Преимущества использования волоконно-укрепленных полимеров в ремонте моста Трусс

Почему оптоволоконные полимеры меняют ремонт моста

Трусовые мосты являются основой многих транспортных сетей, перевозящих автомобильные и железнодорожные перевозки по рекам, долинам и другим препятствиям. Эти стальные или деревянные конструкции, по своей природе прочные, сталкиваются с неустанным воздействием погоды, тяжелых нагрузок и времени. Коррозия в стальных элементах, усталостное растрескивание в суставах и повреждение от перегрева транспортных средств являются распространенными проблемами, которые требуют экономически эффективных, долговечных ремонтных решений. В прошлом ремонт означал вырезание поврежденных секций и сплайсинг в новой стали - дорогостоящий, трудоемкий процесс, который часто требовал временных опор и длительных замыканий полосы. Сегодня волоконно-укрепленные полимеры (FRPs) предлагают более разумную альтернативу. Эти передовые композиционные материалы могут восстанавливать и даже увеличивать грузоподъемность стареющих ферм с минимальным нарушением движения, отсутствием ржавчины и сроком службы, измеряемым десятилетиями.

Переход к FRPs в мостостроении не является причудой - это практический ответ на насущную необходимость восстановления инфраструктуры. С более чем 40% мостов в США старше 50 лет и многими оцененными структурно неполноценными, транспортные агентства ищут быстрые, долгосрочные методы ремонта. FRPs соответствуют требованиям: они легкие, просты в обращении на месте и невосприимчивы к коррозии, которая поражает сталь. В этой статье рассматриваются наука, стоящая за FRPs, их конкретные преимущества для ремонта мостов, реальных приложений и того, что будущее ждет эту технологию.

Что такое волокноукрепленные полимеры?

Клетчато-армированные полимеры представляют собой композиционные материалы, созданные путем встраивания высокопрочных волокон в полимерную смоловую матрицу. Волокна обеспечивают прочность на растяжение и жесткость, в то время как смола связывает волокна вместе, переносит нагрузки между ними и защищает их от воздействия окружающей среды. Результатом является материал, который может быть спроектирован для лучшей работы, чем сталь на основе фунта за фунт.

Типы волокон

Полимерные матрицы

Смоловая система может быть термореактивной, такой как эпоксидный, полиэстер или виниловый эфир, или термопластичной, такой как полипропилен или нейлон. Для применения в мостах термореактивные установки, особенно эпоксидные, являются доминирующими из-за их высокой прочности, отличной адгезии к стали и бетону и превосходной стойкости к химическим веществам и влаге. Виниловые эфиры часто используются, когда требуется более быстрое отверждение или лучшая огнестойкость. Выбор матрицы влияет на долговечность, работоспособность и стоимость композита.

Производственные формы

FRP доступны в виде многослойных профилей (твердые стержни, полосы или пользовательские формы), в виде влажных накладных тканей или предварительно пропитанных (препреговых) листов и в качестве предварительно пропитанных ламинатов. Для ремонта моста с фермой влажные накладные листы из углеродного волокна наиболее распространены, потому что они соответствуют нерегулярным геометриям, таким как фланцы и паутины стальных углов и каналов, и могут применяться без удаления существующего элемента. Многослойные углеродные или стеклянные полосы используются, когда требуется механически закрепленная или скрепленная армирующая полоса, например, вдоль натяжного аккорда фермы.

Основные преимущества FRP для ремонта моста Трасс

FRPs предлагают сочетание преимуществ, которые традиционные ремонтные материалы не могут сравниться. Эти преимущества превращаются в более быстрые, безопасные и более экономичные проекты.

1.Устойчивость к коррозии

Стальные элементы моста уязвимы для ржавчины - особенно в морской среде, обледенение солевым спреем и зонами с высокой влажностью. Коррозия уменьшает сечение сетки члена, ослабляет соединения и может привести к внезапному отказу, если не обнаружена. FRP, напротив, по своей природе не металлические и не корродируют. При использовании для обертывания или замены стальных деталей они образуют постоянный барьер, который закрывает влагу и хлориды. Даже если основная сталь продолжает медленно корродировать, FRP обертка обеспечивает дополнительную прочность, которая может поддерживать мост в эксплуатации до полной замены.

2. Легкий и простой в установке

Листы из углеродного волокна весят примерно 200-600 г/м2, что составляет долю веса стальных пластин эквивалентной прочности. Один техник может перевозить рулоны ткани FRP на ремонтную площадку без крана. Это меняет правила игры для мостов, где доступ ограничен - по воде, в узких городских районах или где дорожный просвет препятствует использованию тяжелого оборудования. Ремонт может быть выполнен с манипуляторов или лесов, уменьшая закрытие трафика от недель до дней.

