Влияние напрыска стали на структурное поведение при динамической загрузке

Введение в стрессовую сталь и динамическую погрузку

Престрессовая сталь является краеугольным камнем современной структурной инженерии, позволяя строить более длинные пролеты, более высокие здания и более устойчивую инфраструктуру. Вводя контролируемые сжимающие напряжения в бетонные элементы, предварительно напрягаясь противодействует растягивающим силам, которые развиваются в условиях эксплуатации. Эта способность становится особенно важной, когда конструкции подвергаются динамической нагрузке - силам, которые быстро меняются с течением времени, таким как землетрясения, порывы ветра, вибрации движения и колебания машин. Понимание того, как предварительный стресс сталь влияет на структурное поведение в этих условиях, имеет важное значение для инженеров, которым поручено проектировать безопасные, долговечные и эффективные структуры.

Использование высокопрочных стальных сухожилий или стержней для предварительного удара по бетону было преобразующим достижением с момента его развития в начале 20-го века. Сегодня предварительно напряженный бетон является материалом выбора для многих критических инфраструктурных проектов, включая мосты с длинным пролетом, высотные здания, стадионы и морские платформы. Экономические и эксплуатационные преимущества обусловлены способностью контролировать растрескивание, уменьшать отклонения и оптимизировать использование материала. При динамической нагрузке эти преимущества становятся еще более выраженными, поскольку предварительный удар по стали непосредственно влияет на жесткость, демпфирование, контроль трещин и усталостную стойкость - все из которых регулируют структурную реакцию на переходные силы.

В данной статье подробно рассматривается, как престрессовая сталь влияет на поведение конструкций при динамической нагрузке. В ней рассматриваются фундаментальные принципы престрессинга, характер динамических нагрузок, механическая реакция предварительно напряжённых элементов, соображения проектирования и передовые применения. Цель состоит в том, чтобы вооружить практикующих инженеров и исследователей всеобъемлющим пониманием взаимодействия между престрессовой сталью и динамическим структурным поведением, поддерживаемым соответствующими тематическими исследованиями и текущими руководящими принципами проектирования.

Принципы предварительного нажатия на сталь

Как работает стресс

Престрессовая сталь используется для создания состояния предварительного сжатия в бетонных элементах. Это достигается натяжением высокопрочных стальных сухожилий или стержней к бетону либо до отливки бетона (преднатяжение), либо после затвердевания бетона (после натяжения). Сжимающее напряжение, индуцируемое в бетоне, компенсирует растягивающие напряжения, которые развиваются, когда элемент подвергается рабочим нагрузкам. Поскольку бетон прочен при сжатии, но слаб при натяжении, это предварительное сжатие эффективно устраняет или контролирует растяжение в нормальных условиях эксплуатации.

При предварительном натяжении сухожилия напрягаются между неподвижными абуциями перед размещением бетона. Как только бетон приобретает достаточную прочность, сухожилия высвобождаются, перенося силу престресса на бетон через связь. При постнатяжении протоки отливаются в бетон, а сухожилия натягиваются после затвердевания бетона. Сила переносится на бетон через крепления на концах элемента, и протоки обычно затираются для защиты сухожилий от коррозии и обеспечения связи. Оба метода широко используются, и выбор между ними зависит от таких факторов, как последовательность конструкции, геометрия элементов и условия участка.

Сталь, используемая для предварительного натяжения, имеет прочность на растяжение, как правило, в диапазоне от 1720 до 1860 МПа для прядей и от 900 до 1100 МПа для решёток. Эта высокая прочность необходима для достижения требуемой силы предварительного натяжения без чрезмерной площади поперечного сечения. Тенденции часто состоят из семипроводных нитей, которые обеспечивают баланс прочности, пластичности и легкости обращения. Также важны релаксация и характеристики ползучести стали, поскольку эти зависящие от времени эффекты могут уменьшить эффективный престресс в течение срока службы конструкции.

