Table of Contents

Введение в гибридные стальные бетонные системы

Гибридные стально-бетонные конструктивные системы сочетают прочность на растяжение и пластичность стали с прочностью на сжатие, массой и огнестойкостью бетона. Эта синергия позволяет конструкторам создавать более длинные пролеты, снижать нагрузку на фундамент и ускорять конструкцию по сравнению с чистыми железобетонными или стальными рамами. Однако производительность этих систем сильно зависит от соединений, которые передают силы между двумя материалами. Плохо спроектированное стальное соединение может стать самым слабым звеном, приводящим к хрупкому отказу, чрезмерному скольжению или коррозии. В этой статье дается углубленный взгляд на принципы, типы, конструктивные соображения и лучшие практики для стальных соединений в гибридных стально-бетонных конструкциях с акцентом на достижение композитного действия и долгосрочной долговечности.

Современные применения включают композитные полы в высотных зданиях, стальные бетонные композиционные мосты и гибридные механические рамы в сейсмических зонах. Интерфейс соединения - обычно между стальным балкой и бетонной плитой, стальной колонной и бетонной стеной или встроенными пластинами в бетонный элемент - должен учитывать перенос нагрузки, допуски конструкции и воздействие окружающей среды. Понимая механику сдвига, момента и осевой передачи силы, инженеры могут выбирать соответствующие типы соединений и детализацию для обеспечения структурной целостности.

Материалы и принцип составного действия

Свойства стали и бетона

Сталь обладает высоким соотношением прочности к весу, отличной пластичностью и однородными свойствами материала. Она чувствительна к пристегиванию при сжатии и теряет прочность при повышенных температурах. Бетон обеспечивает высокую прочность на сжатие, жесткость и тепловую массу, но обладает низкой прочностью на растяжение и подвержен ползучести и усадке. При объединении в гибридной системе сталь переносит моменты натяжения и изгиба, в то время как бетон обрабатывает сжатие. Соединение должно обеспечивать, чтобы скольжение или разделение не препятствовали этому составному действию.

Композитный механизм действий

Композитное действие в стально-бетонном луче происходит, когда два материала действуют как единое целое. Без адекватного сдвига луч и бетонная плита деформировались бы независимо, уменьшая жесткость и грузоподъемность. Горизонтальные силы сдвига развиваются на интерфейсе, которому должны противостоять сдвигаемые соединители, такие как головные шпильки, каналы или высокопрочные болты в сдвигах. Конструкция этих соединителей следует принципу, что общая сила сдвига в предельном предельном состоянии равна емкости стального или бетонного элемента, в зависимости от того, что меньше. Недавние исследования, опубликованные Американским обществом инженеров-строителей (ASCE) (см. ] ASCE Journal of Structural Engineering ), подчеркивает важность проходимых соединителей в распределении деформации при циклической нагрузке.

Виды стальных соединений в гибридных системах

Стальные соединения в гибридных структурах можно классифицировать по их основной функции передачи силы: момент, сдвиг или осевой. Каждый тип имеет различные требования к детализации и режимы отказа.

Моментные соединения

Моментные соединения передают изгибающие моменты между стальными и бетонными компонентами, сохраняя непрерывность вращения. В гибридных рамах они часто используются в стальных балках к бетонным колонным соединениям или в стальных колоннах, встроенных в бетон. Общая деталь - использование стального кронштейна или усиленного заглушка, приваренного к стальному балке и встроенного в бетонную колонну, с дополнительными головными шпильками для переноса сдвига. Другой подход - встраивать стальной балочный конец непосредственно в бетонную колонну, требуя разработки полного пластикового момента стальной секции. Европейская конвенция по конструкционному сталелитейному заводу (ECCS) обеспечивает руководство по проектированию для моментальных резистентных соединений в композитных конструкциях (см. SteelConstruction.info ).

Дизайн для Ductility

В сейсмических регионах моментные соединения должны проявлять проходимость для рассеивания энергии. Область соединения должна быть спроектирована таким образом, чтобы выход происходил в контролируемой зоне вдали от хрупких сварных швов или бетонного дробления. Недавние достижения в высокопрочных стальных (HSS) моментальных соединениях позволяют уменьшить размеры сечения при сохранении пластичности, как показано в AISC Seismic Provisions.