3. Отношение силы к весу

Один слой однонаправленной ткани из углеродного волокна может обеспечить прочность на растяжение, эквивалентную стальной пластине толщиной 3 мм, при этом добавляя к конструкции ничтожную мертвую нагрузку. Это критически важно на мостах с фермами, где самовес уже является значительной частью проектной нагрузки. Перегрузка моста тяжелыми стальными пластырями может вытолкнуть его за пределы его первоначальной емкости в других элементах. Усиление FRP добавляет прочность без увеличения гравитационных нагрузок.

4.Усталость и устойчивость к циклической нагрузке

Трусовые мосты видят миллионы циклов нагрузки на трафик в течение своей жизни. У стальных элементов могут развиваться усталостные трещины при концентрациях стресса, особенно при сварных или клепаных соединениях. Композиты из углеродного волокна имеют отличную усталостную устойчивость - они могут выживать миллионы циклов при высоких уровнях стресса без деградации. Обвязанные листы FRP также помогают распределять циклические напряжения от критических сварных швов, продлевая срок службы усталости всей фермы.

5 Адаптация к сложным геометриям

Трусовые мосты имеют много уникальных деталей соединения - пластины гусеницы, шнуровочные решетки, штифтовые соединения и изогнутые элементы. Сборные стальные ремонты трудно подогнать именно к этим формам. Мокрый уклад FRP можно разрезать на месте и обернуть вокруг любого контура - даже внутри закрытых ящиков или вокруг заклепок без их удаления. Эта гибкость устраняет необходимость в дорогостоящем изготовлении на заказ.

6. Снижение дорожного движения и стоимости жизненного цикла

Поскольку ремонт FRP является быстрым и требует минимального оборудования, закрытие полосы может быть коротким - часто ночью или в выходные дни. Избежаемые затраты на задержку пользователя могут быть огромными. Кроме того, долгосрочное обслуживание FRP минимально: нет покраски, нет катодной защиты, нет периодического затягивания болта. Начальная более высокая стоимость материала углеродного волокна часто компенсируется экономией при установке и увеличенным интервалом перед следующим ремонтом.

Практическое применение в ремонте моста Трусс

ФРП не ограничиваются одним типом ремонта. Инженеры находят инновационные способы их применения по всей конструкции.

Укрепление напряженности и компрессии членов

Для члена фермы, который потерял поперечное сечение из-за коррозии или который должен нести более высокие нагрузки, однонаправленные листы углеродного волокна прикреплены к натяжной стороне элемента (нижняя хорда или диагональ в напряжении) или обернуты вокруг членов сжатия, чтобы обеспечить удержание и улучшить сопротивление припряжке. Во многих случаях FRP используется в сочетании с небольшим количеством внешнего угла стали или пластины для создания гибридной системы.

Ремонт плит и соединений Gusset

Гуссетные пластины — стальные пластины, соединяющие элементы фермы в точках панели, — часто являются местом усталостных трещин. Патчирование сталью требует бурения новых болтовых отверстий, которые могут дополнительно ослабить пластину. Накладка FRP связана по всей площади пластины гусета, преодолевая трещины и передавая нагрузку вокруг поврежденных областей. Композит также обеспечивает защитное покрытие от будущей коррозии.

Ухудшение стальной куртки Deteriorated Steel Jacketing

В некоторых старых мостах нижняя часть вертикальных элементов заключена в бетон для защиты от удара. Этот бетон может блестеть, улавливая влагу против стали. Обертки FRP наносятся непосредственно на существующий бетон и сталь, герметизируя систему и добавляя прочность обруча, чтобы предотвратить дальнейшее ухудшение.

Замена удаленных корродированных членов на формы FRP

Для сильно поврежденных вторичных элементов (ветровое крепление, боковое крепление, рамки с качанием) инженеры иногда удаляют старую сталь и заменяют ее на форму с пультюрированной стекловолокном. Они закрепляются на месте с использованием креплений из нержавеющей стали. Хотя этот подход не является общим для первичных несущих элементов, он устраняет коррозию в будущем в труднопроверяемых местах.

Пост-напряжение с FRP-тендонами

В трусовых мостах, страдающих от чрезмерного отклонения, могут быть добавлены внешние постнапрягающие сухожилия из углеродного волокна (CFRP). Эти сухожилия проходят по нижнему аккорду и напрягаются для введения камбера и снижения уровня стресса. Сухожилия CFRP легче стали, не имеют проблем с коррозией и легче устанавливаются в ограниченных пространствах.