Характеристики материала для предварительного натяжения стали

Уникальные свойства материала престрессовой стали делают ее пригодной для условий динамической нагрузки. Высокая прочность на растяжение позволяет эффективно использовать материал, в то время как пластичность гарантирует, что сталь может подвергаться неупругим деформациям без хрупкого разрушения - критическое требование для сейсмических и ударных нагрузок. Упругий модуль предстрессовой стали составляет примерно от 195 до 205 ГПа, что немного выше, чем у армирующей стали. Этот более высокий модуль способствует жесткости предварительно напряженных элементов.

Усталость является одним из важнейших свойств предварительного натяжения стали для конструкций, подвергающихся повторной нагрузке, таких как мосты и морские платформы. Напряжение стали демонстрирует хорошее усталостное поведение, при этом предел прочности обычно составляет от 200 до 300 МПа для диапазонов напряжений, в зависимости от типа сухожилия и качества детализации на якорных стоянках и отклонений. Однако усталостные сбои могут возникать в более низких диапазонах напряжений, если есть коррозионные ямы или другие дефекты поверхности. Поэтому правильная детализация и защита необходимы для долгосрочных усталостных характеристик.

Расслабление — ещё одно ключевое свойство. Расслабление относится к постепенной потере напряжения в стали при постоянном растяжении с течением времени. Низкорасслабляющая сталь, которая изготавливается посредством специальной термической обработки, имеет релаксационные потери лишь около 2-3 % от начального напряжения через 1000 часов при 20°С, по сравнению с 6-8% для нормальной релаксационной стали. Эта характеристика важна для поддержания долгосрочной эффективности престресса, особенно в конструкциях, где динамическая нагрузка может вызвать дополнительные колебания напряжения.

Понимание динамической нагрузки в структурах

Типы динамических нагрузок

Динамические нагрузки отличаются от статических тем, что они быстро изменяются со временем и могут вызывать инерционные эффекты, вибрации и колебания. Основные типы динамических нагрузок, влияющих на структуры, включают:

Структурный ответ динамическим силам

Реакция конструкции на динамическую нагрузку зависит от её массы, жесткости, демпфирования и характеристик самой нагрузки.Ключевыми параметрами, регулирующими динамическое поведение, являются естественные частоты, формы режима и коэффициенты демпфирования.Когда частота приложенной нагрузки соответствует одной из естественных частот структуры, возникает резонанс, приводящий к большим амплитудам вибрации, которые могут вызвать повреждение или дискомфорт.

Престрессовая сталь влияет на эти динамические параметры несколькими способами. Повышая жесткость конструкции, престресс обычно повышает ее естественные частоты, что может помочь избежать резонанса с низкочастотными нагрузками, такими как движение или умеренный ветер. Изменение жесткости также влияет на формы режима, которые могут перераспределять динамическую реакцию благоприятным образом. На демпфирование влияет наличие престрессовых сухожилий через механизмы, такие как трение на якорных стоянках, скольжение связи и рассеивание энергии в бетоне при циклической нагрузке. В целом, престрессовые структуры имеют тенденцию проявлять лучшие характеристики демпфирования по сравнению с непрестрессированными железобетонными структурами аналогичной геометрии.

Влияние давления на динамическое структурное поведение стали

Контроль жесткости и отклонения

Одним из основных преимуществ предварительного натяжения стали при динамической нагрузке является повышение эффективной жесткости конструктивного элемента. В непрестрессовом железобетонном элементе растрескивание напряжения происходит при относительно низких уровнях нагрузки, снижая жесткость трещинного сечения. Это снижение жесткости приводит к более крупным отклонениям и более низким естественным частотам, потенциально приближая конструкцию к резонансу с динамическими нагрузками. В предварительно нажатом элементе предкомпрессионное удерживает бетон в сжатии даже в диапазоне служебной нагрузки, предотвращая или значительно задерживая растяжение растрескивания. В результате элемент сохраняет свою жесткость брутто-секционного сечения, которая обычно в 2-4 раза выше, чем жесткость трещинного сечения эквивалентного железобетонного элемента.

Эта более высокая жесткость напрямую приводит к более низким отклонениям при динамических нагрузках. Например, при перегрузке тяжелого грузовика преднапряженная бетонная мостовая балка будет испытывать значительно меньшие отклонения среднего размаха, чем железобетонная балка тех же размеров. Это не только улучшает исправность, но и снижает коэффициент динамического усиления (DAF) - соотношение максимальной динамической реакции к статическому ответу - потому что более высокая жесткость повышает естественную частоту, отодвигая ее от доминирующих частот дорожной нагрузки. Более низкие отклонения также снижают риск дискомфорта пешеходов, повреждения подшипников и расширительных соединений и усталость самой конструкции.

В сейсмических приложениях более высокая начальная жесткость предварительно напряжённых элементов может быть как преимуществом, так и вызовом. С одной стороны, структура остаётся жёсткой при низко- и умеренном встряхивании, контролируя дрейфы сюжета и защищая неструктурные элементы. С другой стороны, если конструкция предназначена для эластичного реагирования на умеренные землетрясения, более высокая жесткость привлекает более крупные силы сдвига основания. Современная сейсмическая конструкция для предварительно напряжённых структур часто включает контролируемое количество неупругого поведения, либо путём формирования стабильных пластиковых шарниров в железобетонных областях, либо путём использования несвязанных сухожилий, позволяющих раскачиваться и самоцентрироваться. Ключ в том, чтобы сбалансировать преимущества жесткости с необходимостью рассеивания энергии и пластичности.

Характеристики демпфирования

Демпфирование — механизм, с помощью которого вибрационная энергия рассеивается внутри конструкции. Более высокое демпфирование уменьшает амплитуду резонансных колебаний и помогает структуре быстрее восстанавливаться после динамического события. Престрессовая сталь может влиять на демпфирование структуры несколькими способами. Престрессовая сила создает в бетоне сжимающие напряжения, которые влияют на поведение микротрещин. При циклической нагрузке открытие и закрытие микротрещин рассеивают энергию через трение и гистерезис. Наличие престрессов имеет тенденцию к уменьшению количества и ширины трещин, что может изменить отношение демпфирования.

В скреплённых постнапряжённых элементах затворные протоки и связь между сухожилием и бетоном способствуют демпфированию через деформации сдвига и трение на границе. В несвязанных постнапряжённых элементах сухожилие свободно скользит внутри протока, что даёт фрикционное демпфирование при движении сухожилия при циклической нагрузке. Этот фрикционный механизм может быть весьма эффективным, особенно при больших амплитудах вибрации. Инженеры использовали это свойство при проектировании мостов и зданий в районах с высоким ветром, где несвязанные сухожилия используются для повышения аэродинамической устойчивости.

Коэффициенты демпфирования для предварительно напряженных бетонных конструкций обычно варьируются от 1% до 3% критического демпфирования для низкоамплитудных вибраций по сравнению с 0,5% до 1% для стальных конструкций и от 2% до 5% для традиционно железобетонных конструкций.В то время как коэффициенты демпфирования не значительно выше, чем для железобетона, сочетание более высокой жесткости, лучшего контроля трещин и дополнительных механизмов демпфирования, связанных с сухожилиями, приводит к более прочной структуре при динамической нагрузке. Инженеры должны выбрать соответствующие значения демпфирования для анализа на основе типа системы предварительного нажатия, уровня престресса и ожидаемой амплитуды вибрации.

Crack Control и сервисная доступность

Контроль за стеллажами является одним из наиболее важных соображений исправности конструкций при динамической нагрузке. Трещины в бетоне не только влияют на внешний вид и долговечность, но и снижают жесткость и увеличивают потенциал повреждения усталостью. В бетоне под давлением предварительное сжатие гарантирует, что бетон остается в сжатии при рабочих нагрузках, предотвращая образование растягивающих трещин. Для конструкций, которые предназначены для полного сжатия при всех комбинациях рабочих нагрузок (класс 1 или класс 2 предварительного натяжения), бетон не испытывает напряжения, и поэтому не происходит растрескивания. Это идеальное условие для сопротивления динамическим нагрузкам, так как полное поперечное сечение остается эффективным, и нет риска коррозии из-за индуцированного трещинами проникновения хлоридов или других агрессивных агентов.

В некоторых конструкциях, например, конструкциях, предназначенных для более высоких уровней нагрузки (преднапряжение класса 3, при котором допускаются ограниченные растягивающие напряжения), некоторые трещины могут возникать при экстремальных эксплуатационных нагрузках. Однако даже в этих случаях преднапряжение ограничивает ширину трещины до очень небольших значений (обычно менее 0,1 мм для динамических нагрузок) по сравнению с более широкими трещинами, которые будут развиваться в ненапряженном железобетоне. Это контролируемое растрескивание сохраняет долговечность конструкции и поддерживает адекватную жесткость для большей части истории нагрузки. Способность контролировать ширину трещин при динамической нагрузке особенно важна в коррозионных средах, таких как морские мосты или структуры, подверженные воздействию солей обледенения.

При сейсмической нагрузке контроль трещин имеет решающее значение для поддержания целостности конструкции во время проектного землетрясения. Подстрессовые бетонные элементы, предназначенные для сейсмической устойчивости, обычно включают комбинацию предварительно напряженного и неподстрессированного усиления. Подстрессирование обеспечивает предварительное сжатие, необходимое для контроля ширины трещины и обеспечения самоцентрирования после землетрясения, в то время как неподстрессовое усиление обеспечивает пластичность и рассеивание энергии. Ширина трещин в таких элементах тщательно контролируется, чтобы структура могла пройти несколько циклов неупругой деформации без значительной потери прочности или жесткости.

Усталость производительность

Усталость - это прогрессивный, локализованный процесс повреждения, который происходит, когда материал подвергается циклической нагрузке. В предварительно напряженных бетонных конструкциях усталость может влиять на предварительно напряженную сталь, бетон и связь между ними. Усталость поведения предварительно напряженной стали, как правило, превосходна, с пределом выносливости (диапазон напряжений, ниже которого материал может выдерживать бесконечное количество циклов) около 200-300 МПа для высококачественных сухожилий в среде, свободной от коррозии. Это значительно выше типичных диапазонов напряжений, испытываемых в большинстве применений моста и здания, где диапазон напряжений живой нагрузки в предварительно напряженной стали часто находится в диапазоне от 50 до 150 МПа.

Усталостная производительность системы предварительного натяжения сильно зависит от деталей на якорных стоянках и в точках отклонения (в внешних системах посленатяжения). В этих местах сухожилие испытывает концентрации напряжения и изгиба, которые могут уменьшить его усталостный срок службы. Поэтому обычной практикой является использование специальных деталей, таких как крепления для снятия напряжения и седла плавного отклонения, чтобы минимизировать эти эффекты. Кроме того, качество затирки в связанных системах важно, потому что плохо затираемые протоки могут создавать пустоты, которые подвергают сухожилие влаге и позволяют третировать, что ускоряет повреждение усталости.

Для конструкций, подвергающихся очень высокому количеству циклов, таких как мосты с длинным пролетом или морские платформы, конструкция утомляемости системы предварительного натяжения является критическим соображением. Коды проектирования обеспечивают конкретное руководство для проверки усталости предварительно напряженных бетонных элементов. Утомляемость предварительно напряженной стали обычно основана на кривых S-N (диапазон напряжения по сравнению с количеством циклов до отказа), полученных в результате экспериментальных испытаний. Конструкция должна гарантировать, что совокупный ущерб (с использованием правила Майнера) за срок службы конструкции не превышает утомляемость. Усталость, с ее высокой прочностью и хорошей утомляемостью, часто работает лучше, чем арматура стали в критически важных приложениях усталости, но она должна быть должным образом защищена и детализирована для достижения ее полного потенциала.

Проектирование конструкций для напряженных конструкций при динамической нагрузке

Магнитуда нагрузки и частота

При проектировании предварительно напряжённой конструкции для динамической нагрузки первым шагом является характеристика нагрузок по величине, частотности и длительности. Для сейсмических нагрузок используется спектр отклика конструкции для определения максимального ускорения и смещения требований к конструкции. Для ветровых нагрузок используется спектр порывов и аэродинамические свойства конструкции для вычисления ветроиндуцированных сил и восприимчивости к аэроупругой нестабильности. Для нагрузок движения и машинного оборудования необходим спектр нагрузки (распределение величин нагрузки и количество циклов) для конструкции усталости.

Для конструкций с повышенной жесткостью и более высокими естественными частотами коэффициент динамического усиления (DAF) играет центральную роль в проектировании. DAF зависит от соотношения частоты нагрузки к естественной частоте конструкции и от соотношения демпфирования. Для конструкций с повышенной жесткостью и более высокими естественными частотами DAF часто ниже, чем для более гибких структур, при условии, что частота нагрузки не совпадает с естественной частотой. Инженеры должны выполнить модальный анализ для определения естественных частот и форм режима конструкции и обеспечить, чтобы они не лежали в пределах доминирующего диапазона частот применяемых нагрузок. Там, где резонанс неизбежен, должно быть обеспечено адекватное демпфирование, и структура должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать усиленный отклик.

Тендоновый уровень и уровень стресса

Макет предстрессовых сухожилий и уровень престресса являются ключевыми конструктивными переменными, влияющими на динамическое поведение структуры. Профиль сухожилия влияет на распределение внутренних сил и жесткость элемента. Например, параболический профиль сухожилия в просто поддерживаемом луче обеспечивает восходящую камберу, которая противодействует нисходящей мертвой нагрузке, уменьшая отклонение среднего пролета и увеличивая естественную частоту. В непрерывном луче профиль сухожилия может быть оптимизирован для получения моментальных распределений, благоприятствующих динамической реакции.

Уровень престресса (величина эффективной силы престресса) также влияет на динамическое поведение. Более высокий уровень престресса увеличивает сжатие в бетоне, что улучшает контроль трещин и жесткость. Однако очень высокий уровень престресса может привести к чрезмерной камберности, потенциальному дроблению бетона на якорных стоянках и более высоким потерям релаксации. Для сейсмической конструкции часто выбирают умеренный уровень престресса, чтобы позволить некоторое неупругое поведение в армировании при сохранении способности к самоцентрированию, обеспечиваемой престрессовыми сухожилиями. Соотношение предварительно напряженного к непрестрессовому армированию, известное как индекс армирования или престрессовое соотношение, является критическим параметром, который регулирует пластичность и рассеивание энергии структуры.

Положения и руководящие принципы Кодекса

Несколько кодов и руководящих принципов проектирования касаются проектирования предварительно напряженных бетонных конструкций для динамической нагрузки. Спецификации проектирования моста AASHTO LRFD (Американская ассоциация государственных дорожных и транспортных чиновников) обеспечивают всеобъемлющие положения для проектирования предварительно напряженных бетонных мостов в условиях живой нагрузки, включая динамическую надбавку к нагрузке (эквивалент AASHTO DAF). Спецификации также включают требования к конструкции усталости для предударных сухожилий, основанные на диапазоне напряжений, вычисленных из модели усталостной нагрузки. Спецификации AASHTO широко используются в Северной Америке и упоминаются во многих других юрисдикциях.

В Европе Еврокод 2: Проектирование бетонных конструкций (EN 1992-1-1 и EN 1992-2) предусматривает правила проектирования предварительно напряженных бетонных конструкций, включая положения о динамической и усталостной нагрузке.Кодекс модели Fib 2010 (опубликован Fédération internationale du béton) является всеобъемлющей международной справочной базой, которая охватывает проектирование и оценку предварительно напряженных бетонных конструкций при различных условиях нагрузки, включая сейсмическую и усталостную.Кодекс модели включает подробные модели для усталостной устойчивости предварительно напряженной стали и для зависящего от времени поведения предварительно напряженных элементов при устойчивых и циклических нагрузках.

Посттенсионный институт (PTI) в США публикует несколько руководств, которые широко используются на практике, в том числе Руководство по проектированию и строительству посттенсионных конструкций и руководящие документы для специальных применений, таких как сейсмический дизайн посттенсионных зданий.Эти ресурсы предоставляют практические рекомендации по детализации, натяжению и затирке сухожилий для обеспечения долгосрочной долговечности и динамических характеристик.Следуя этим кодам и руководящим принципам, необходимо для достижения надежного дизайна, который учитывает сложное взаимодействие между предварительной нагрузкой стали и динамической нагрузкой.

Внешняя ссылка: fib Модельный код 2010

Внешняя ссылка: Институт пост-напряжения (PTI)

Расширенные приложения и тематические исследования

Сейсмические устойчивые мосты и здания

Престрессовый бетон широко используется в сейсмически устойчивой конструкции, используя жесткость, контроль трещин и возможности самоцентрирования, обеспечиваемые престрессовой сталью. В строительстве моста престрессовые бетонные балки часто используются в сейсмических зонах, поскольку они могут быть спроектированы так, чтобы оставаться эластичными при проектном землетрясении, с рассеиванием энергии, обеспечиваемой через жертвенные элементы, такие как железобетонные колонны и сдвигающие ключи. В зданиях системы пола с натяжным покрытием обеспечивают длинные пролеты с минимальными отклонениями, уменьшая сейсмическую массу и связанные с ней силы. Самоцентрирующее поведение стен и рам с несвязанным постнатяжным натяжением было предметом активных исследований, и эти системы реализуются в высокопроизводительных конструкциях зданий в сейсмических регионах.

Заметным примером является Новый мировой мемориальный зал Кобе в Японии, который использует комбинацию предварительно напряжённых бетонных и стальных элементов для достижения исключительных сейсмических характеристик. Структура включает в себя несвязанные сухожилия после натяжения в крыше и основных структурных колоннах, что позволяет зданию выдерживать большие движения грунта без значительных повреждений. Самоцентрирующая способность предварительно напряжённых элементов гарантирует, что здание возвращается в исходное положение после землетрясения, минимизируя остаточные дрейфы и затраты на ремонт. Этот подход, известный как технология «качалки» или «самоцентрирующей рамы», был принят в нескольких других зданиях и мостах по всему миру.

Другим примером является мост Вранов в Чешской Республике, протяженный бетонный кабельный мост, предназначенный для сопротивления сейсмическим нагрузкам. Мост использует комбинацию внутренних и внешних сухожилий после натяжения в коробчатой балке, с внешними сухожилиями, предназначенными для замены и проверки. Сейсмическая конструкция моста включает в себя проходимые предохранители в соединении башня-дека, гарантируя, что основные структурные элементы остаются эластичными при проектном сейсмическом событии. Мост хорошо зарекомендовал себя в течение более чем двух десятилетий службы, в том числе во время умеренных сейсмических событий.

Высокие структуры, загруженные ветром

Высокие здания, башни и мосты дальнего пролета особенно чувствительны к вибрациям, вызванным ветром. В этих конструкциях для добавления жесткости и контроля вибраций используется подстроечная сталь. В высотных зданиях для создания жесткой боковой силоустойчивой системы используются постнатяжные напольные плиты и стены, снижающие раскачивание здания и повышающие комфорт жильцов. В некоторых сверхвысоких зданиях используются несвязанные постнатяжные стальные брекеты или аутриггеры для подключения ядра к колоннам периметра, дальнейшее повышение жесткости и демпфирование.

Башни Petronas в Куала-Лумпуре, Малайзия, которые были самыми высокими зданиями в мире с 1998 по 2004 год, используют бетон постнатяжного типа для своих напольных систем и стен ядра. Жесткость, обеспечиваемая постнатяжением, сочетается со сложной системой демпфирования для управления ветровыми колебаниями. Башни спроектированы так, чтобы выдерживать ветры уровня тайфуна с минимальным боковым ускорением, обеспечивая комфортную среду для пассажиров. Использование предварительно напряжённой стали было необходимо для достижения длинных пролетов и общей жесткости, необходимой для такой высокой структуры.

В длиннопролетных мостах вибрация, вызванная ветром, может быть критической проблемой проектирования.Виадук Миллау во Франции, многопролетный кабельный мост с предварительно натянутыми бетонными палубными сегментами, был спроектирован с обтекаемым поперечным сечением для минимизации возбуждения ветра. Подстрессованные палубные сегменты соединены с использованием внешних постнатяжных сухожилий, которые проходят внутри коробчатой балки, обеспечивая необходимую жесткость и непрерывность. Мост был тщательно изучен для ветра и динамического поведения, включая полномасштабный мониторинг его реакции на ветровые нагрузки. Результаты подтверждают, что предварительно напряжённая бетонная палуба обеспечивает отличную аэродинамическую стабильность и демпфирование.

Внешняя ссылка: Прессированный бетонный институт (PCI)

Трафик и усталость в мостовых колодцах

Мостовые палубы являются одними из наиболее утомительно-критических компонентов в автомобильных мостах, благодаря миллионам циклов загрузки грузовиков, которые они испытывают в течение своей жизни. Подстрессовые бетонные мостовые палубы обеспечивают превосходные усталостные характеристики по сравнению с железобетонными палубами из-за контролируемых уровней напряжения и ограниченной ширины трещин. В типичном подстрессовом бетонном коробчатом мосту палуба является частью верхнего фланца и подвергается как локальным (нагрузкам колес), так и глобальным (общим изгибам). Подстресс обеспечивает, чтобы палуба оставалась в сжатии при комбинированных эффектах мертвой нагрузки, живой нагрузки и престресса, устраняя или минимизируя напряжения усталости при растяжении.

Мост Сент-Энтони-Фолс (FLT:0) I-35W в Миннеаполисе, штат Миннесота, который заменил разрушенный мост I-35W в 2008 году, является ярким примером современного бетонного моста с предварительным напряжением, предназначенного для высокой долговечности и длительного срока службы. Мост использует конструкцию сегментной коробчатой балки с внутренними и внешними сухожилиями. Конструкция усталости была проверена с использованием рафинированного анализа конечных элементов и лабораторных испытаний репрезентативных соединений. Мост был в эксплуатации более десяти лет и показал отличные характеристики при тяжелых транспортных нагрузках, без ухудшения усталости.

Для существующих мостов оценка усталостного повреждения в предударных сухожилиях является сложной задачей. Для обнаружения разбитых проводов в сухожилиях большого диаметра разрабатываются методы неразрушающей оценки, такие как акустика и утечка магнитного потока. Во многих случаях сухожилия хорошо защищены затиркой и бетонным покрытием, а состояние усталости оказывается адекватным для оставшегося срока службы. Однако в конструкциях с плохо построенными деталями или в агрессивных средах проверка и обслуживание системы предварительного напряжения необходимы для обеспечения непрерывной безопасной работы при динамической нагрузке на движение.

Инновации в производстве стали для динамической устойчивости

Несвязанные и внешние тендоны

Несвязанные постнатяжные системы, в которых сухожилия не затираются до бетона и свободно перемещаются внутри протока, приобрели популярность в сейсмическом и динамическом приложениях.Несвязанное сухожилие обеспечивает самоцентрирующийся механизм структуры, поскольку сила сухожилия остается относительно постоянной при неупругих деформациях и возвращает структуру в исходное положение после снятия нагрузки. Такое поведение особенно ценно в сейсмической конструкции, где структура может претерпевать большие дрейфы без значительных повреждений и с минимальными остатками смещений.

Наружные постнатяжения, в которых сухожилия размещены вне бетонного сечения и заключены в защитную трубу, дают преимущества для осмотра и обслуживания. Внешние сухожилия могут быть визуально осмотрены, протестированы на силу и заменены при необходимости, без сноса бетона. Они также обеспечивают дополнительное затухание через трение между сухожилием и седлами отклонения и через вибрацию свободных пролетов сухожилия. Внешние сухожилия использовались при укреплении существующих мостов и зданий, а также при новом строительстве для пролетных мостов и крыш больших пролетов.

Высокопрочные и коррозионно-стойкие сплавы

Разработка высокопрочных преднапрягающих сталей (с прочностью на растяжение до 2100 МПа для нитей и 1200 МПа для брусьев) позволяет увеличить силы предварительного натяжения с меньшей площадью стали, уменьшая размеры поперечного сечения и делая конструкцию легче. Это уменьшение массы выгодно для динамической нагрузки, поскольку оно уменьшает инерционные силы и увеличивает естественные частоты. Однако более высокопрочные стали могут иметь более низкую пластичность и усталостную стойкость по сравнению с обычными марками, которые должны учитываться в конструкции.

Коррозионностойкие сплавы, такие как нержавеющая сталь и оцинкованная сталь, используются в агрессивных средах для повышения долгосрочной долговечности престрессовых систем.Замена 2004 года моста Якобштад в Финляндии использовала полосы посттензионного натяжения нержавеющей стали для продольного престрессинга в сильно коррозионных условиях окружающей среды Балтийского моря. Использование коррозионностойких материалов гарантирует, что система предварительного натяжения сохраняет свою целостность в течение длительного срока службы конструкции, даже при динамической нагрузке и в присутствии хлоридов.

Умные теннисные доски с встроенными датчиками

Интеграция технологии мониторинга в престрессовые сухожилия — это возникающее поле, которое обещает повысить безопасность и управление динамически нагруженными конструкциями. Волоконно-оптические датчики, пьезоэлектрические устройства и беспроводные тензодатчики могут быть встроены в сухожилие или на якорях для измерения силы престресса, деформации и вибрации сухожилия в реальном времени. Эта информация может использоваться для оценки состояния конструкции, выявления любой потери престресса, обнаружения усталостного повреждения и проверки динамического отклика при служебных нагрузках или после экстремального события.

Несколько демонстрационных проектов установили умные сухожилия в мостах и зданиях, обеспечивая непрерывные данные о структурном поведении. Например, в Принстонском университете в США используется интегрированная система мониторинга с волоконно-оптическими датчиками в престрессовых элементах и в бетоне. Данные с этих датчиков использовались для калибровки моделей динамического поведения моста и отслеживания долгосрочных изменений престресса и жесткости. Уроки, извлеченные из этих установок, помогают разрабатывать надежные интеллектуальные системы мониторинга, которые могут использоваться в крупномасштабной инфраструктуре.

Внешняя ссылка: ААШТО

Заключение

Престрессовая сталь оказывает глубокое влияние на структурное поведение при динамической нагрузке. Путем введения контролируемых сжимающих напряжений в бетонные элементы, предварительный стресс повышает жесткость, улучшает демпфирование, контролирует трещины и обеспечивает отличную усталостную стойкость. Эти преимущества не являются автоматическими - они требуют тщательной конструкции системы предварительного натяжения, включая выбор соответствующего типа сухожилия, уровня престресса и компоновки для конкретных динамических нагрузок, ожидаемых. Взаимодействия между престрессовой сталью и динамической реакцией структуры (естественные частоты, формы режима, коэффициенты демпфирования и кумулятивный ущерб) должны систематически оцениваться как часть процесса проектирования.

Применение престрессовой стали в динамически нагруженных конструкциях разнообразно, охватывая сейсмически устойчивые мосты и здания, чувствительные к ветру высокие конструкции и усталостные критические мостовые палубы. Инновации в несвязанных и внешних сухожилиях, высокопрочных сплавах и интеллектуальных технологиях мониторинга расширяют возможности для более устойчивых и долговечных структур. Знания, полученные от этих разработок, продолжают информировать коды проектирования и руководящие принципы, позволяя инженерам использовать весь потенциал предварительного нагрузки стали перед лицом самых требовательных сценариев динамической нагрузки. Для практикующего специалиста глубокое понимание этих принципов имеет важное значение для создания структур, которые не только безопасны и долговечны, но также эффективны и устойчивы в течение всего их жизненного цикла.

Интегрируя науку о звуке, структурную динамику и строгую методологию проектирования, инженеры могут уверенно использовать сталь для решения задач динамической нагрузки в построенной среде. Будущее структурной инженерии, несомненно, увидит еще большую зависимость от технологии предварительного напряжения, поскольку требования к более длинным пролетам, более высоким конструкциям и более высокой производительности продолжают расти.