Ширные связи

Сдвигательные соединения являются наиболее распространенной деталью интерфейса, обычно с использованием головных сдвига, приваренных к верхнему фланцу стальных балок и встроенных в бетонную плиту. Стыки сопротивляются горизонтальному сдвига, который развивается при стально-бетонном интерфейсе из-за изгиба. Количество, диаметр и расстояние стыков определяются требуемой степенью композитного действия (полного или частичного). Частичное композитное действие может быть экономичным, когда полная сдвигаемость не требуется, но это снижает жесткость и увеличивает отклонения.

Поведение Shear Stud

Головные шпильки ведут себя как жесткие или гибкие соединители в зависимости от их соотношения длины к диаметру. Гибкие шпильки допускают небольшое скольжение, что может быть полезно для перераспределения нагрузок в условиях пожара. Результаты испытаний из Техасского университета в Остине (см. Инженерные конструкции ) указывают на то, что шпильки с большими диаметрами головки улучшают сопротивление вытягиванию, критическое, когда плита находится под комбинированным сдвига и напряжения. Для глубоких плит или двойных шпиль стальных балок, сдвига карманов или блок-аутов может потребоваться для облегчения размещения шпиль.

Соединение Slip-Resistant

Скользкостойкие соединения (также называемые фрикционными соединениями) используются там, где относительное движение между сталью и бетоном должно быть сведено к минимуму - например, в мостовых балках при усталостной нагрузке или в балках крана. Эти соединения полагаются на высокую силу зажима от предварительно загруженных болтов (обычно изготовленных из высокопрочной стали) для генерации трения на интерфейсе. бетонная поверхность должна быть шероховатой или снабжена сдвиговым ключом для достижения требуемого коэффициента трения. Скользкокритические соединения детализированы в соответствии с такими стандартами, как AISC 360-22 (Освоение для структурных стальных зданий) и требуют тщательной подготовки поверхности и процедур натяжения болта.

Дизайнерские соображения для стальных соединений

Путь переноса нагрузки и емкость

Каждое соединение должно безопасно передавать проектные нагрузки, не превышая пределов прочности или исправности. Путь нагрузки должен быть ясным: силы должны течь от бетонного элемента через соединение в стальной элемент и наоборот. Например, в соединении стальной балки с бетонной стенкой концевой момент луча сопротивляется вертикальной зоне сжатия на нижнем фланце и вертикальной зоне натяжения на верхнем фланце (или наоборот). Бетон должен иметь достаточную локальную прочность подшипника; в противном случае должны быть обеспечены подшипниковые пластины или армирование. Испытания на выталкивание остаются эталоном для оценки пропускной способности разъема, но нелинейный анализ конечных элементов (FEA) все чаще используется для оптимизации деталей (см. Журнал исследований конструкционной стали .

Совместимость материалов и долговечность

Контакт между сталью и бетоном может привести к гальванической коррозии, если сталь не защищена. В агрессивных средах все стальные детали должны быть оцинкованы горячим диском или покрыты коррозионностойкой системой. Кроме того, бетонная крышка вокруг встроенной стали должна соответствовать требованиям ACI 318 (требования к строительному коду для конструктивного бетона) для защиты от коррозии и огня. Для соединений, которые будут натягиваться через стальные элементы, сухожилия должны быть защищены от коррозии на стальном бетонном интерфейсе с использованием протоков и затирки.

Конструктивность и толерантность

Гибридные соединения часто требуют точного выравнивания встроенных пластин, болтовых отверстий или разъемов сдвига. Допуски к конструкции должны быть согласованы между сталелитейным изготовителем и бетонным подрядчиком. Использование штанговых пластин, щелевых отверстий или болтов на месте может учитывать незначительные несоответствия. Для крупномасштабных проектов рекомендуется Информационное моделирование зданий (BIM) для обнаружения столкновений и обеспечения возможности детализации соединения (см. Национальный стандарт BIM ). Сборка соединительных сборок за пределами площадки может улучшить контроль качества и уменьшить полевую сварку.

Огнестойкость

Стальные соединения уязвимы для размягчения и потери прочности при повышенных температурах. В гибридных системах бетонная масса может обеспечивать некоторую тепловую инерцию, но разъемы с открытой сталью требуют противопожарной защиты. Решения включают в себя включение соединения в противопожарную плату, применение интумационного покрытия или использование стальных секций, заполненных бетоном (например, бетононаполненные стальные трубки). Огнестойкость композитных балок с разъемами сдвига изучается в соответствии со стандартными кривыми огня (ASTM E119 или ISO 834), а методы проектирования предусмотрены в EN 1994-1-2 (Еврокод 4: Проектирование композитных стальных и бетонных конструкций - Часть 1-2: Общие правила - Структурная конструкция огня) и Раздел спецификации AISC I4.

Общие детали и методы подключения

Шеар Студс

Головные стрижки являются наиболее экономичными и широко используемыми соединителями. Они автоматически привариваются к стальным балкам шпильной сварочной пушкой, которая управляет током сварки и глубиной погружения. Шпильная головка служит якорем для сопротивления силам подъема. Шпильки обычно имеют диаметр от 19 мм до 25 мм, с длиной, соответствующей глубине плиты. Пространство ограничено, чтобы избежать расщепления бетона и обеспечить равномерное распределение нагрузки. В композитных мостовых палубах группы шпиль помещаются в карманы в сборных бетонных панелях.

Сплетенные соединения

Для удобства сборки и разборки предпочтительны затворные соединения. В гибридных конструкциях болты могут крепить стальную кронштейн к бетонной стенке с помощью послеустановленных анкеров (например, Hilti HDA или химических анкеров). Для стальных балочных колоночных соединений обычной деталью является стальная пластина, отлитая в колонну с выступающими болтами. Для создания фрикционных болтов высокой прочности используются затворы, которые не поддаются скольжению под рабочими нагрузками. Конструкция затворных соединений следует за AISC 360 или EN 1993-1-8, с модификациями для бетонного подшипника.

Встроенные пластины

Встроенная пластина представляет собой стальную пластину, литую с поверхности бетона. Стальные балки или колонны затем соединяются с пластиной посредством сварки или болтов. Пластина передает силы через шпильки или арматурные петли, сваренные к ее спине. Длина якорной перемычки и длина разработки должны быть достаточными для сопротивления выходу или вытягиванию. Толщина пластины должна быть достаточной, чтобы избежать выхода под концентрированные силы из соединительного стального элемента. Встроенные пластины обычно используются при соединениях балки с стенками сердечника и на базовых пластинах стальных колонн в бетонных основаниях.

Бетонные стальные трубы (CFST)

CFST члены являются особым типом гибридной системы, где стальная трубка действует как продольное подкрепление и удержание бетонного ядра. Соединения между колоннами CFST и стальными балками используют стальные кронштейны, сквозные пластинчатые диафрагмы или непрерывные бетонные кольца. Конструкция должна гарантировать, что бетонное ядро должным образом ограничено в суставе для передачи сил без дробления. Экспериментальные исследования из Калифорнийского университета в Сан-Диего показывают, что сквозные соединения с балками колючей проволоки обеспечивают почти полную передачу пластикового момента.

Дизайн коды и стандарты

Конструкция стальных соединений в гибридных системах регулируется несколькими международными кодами. В Соединенных Штатах основным стандартом является AISC 360-22, дополненный AISC 341-22 для сейсмических применений. Американский бетонный институт предоставляет ACI 318-22 для бетонной конструкции, включая крепление к бетону (глава 17). Для композитных балок глава I AISC 360 охватывает дизайн для композитного действия. Европейские дизайнеры следуют Еврокоду 4 (EN 1994-1-1) для композитных конструкций и EN 1992-1-1 для бетона. Британский стандарт BS 5950-3.1 (сейчас снят, но все еще используется) и австралийский стандарт AS 2327.1 являются другими соответствующими ссылками. Эти коды определяют минимальные возможности разъема, детализирующие требования (например, минимальный интервал между шпильками, бетонное покрытие, расстояния кромки) и факторы комбинации нагрузки. Крайне важно проверить местные строительные коды и критерии проектирования проекта до завершения деталей соединения.

Передовые методы анализа и проектирования

Нелинейный анализ конечных элементов

Для сложных соединений, особенно с нестандартной геометрией или нагрузкой, для прогнозирования режимов отказа используются нелинейные FEA. Модели включают в себя нелинейность материала (бетонное размазанное растрескивание, стальная пластичность), контактное взаимодействие между сталью и бетоном и предварительную нагрузку на болт. Ключевой задачей является точное моделирование поведения сдвига связки разъемов. Исследователи калибруют кривые скольжения связи из выталкивающих тестовых баз данных. Результаты FEA используются для оптимизации интервала разъема, деталей сварки и размещения армирования.

Калибровка частичного фактора безопасности

Методы, основанные на надежности, с использованием моделирования Монте-Карло, могут калибровать коэффициенты сопротивления для новых типов соединений. Этот подход учитывает изменчивость прочности материала, допусков к изготовлению и эффектов нагрузки. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) опубликовал руководящие принципы для проектирования структурных стальных соединений с учетом риска (см. NIST Technical Note 2061 ).

Тематические исследования и приложения

Высоковысотные композитные системы этажей

В таких зданиях, как Бурдж-Халифа, стальные балки с сдвигающимися шпильками, соединенные с бетонными плитами, образуют композитные палубные системы. Соединения позволяют иметь длинные пролеты (до 15 м) с уменьшенной глубиной пола. В конструкции балочных соединений используются плавниковые пластины или торцевые пластины с высокопрочными болтами в напряжении. Противопожарную защиту обеспечивали распыленное минеральное волокно на стальных балках и слой легкого бетона на плите.

Композитные мостовые гирдеры

Многоповоротные стально-бетонные композиционные мосты, такие как мост Сутонг в Китае, используют тысячи стригущих шпиль на верхних фланцах стальных балок. Шпильки рассчитаны на усталость с помощью эластичного диапазона сдвига. Требуются регулярные проверки крепежных шпильных шпиль. В заменяющих мостовых палубах для избежания полевой сварки использовались постустановленные стригущие соединители с впрыскиваемой смолой.

Будущие тенденции в области проектирования гибридных соединений

Промышленность движется в сторону

Гибридный дизайн подключения

Включает в себя передовую высокопрочную сталь (прочность мощности более 690 МПа) и сверхвысокопроизводительный бетон (UHPC) с прочностью на сжатие выше 150 МПа. Эти материалы требуют новых типов соединителей, таких как высокопрочные стальные шпильки с большими диаметрами головки и большими диаметрами сварки. Кроме того, съемные композиционные соединения приобретают интерес для деконструкции и повторного использования. Исследования по съемным сдвигающим соединителям (например, с болтами с полимерными прокладками) продолжаются в Кембриджском университете (см. Исследовательский склад Кембриджа ).

Сенсорно-интегрированные приборные соединения

Умные соединения со встроенными тензодатчиками, волоконно-оптическими датчиками или пьезоэлектрическими датчиками могут обеспечить мониторинг передачи и износа нагрузки в режиме реального времени. Этот подход «структурного мониторинга здоровья» позволяет проводить техническое обслуживание на основе фактического состояния, а не плановых проверок. Эти данные будут использоваться для уточнения будущих положений проектирования.

Заключение

Конструкция стальных соединений является критическим фактором в успешной работе гибридных стальных бетонных структурных систем. От моментальных резистентных соединений в высотных зданиях до сдвига коньковых кластеров в композитных мостах соединение должно надежно передавать силы при размещении несовместимостей материалов и допусков к строительству. Используя коды проектирования, такие как AISC 360, ACI 318 и Eurocode 4, и используя передовые инструменты анализа, инженеры могут создавать соединения, которые являются эффективными и надежными. По мере того, как строительные коды развиваются, чтобы включать в себя показатели проектирования на основе производительности и устойчивости, роль пластичных, прочных и съемных соединений будет только расти. Продолжение исследований взаимодействия материалов и поведения соединителей при сложной нагрузке гарантирует, что гибридные системы останутся краеугольным камнем современной структурной инженерии.