Сравнение с традиционными методами ремонта

Всякий раз, когда владелец моста рассматривает FRP, он должен взвесить его против ремонта стали или бетона. В таблице ниже приведены основные различия:

Анализ стоимости жизненного цикла последовательно показывает, что ремонты FRP становятся конкурентоспособными по стоимости в течение 10-15 лет и часто являются наиболее экономичным выбором для мостов с 20-летним оставшимся сроком службы.

Избранные тематические исследования

Реконструкция моста I-35W в Миннеаполисе

После катастрофического обрушения моста через реку Миссисипи I-35W в 2007 году, в замещающей конструкции (открыт 2008 год) использовалась конструкция палубной фермы со значительным использованием FRP в мостовой палубе. Хотя сам по себе проект не был ремонтом, проект продемонстрировал жизнеспособность крупномасштабного применения FRP в трусовых мостах. Палуба FRP весила на 80% меньше, чем бетонная альтернатива, уменьшая нагрузку на ферму и позволяя более простой дизайн фундамента.

Мост No 82 через реку Покомоке, Мэриленд

В 2015 году администрация шоссе штата Мэриленд использовала ткань из углеродного волокна для ремонта коррозионных стальных ферм на историческом мосту через трус. Обертав 20 участников двумя слоями углеродного волокна, мост был восстановлен до первоначального рейтинга нагрузки без изменения его внешнего вида, что важно для его исторического статуса. Ремонт занял три недели вместо предполагаемых четырех месяцев для замены стали, сэкономив 1,2 миллиона долларов.

Мост No 34 над рекой Фокс, штат Висконсин

Мост из 120-футовой пони-трассы, страдающий от тяжелой потери сечения в нижних аккордах, был модернизирован комбинацией пластин из склеенного углеродного волокна и политрунных стекловолоконных полос. Ремонт восстановил полную грузоподъемность и устранил необходимость размещения нагрузки. После пяти лет мониторинга деградации композитной системы не наблюдалось. [Источник: Journal of Bridge Engineering, ASCE]

Эти примеры показывают, что ремонтные работы не являются экспериментальными, они проверены в реальных инфраструктурных проектах, часто в агрессивных полевых условиях.

Дизайн-соображения и проблемы

Несмотря на свои преимущества, ремонт моста FRP требует тщательной инженерии. Связь между композитом и стальной подложкой имеет решающее значение - подготовка поверхности должна быть к отделке белым металлом (почти белая очистка от взрыва, SSPC-SP10) для достижения надежной адгезии. Любое масло, грязь или ржавчина поставят под угрозу связь. Кроме того, эпоксидный клей, используемый для связывания, чувствителен к температуре и влажности во время применения; холодная погода или дождь могут задержать работу.

Еще одной проблемой является огнестойкость. Полимерные смолы могут смягчаться или гореть при высоких температурах, хотя интумсентные покрытия могут обеспечивать до двух часов защиты. Для мостов в туннелях или вблизи легковоспламеняющихся материалов может потребоваться дополнительная противопожарная защита.

УФ-излучение может деградировать смолу в течение многих лет, но большинство FRP-систем покрыты УФ-стойким верхним пальто или краской. Регулярный осмотр композитной поверхности все еще необходим.

Наконец, отсутствие пластичности в FRP (он ведет себя линейно-упругим образом до отказа) означает, что инженеры должны проектировать для нескольких слоев безопасности. Американский бетонный институт (ACI 440.2R) и Международная федерация структурного бетона (Fib Bulletin 14) предоставляют руководящие принципы для проектирования и контроля качества.

Будущие события и перспективы

Область ремонта мостов FRP стремительно развивается. Исследователи разрабатывают гибридные волокна, где углерод и стекло объединяются для оптимизации стоимости и производительности. Проводятся испытания самочувствующих композитов, которые могут обнаруживать деформацию или повреждение через изменения электрического сопротивления. Эти «умные» FRP могут однажды обеспечить структурный мониторинг здоровья в режиме реального времени без отдельной установки датчика.

Еще одним перспективным направлением является использование биосмол, полученных из растительных масел, которые уменьшают углеродный след ремонтных материалов. Также решается вопрос утилизации отходов ПФР — термические и химические процессы могут восстанавливать волокна, делая материал более устойчивым.

По мере того, как запасы мостов в США и во всем мире продолжают стареть, спрос на быстрые, долговечные и экономически эффективные решения для ремонта будет только расти. Волоконно-армированные полимеры уже являются стандартным инструментом во многих государственных DOT и, вероятно, станут выбором по умолчанию для большинства ремонтных работ моста в течение следующего десятилетия.

Инженеры и владельцы мостов, которые понимают преимущества и ограничения материалов FRP, будут лучше всего расположены для продления срока службы жизненно важной инфраструктуры, сохраняя при этом движение трафика и бюджеты под контролем.