могут принести значительные экономические выгоды для будущих проектов.

7.Ссылки

[1]Rui Juan Jiang, Francis Tat Kwong Au и Yu Feng Xiao, “Prestressed Concrete Girder Bridges with Corrugated Steel Webs: Review”, Journal of Structural Engineering, July 7, 2014.
[2] Седки Абдулла Тохами, Усама Мохамед Абу Эль Эла, Амр Бакр Саддек, Ахмед
Ибрагим Мохамед, “Эффективность пластинчатой балки с гофрированным полотном
против пластинчатой балки с плоским полотном”, Minia Journal of Engineering and Technology, January 2013, Volume.32.No.1.
[3]B.Kovesdi, L.Dunai, “Усталостная прочность балок с трапецеидально гофрированным полотном: экспериментальное исследование”, Международный журнал усталости, 3 марта 2014, стр. 22-32.
[4]M.F.Hassanein, O.F.Kharoob, “Поведение мостовых балок с гофрированным полотном: (II) прочность на сдвиг и конструкция”, Engineering Structures, June 17, 2013, Page 544-553.

Читайте далее: