Подробности стального соединения для строительства арочного моста

Виды стальных соединений в строительстве арочного моста

Стальные соединения образуют основу современной арочной конструкции моста, служа критическими интерфейсами, где сила передаётся между структурными элементами.Выбор и детализация этих соединений напрямую влияют на несущую способность моста, усталостную стойкость и долгосрочную производительность. Инженеры должны тщательно оценивать каждый тип соединения по конкретным требованиям проекта, включая длину пролета, условия участка, возможности изготовления и доступ к техническому обслуживанию.

Три основные категории стальных соединений, используемых в арочных мостах, - это болтовые, сварные и гибридные системы. Каждый подход предлагает различные преимущества и компромиссы, которые должны быть взвешены на этапе проектирования. Недавние достижения в высокопрочных стальных сплавах и соединительном оборудовании расширили возможности для эффективного и долговечного строительства арочных мостов.

Сплетенные соединения

Сплетенные соединения остаются преобладающим выбором для арочных мостов, собранных в полевых условиях, благодаря сочетанию надежности, проверяемости и конструктивности. Высокопрочные болты, соответствующие спецификациям, таким как ASTM A325 или ASTM A490, прикручиваются к точным значениям претензии, создавая силы зажима, которые передают нагрузки через трение между соединенными поверхностями. Этот механизм сопротивления трению обеспечивает отличную усталостную производительность по сравнению с болтами, загруженными в сдвига.

Современные болтовые соединения обычно используют скольжение-критические соединения, где трение сцепления между подкладывающимися поверхностями сопротивляется скольжению под рабочими нагрузками. Процесс проектирования должен учитывать расстояние между болтами, расстояния кромок и длины сцепления, чтобы предотвратить режимы отказа соединения, включая сдвига болтов, подшипника пластины и разрыва сдвига блока. Процедуры установки требуют калиброванных гаечных ключей крутящего момента или болтов управления напряжением для обеспечения последовательного натяжения на каждом крепеже. Программы обеспечения качества, включая ежедневную проверку крутящего момента и ультразвуковое тестирование, помогают поддерживать целостность соединения на протяжении последовательности эрекции.

Для применения арочных мостов болтовые сплайсы позволяют эффективно сегментировать конструкцию, где на месте собираются арочные ребра цехового производства. Такой подход снижает сварку в полевых условиях, упрощает контроль качества и позволяет легче заменять отдельные компоненты в течение срока службы моста. Болтовые соединения также облегчают будущую модернизацию и усиление работы, так как дополнительные пластины или закалки могут быть установлены без резки существующих сварных швов.

сварные соединения

Полное проникновение канавки (CJP) канавки сварных швов и филе сварных швов обеспечивают непрерывные пути нагрузки, которые максимизируют структурную непрерывность в конструкции арочного моста. Сварные соединения устраняют проблемы скольжения и подшипников, связанные с болтами, создавая монолитные соединения, которые плавно распределяют напряжения через структуру. Эта непрерывность особенно ценна в ребрах арки и вешалках, где концентрации напряжений должны быть сведены к минимуму для контроля возбуждения усталостных трещин.

Процесс сварки для соединений арочных мостов требует строгих процедур контроля качества, включая мониторинг температуры перед нагреванием, контроль температуры в сварном штепселе и термическую обработку после сварки для толстых секций. Для проверки звука сварки в соответствии с требованиями AWS D1.5 Bridge Welding Code применяются методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковое тестирование, проверка магнитных частиц и рентгенография. Программы сертификации сварщиков и квалификационные записи процедур гарантируют, что каждый сварной шов соответствует указанным механическим свойствам и критериям жесткости.

Фильтовые сварные швы обычно используются для креплений и вторичных соединений, где полное проникновение структурно не требуется. Толщина горла и эффективная длина филеварных сварных швов должны быть рассчитаны для сопротивления силам конструкции при соблюдении минимальных требований к размеру, которые предотвращают быстрое охлаждение и растрескивание водорода. Для первичных дуговых мостовых соединений частичные суставные пробитые канавки предлагают компромисс между прочностью сварных швов CJP и экономией филеварных сварных швов, хотя они требуют тщательной детализации конструкции для учета уменьшенного эффективного горла.

Гибридные системы подключения

Многие современные конструкции арочных мостов сочетают болтовые и сварные элементы для оптимизации как экономии изготовления, так и эффективности возведения в полевых условиях. Типичные гибридные конструкции включают в себя сварные сборки, которые соединяются в полевых условиях с использованием болтовых сплайс-пластинок. Этот подход отражает преимущества качества контролируемой сварки в магазине, сохраняя при этом скорость и простоту болтовых полевых соединений.

Гибридные соединения также появляются в арочных мостовых вешалках и галстуках, где торцевые фитинги, соединенные штифтом, привариваются к кабельным или стержневым узлам. Эти комбинированные соединения должны быть спроектированы таким образом, чтобы в них могли вместиться как высокие силы растяжения в вешалках, так и гибкость вращения, необходимая для следования профиля арки при живой нагрузке. Особое внимание требуется в переходных зонах между сварными и болтовыми компонентами для обеспечения совместимой жесткости и избежания непреднамеренных путей нагрузки.

Дизайнерские соображения для стальных соединений

Конструкция стальных соединений для арочных мостов выходит далеко за рамки простых расчетов прочности. Современная методология проектирования предельных состояний требует от инженеров оценки производительности соединения по нескольким критериям, включая прочность, исправность, усталость и разрыв. Каждая деталь соединения должна быть проверена для удовлетворения всех применимых предельных состояний, оставаясь экономичной для изготовления и монтажа.

Механизмы переноса нагрузки

Соединения арочного моста должны передавать сложные комбинации осевого усилия, сдвига, изгиба и торсиона между соединенными элементами.Путь нагрузки через соединение должен быть четко очерчен и непрерывн, избегая резких изменений жесткости, которые могли бы концентрировать напряжения.Для болтовых соединений перенос нагрузки происходит через сдвига болта и подшипника, при этом трение сопротивление скольжения критических соединений обеспечивает дополнительный запас прочности против скольжения уровня обслуживания.

Сварные соединения передают нагрузки через сварное горло, при этом направление приложенной силы относительно оси сварного шва определяет эффективную прочность. Продольные филеварочные сварные швы, загруженные параллельно оси, демонстрируют иные режимы отказа, чем поперечные филеварочные сварные швы, загруженные перпендикулярно оси. Полные сварные швы с проникновением в сустав развивают полную прочность основного металла, что делает их предпочтительным выбором для первичных натяжных соединений в арочных мостах.

Эксцентриситет в геометрии соединения вводит вторичные моменты, которые необходимо учитывать в конструкции. Пластины гуссета, сплайс-пластинки и углы соединения должны быть расположены так, чтобы минимизировать эксцентричные пути нагрузки, где это возможно. Когда эксцентриситет неизбежен, соединение должно быть спроектировано так, чтобы противостоять комбинированным эффектам прямых сил и индуцированных моментов, часто требующих более толстых пластин или дополнительных усиливающих элементов.

Распределение стресса и концентрация

Концентрации напряжения при деталях соединения являются основной проблемой для арочных мостов, подверженных циклической живой нагрузке от движения, ветра и тепловых эффектов. Геометрические разрывы, такие как болтовые отверстия, сварные окончания и повороты повторного входа, создают локализованные напряжения, которые могут инициировать усталостные трещины. Коэффициент концентрации напряжения (Kt) при этих деталях зависит от геометрии перехода и отношения радиуса выемки к толщине члена.

Усталость конструкции арочных мостовых соединений следует концепции категорий деталей, определенных в спецификациях AASHTO или Eurocode. Каждой детали соединения присваивается постоянный порог амплитуды усталости (CAFT) и кривая усталости жизни на основе обширных экспериментальных испытаний. Детали с плавными дорожками нагрузки и постепенными переходами достигают более высоких категорий деталей и более продолжительного срока службы усталости, чем у тех, у кого резкие изменения в сечении или напряжении потока.

Инструменты анализа стресса, включая моделирование конечных элементов, позволяют инженерам оценивать распределение напряжений при сложных деталях соединения перед изготовлением. Локальная детализация сетки в болтовых отверстиях, сварных пальцах ног и краях пластин захватывает пиковые напряжения, которые регулируют усталостную производительность. Результаты направляют модификации деталей, такие как увеличение радиусов филе, добавление переходных сужений или перемещение сварных швов из областей с высоким напряжением для повышения усталостной устойчивости.

Системы защиты от коррозии

Стальные арочные мостовые соединения подвергаются воздействию условий окружающей среды, способствующих коррозии, включая влагу, соли для обледенения и загрязнители атмосферы. Системы защитного покрытия обеспечивают первичную защиту от коррозии, с типичными спецификациями, требующими очистки от взрыва до почти белого металла (SSPC-SP10), за которым следуют несколько покрытий из коррозионно-ингибитивного грунтовочного материала и прочных финишных покрытий. Богатые цинком грунтовки обеспечивают жертвенную защиту, которая продолжает защищать сталь даже там, где происходит незначительное повреждение покрытия.

Для соединений в особо агрессивных средах металлизация термическим распылением цинком или алюминием обеспечивает повышенную коррозионную стойкость с минимальным обслуживанием. Этот подход часто указывается для арочных мостов в прибрежных районах или районах с тяжелым промышленным загрязнением. Металлизированное покрытие уплотняет стальную поверхность и обеспечивает гальваническую защиту, которая предотвращает распространение коррозии под плёнкой.

Детали соединения должны быть сконструированы таким образом, чтобы избежать коррозионных ловушек, в которых могут накапливаться влага и мусор. Запечатанные коленные суставы, положительные дренажные пути и доступные поверхности для нанесения покрытий и проверки являются существенными особенностями конструкции коррозионно-стойкого соединения. Коррозия крема на подделывающих поверхностях болтовых соединений может быть смягчена путем уплотнения краев пластин с помощью гранул или нанесения грунтовки на все контактные поверхности перед сборкой.

Горячее цинкование предлагает альтернативную систему защиты от коррозии для соединений арочных мостов, особенно для более мелких компонентов и вторичных элементов. Полное цинковое покрытие обеспечивает как барьерную защиту, так и жертвенное действие, с типичным сроком службы от 50 до 75 лет в умеренных средах. Однако оцинковка высокопрочных стальных соединений требует тщательного контроля, чтобы избежать хрупкости водорода, и процесс может быть непрактичным для очень больших или сложных соединительных сборок.

Общие детали соединения в строительстве Арочного моста

Хотя каждый арочный мост представляет собой уникальные проблемы проектирования, несколько деталей подключения появляются неоднократно в успешных проектах. Понимание этих стандартных деталей обеспечивает основу для разработки индивидуальных решений, которые отвечают конкретным требованиям проекта, извлекая выгоду из проверенной истории производительности.

Базовые соединения плит

Арочные ребра-основания обычно используют тяжелые стальные базовые пластины, прикрепленные к бетонным причалам или примыканиям с высокопрочными якорными стержнями. Эти соединения должны противостоять большим силам сжатия, нагрузкам сдвига и опрокидывающим моментам, которые развиваются в точках пружин арки. Базовая пластина предназначена для распределения концентрированных сил ребра на достаточной площади, чтобы удерживать бетонные несущие напряжения в допустимых пределах.

В основу детализации пластины входят застывшие и гуссеты, которые передают силы ребра в пластину при управлении деформациями изгиба пластины. Для арочных мостов на сжимаемых основаниях соединение базовой пластины может включать в себя заколоченные или качающиеся детали, которые позволяют ограниченное вращение при сохранении положительной передачи нагрузки. Варианты осуществления якорного стержня должны удовлетворять как сопротивлению вытягиванию напряжения, так и требованиям к переносу сдвига, с дополнительными зацепами для сдвига, при условии, что одни только якорные стержни не могут противостоять силам сдвига конструкции.

Соображения последовательности конструкции имеют решающее значение для соединений базовых пластин, поскольку анкерные стержни должны быть точно расположены перед бетонным размещением. Шаблонные системы и регулируемые анкерные сборки обеспечивают соответствие локаций стержня изготовленному рисунку базовой пластины. Выгружающаяся под базовой пластиной после монтажа обеспечивает полный подшипник и защищает соединение от проникновения влаги.

Rib Splice Connections (Сплайс-соединение)

Сегменты арочных ребер соединяются на сплайсах полей с использованием болтовых покровных пластин или сварных прикладных соединений в зависимости от способа эрекции и структурных требований. Сплайсированные ребра обычно используют болты высокой прочности в критических соединениях с несколькими покровными пластинами, расположенными для развития полной емкости сечения ребра. Место сплайс выбрано для минимизации момента изгиба в соединении, часто в точках перегиба или вблизи позиций четверти пролета.

Сварные реберные сплайсы обеспечивают более чистый вид и устраняют требования к обслуживанию болтовых соединений, но они требуют жестких допусков на установку и тщательных процедур сварки в полевых условиях. Бэк-бары и временные выравнивающие приспособления помогают поддерживать правильную геометрию во время сварки, а послесварочный осмотр гарантирует, что качество сварки соответствует требованиям спецификации. Гибридные детали сплайсинга объединяют сварные ребра в пластины соединения в цехе с болтовыми сплайсами поля между сборными цехами подсегментами.

Конструкция сплайс-сплит должна учитывать трехмерную геометрию выравнивания арки, включая как вертикальную, так и горизонтальную кривизну. Сплайс-пластины часто сужаются или изогнуты в соответствии с профилем ребра, что требует детального развития рисунка магазина. Сплайс-соединение должно быть спроектировано для развития не менее 75 процентов емкости ребра в напряжении и сжатии с полным развитием силы сгиба сечения в местах с высоким моментом изгиба.

Hanger Connection детали

Вертикальные вешалки передают палубные нагрузки на ребра дуги через соединения как в верхней, так и в нижней точках крепления. Верхние вешалки к ребром арки обычно используют пластины или скобки, которые распределяют концентрированную силу вешалки в реберную сталь. Эти соединения должны вмещать любое угловое несоответствие между осью вешалки и центральной линией ребра, возникающее в результате кривизны дуги.

Нижние вешалки, соединяющиеся с балкой палубы или системой пола, должны передавать полное вешалочное напряжение в структуру палубы, обеспечивая при этом вращение, которое происходит при отклонении палубы под загрузкой движения. Сцепления с пин-концом обеспечивают необходимую свободу вращения, с штырями и несущими пластинами, предназначенными для ожидаемого диапазона движения по сроку службы моста. Для арочных мостов со связанными палубами вешалки на галстуковой балке также должны вмещать продольные движения от теплового расширения и сжатия.

Детали соединения подвески для вешалок обычно включают в себя разъемные или размещаемые концевые фитинги, которые крепятся к арке и палубе с помощью штифтовых соединений со сварными ковшами. Для штриховых вешалок резьбовые концы с пряжками обеспечивают регулировку натяжения и выравнивания. Система защиты от коррозии на вешалках должна быть тщательно детализирована, чтобы избежать попадания влаги в штифт и интерфейсы кабины, часто включающие герметичные подшипники или защитные ботинки, которые исключают загрязняющие вещества, позволяя при этом перемещаться.

Боковые тормозные соединения

Арочные мосты требуют боковых крепежных систем для сопротивления ветровым нагрузкам, сейсмическим силам и эффектам пристегивания вне плоскости. Соединения между боковыми брекетами и ребрами арки должны эффективно передавать осевые силы, при этом приспосабливая геометрическую сложность трехмерной компоновки крепления. Соединения пластин гуссета на пересечениях скобки на рифле обеспечивают необходимую передачу нагрузки через болтовые или сварные крепления.

В конструкции деталей сцепления скобки следует учитывать эксцентриситет и вторичные эффекты изгиба, возникающие в результате геометрии соединения. Для конфигураций K- и X-сцепления точки пересечения часто требуют промежуточных соединительных пластин, которые соединяют несколько элементов скобки с ребром арки. Эти соединения должны быть детализированы, чтобы избежать конфликтов стыковки и обеспечить требуемые повороты конца скобки.

Усталость боковых крепежных соединений особенно важна для мостов с высокой ветровой нагрузкой или значительным движением грузовиков. Циклическая ветровая нагрузка на арочные мосты может производить миллионы циклов напряжения в крепежной системе в течение срока службы моста. Детали соединения с низкими факторами концентрации напряжения и высокими категориями усталости необходимы для обеспечения долгосрочной долговечности боковой крепежной системы.

Hinge и расширение соединений

Арочные мосты включают шарнирные соединения в стратегических местах для управления внутренними силами и размещения движений от теплового расширения, ползучести и усадки. Арочные шарниры могут быть предусмотрены в короне, в точках пружины или в промежуточных местах в зависимости от структурной системы. Стальные шарнирные соединения используют заколоченные или скальные детали, которые позволяют вращаться при передаче осевых сил и сдвиге.

Коронные петли распространены в двухцепочечных и трехцепочечных арочных конфигурациях, где они устраняют момент изгиба на вершине арки и упрощают структурный анализ.Детали петли короны должны обеспечивать достаточную вращательную способность для размещения полного диапазона деформации арки при мертвой нагрузке, живой нагрузке и температурных эффектах.Для связанных арочных мостов шарнир на пересечении ребра арки и поясной балки требует тщательной детализации для передачи больших горизонтальных сил, позволяя при этом проектное вращение.

Подшипники расширения на опорах арки обеспечивают продольные перемещения при сохранении вертикальной опоры и бокового удерживания. Современные детали подшипников расширения используют раздвижные поверхности с материалами с низким коэффициентом трения, такими как политетрафторэтилен (ПТФЭ) против полированной нержавеющей стали. Эти подшипниковые сборки должны быть рассчитаны на весь диапазон движения, ожидаемого в течение срока службы моста, с положительными удерживающими устройствами для предотвращения отсеивания во время экстремальных событий.

В процессе первоначальной разработки следует рассмотреть вопрос о детализациях соединений шарнира и расширения, которые должны предусматривать возможность доступа к инспекции и техническому обслуживанию. Съемные крышки, платформы доступа и смазочные арматуры должны обеспечивать возможность контроля и обслуживания этих критически важных соединений в течение всего срока службы моста.

Подробная информация о соединении для изготовления и эрекции

Успешное строительство арочного моста зависит от деталей соединения, которые не только структурно адекватны, но и практичны для изготовления и монтажа. Конструктор соединения должен учитывать допуски, последовательность эрекции и доступ для операций сварки и болтов. Тесная координация между командой проектирования, цехом по изготовлению и командой полевого монтажа необходима для достижения необходимого качества и графика.

Производственные терпимости и Fit-Up

Соединения стальных арочных мостов требуют жестких допусков изготовления для обеспечения надлежащей установки во время сборки на местах. Размерные допуски для моделей соединительных отверстий, плоскости пластин и геометрии элемента указаны в ASTM A6 или требованиях к конкретным проектам. Для болтовых соединений типична толерантность к местоположению отверстия ±1/16 дюйма (1,5 мм), при этом для устранения незначительных смещений во время монтажа допускается перенасыщение отверстий.

Пробная сборка сложных деталей соединения помогает проверить установку перед доставкой на сайт. Для критических соединений могут потребоваться полномасштабные макеты, где геометрическая сложность увеличивает риск проблем с полевыми полями. Для сварных соединений подготовка кромки и углы скоса должны быть скреплены с жесткими допусками для достижения требуемого профиля сварки и проникновения.

Допуски к выведению для дуговых мостов более щедры, чем допуски к изготовлению, признавая кумулятивные эффекты отклонений члена и регулировок поля.Детали соединения должны вмещать эти допуски с прорезными отверстиями, штанговыми пластинами или регулируемыми несущими сборками. Негабаритные отверстия в соединительных пластинах позволяют регулировать поле при сохранении требуемой прочности болта через закаленные шайбы и надлежащем контроле крутящего момента.

Эрекция и временные связи

Последовательности возведения арочного моста часто требуют временных соединений, которые стабилизируют конструкцию до завершения постоянных соединений. Временная болтовка сварных соединений позволяет производить корректировки выравнивания перед сваркой и обеспечивает стабильность во время процесса сварки. Временные соединения должны быть рассчитаны на строительные нагрузки и условия ветра, ожидаемые в период эрекции.

Крейно-поднятые арочные сегменты обычно используют монтажные кронштейны и подъемные кронштейны, которые удаляются или покрываются после окончательного соединения. Эти временные крепления должны располагаться во избежание помех постоянным соединениям и для минимизации концентраций напряжения в готовой конструкции. Удаление временных креплений должно планироваться во избежание повреждения постоянной системы защиты от коррозии.

Для консольной возведения арочных мостов временные ниспады и задние остановки требуют надежных деталей соединения, которые могут противостоять силам высокого напряжения во время строительства. Эти временные соединения должны быть спроектированы по тем же конструктивным стандартам, что и постоянные соединения, но могут использовать более низкие факторы безопасности, согласующиеся с более короткой продолжительностью строительной нагрузки. Временные детали соединения должны быть четко отличимы от постоянных соединений в контрактных документах, чтобы избежать путаницы во время монтажа.

Контроль качества и проверка соединений

Программы контроля качества стальных соединений арочных мостов проверяют соответствие изготовления и полевого монтажа заданным требованиям. Процедуры инспекции включают визуальный осмотр, проверку размеров и неразрушающее тестирование как болтовых, так и сварных соединений. Уровень инспекции обычно определяется на основе классификации соединений и последствий отказа.

Инспекция с расширенным подключением

Для болтовых соединений проверка фокусируется на процедурах установки болтов, проверке крутящего момента и совместной установке. Инспектор проверяет, что болты должным образом стягиваются к указанному натяжению с помощью калиброванных гаечных ключей или путем наблюдения за крутящим моментом, указывающим на особенности болтов управления натяжением. Установки метода поворота гайки требуют проверки вращения гайки из состояния герметичности.

Случайное испытание крутящего момента на процент установленных болтов обеспечивает статистическую гарантию качества соединения. Неудавшиеся или несоответствующие болты заменяются и перепроверяются. Проверка также проверяет выступ болтов за пределами гайки, размещение стиральной машины и состояние подделывающих поверхностей в скольжение-критических соединениях. Любое свидетельство скольжения или движения во время испытаний требует переоценки конструкции соединения.

Инспекция сварного соединения

Сварные соединения требуют проверки на нескольких этапах, включая предварительную сварку, в процессе и после сварки. Предварительная проверка подтверждает, что условия совместной подготовки, установки и предварительного нагрева соответствуют спецификации процедуры сварки. Инспекция на этапе обработки контролирует параметры сварки, температуры пересечения и размещение сварных шариков для раннего обнаружения потенциальных дефектов.

Послесварной осмотр начинается с визуального осмотра готового сварного шва на предмет разрывов поверхности, включая трещины, подрез, пористость и неадекватный профиль. Неразрушающее тестирование следует за визуальным осмотром, при этом ультразвуковое тестирование применяется к сварным швам в первичных соединениях. Испытание магнитных частиц обнаруживает разрывы поверхности и ближнего слоя поверхности, в то время как рентгенологическое тестирование обеспечивает внутреннее обследование критических сварных швов. Критерии приема разрывов сварного шва указаны в коде проекта сварки и контрактных документах.

Достижения в технологии стальных соединений для арочных мостов

Последние разработки в технологии стальных соединений расширяют возможности для проектирования и строительства арочных мостов. Высокопроизводительные стальные материалы, передовые инструменты анализа и инновационные системы соединений обеспечивают более длинные пролеты, более легкие конструкции и более эффективные методы строительства. Эти достижения продолжают раздвигать границы того, что достижимо в строительстве стальных арочных мостов.

Интеграция информационного моделирования зданий (BIM) и автоматизированного проектирования и изготовления (CAD/CAM) повысила точность и эффективность детализации соединений. Координация трехмерной модели выявляет конфликты помех до изготовления, а автоматизированная детализация стали генерирует чертежи цеха непосредственно из структурной модели. Эти цифровые инструменты уменьшают ошибки, ускоряют процесс детализации и улучшают связь между командами проектирования и изготовления.

Сборные системы соединения, включающие встроенные функции выравнивания и устройства индикатора претензии, упрощают сборку на местах и улучшают обеспечение качества. Умные крепежные элементы со встроенными датчиками деформации открывают потенциал для мониторинга сил соединения в режиме реального времени во время строительства и обслуживания. Продолжающееся развитие этих технологий еще больше повысит надежность и эффективность стальных соединений в конструкции арочного моста.