Ыстық дайындалған болат – заманауи көпір құрылысы үшін қалаған материал

Көпірлердің құрылысы үшін ыстық дайындалған болат XIX ғасырдың аяғынан бері орта және ұзын көпір аралықтарында басым материал ретінде қолданылып келеді, сонымен қатар құрылыс инженериясы мен материалдар ғылымындағы жетістіктерге байланысты оның рөлі төмендеген емес, керісінше кеңейіп келеді. Негізгі себептер болаттың механикалық қасиеттерінде жатыр: күштіліктің салмағына қатынасы жоғары болғандықтан, темірбетон немесе алдын ала керілген темірбетондық құрылымдарға қарағанда ұзын аралықтарды тереңдігі аз конструкциялық элементтермен жасауға мүмкіндік береді; жақсы пластикалық қасиеті – бұл бұзылуға дейін көрінетін деформация арқылы ескерту береді; болжанатын циклдық тозу қасиеті – бұл инженерлерге циклдық көлік жүктемесі әсерінен белгілі бір қызмет көрсету мерзімін ескере отырып, конструкцияны есептеуге мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта көпірлердің құрылысы үшін ыстық дайындалған болатты таңдайтын көпір инженерлері қытай стандарты GB/T 714 бойынша мақсатты түрде дайындалған Q345qD, Q370qD және Q420qD маркаларын немесе америкалық көпірлердің техникалық талаптары бойынша ASTM A709 маркаларын (36, 50 және 50W) қолданады. Бұл материалдар ғимараттар үшін қолданылатын болаттардың жалпы құрылымдық қасиеттерін қосымша талаптармен үйлестіреді: төмен қызмет көрсету температураларындағы шығыршық беріктігі, өте керілген дәнекерленген қосылыстар үшін қиманың бойынша созылу қасиеттері, сонымен қатар ауа-райына төзімді маркалар үшін атмосфералық коррозияға төзімділік – бұл көпірдің қызмет көрсету мерзімі ішінде қолайлы ортада бояу жүйесін қолданудың қажетін жоғалтады. Көпір типі қарапайым плиталық арқалық өткел болса да, үздіксіз ферма, болат арка немесе ортотропты болат қабаты бар арқалықтың қабырғасындағы кабельді көпір болса да, ыстық дайындалған болаттың плиталары мен профилдері осы әртүрлі құрылымдық формаларды жасау үшін негізгі материалдық базаны қамтамасыз етеді.

Көпір болатының материалдық маркалары мен беріктік талаптары

Көпірлерге арналған болат маркалары жалпы құрылымдық маркалардан негізінен беріктік талаптары бойынша ерекшеленеді, бұл көпірлердің қыста төмен қызмет көрсету температурасында сүйекті сындың пайда болуын болдырмау үшін қажет, сонымен қатар дәнекерленген қосылыстар, бұрандалы тесіктер мен геометриялық бұзылулар маңында пайда болатын циклдық шығысу сызаттарының таралуына қарсы тұру үшін қажет. GB/T 714 стандарты бойынша (Қытайдың көпірлерге арналған құрылымдық болатқа арналған стандарты), Q345qD маркасының бойлық бағытта -20 °C температурада ең аз Шарпи V-тілімді ударлық энергиясы 34 Дж болуы тиіс, ал Q370qD және Q420qD маркалары осы беріктік талабын жоғары аққыштық шегі деңгейлерінде сақтайды. 'D' әрпі төмен температурадағы беріктікке сәйкестікті көрсетеді және осы маркаларды жалпы құрылымдық маркалардан (Q345B, Q345C) ажыратады, өйткені соңғылары көпірлердің қызмет көрсету талаптарын қанағаттандырмауы мүмкін. Аса суық аймақтардағы көпірлер үшін -40 °C температурада ударлық сынақтары жүргізілген Q345qE маркалары қол жетімді. Халықаралық деңгейде ASTM A709 Grade 50W маркасы 345 МПа аққыштық шегін қамтамасыз етеді, сонымен қатар ұқсас беріктік талаптарын қанағаттандырады және қорғаныс қабатын түзуге мүмкіндік беретін ауа-райына төзімділік қасиетін ('W' белгісі) қосады, бұл бояуды азайтуға немесе жоюға мүмкіндік береді. Көпірлердің құрылысы үшін ыстық дайындалған болатты сатып алушылар өндірушінің сынақ сертификаттарында нақты көпірлерге арналған болат маркалары мен ударлық сынақ нәтижелері көрсетілгенін тексеруі тиіс, өйткені бірдей созылу қасиеттерін қанағаттандыратын жалпы құрылымдық маркалармен ауыстыру көпірлердің конструкциялық нормалары бойынша қабылданбайды.

Ауа-райына төзімді болат және өмірлік цикл бойынша коррозияны басқару

Көпірлердің құрылысындағы ыстық дайындалған болат үшін ең маңызды жетістіктердің бірі — ауа-райына төзімді болат маркаларының кеңінен қолданылуы болып табылады; олар ылғалды және құрғақ атмосфералық циклдарға ұзақ уақыт қатыса отырып, тығыз, жақсы ұсталатын оксид қабатын түзеді. Бұл патина әдетте 18–36 ай ішінде тұрақты қара-қоңыр немесе күлгін-қоңыр түске ие болады және қолайлы экологиялық жағдайларда коррозия жылдамдығын ғасыр сайын шамамен 0,025 мм-ге дейін біртіндеп баяулататын кедергі ретінде әрекет етеді. Америка Құрама Штаттарында ASTM A709 Grade 50W (және тарихи тұрғыдан алғанда ASTM A588) маркасы ондаған мыңдаған автокөлік көпірлерінде қолданылған, әсіресе көпір су шашыратылуынан, еріткіш тұз буынан немесе 80 пайыздан астам тұрақты жоғары ылғалдылықтан ұзақ уақыт ылғалданбайтын орындарда. Қытайда Q355NH және оған ұқсас ауа-райына төзімді маркалар да осы қызметті атқарады, сонымен қатар автокөлік және темір жол көпірлерінде олардың қолданылуы үнемі өсіп келеді. Боялмаған ауа-райына төзімді болаттың өмірлік цикл бойынша құнындағы артықшылық өте маңызды: Америкалық темір және болат институты сияқты мамандандырылған ұйымдардың зерттеулеріне сүйенсек, 100 жылға есептелген конструкциялық өмірлік цикл бойынша бастапқы бояу мен кезекті қайта бояуды болдырмау конвенционалды боялған болат көпірлерімен салыстырғанда 30–50 пайызға дейін ұзақ мерзімді ұсталу шығындарын төмендетеді. Алайда, конструкциялау өте маңызды: ауа-райына төзімді болат көпірлері су мен қалдықтардың жиналуын болдырмау үшін арнайы конструкциялық шешімдерді талап етеді — ашық су ағызу жүйесі, қажет болған жағдайда ішкі қораптардың герметизациялануы және су жиналатын горизонталь беттерден болдырмау, себебі қорғаныштық патина болат тұрақты ылғалдылықта болған кезде пайда болмайды.

Көпірлердің құрылысындағы бұйымдарды дайындау және орнату артықшылықтары

Көпірлердің құрылысы үшін ыстық катталған болат құрылыс жұмыстарының мерзімі мен құрылыс шығындарына тікелей әсер ететін дайындау мен орнату логистикасында маңызды артықшылықтарға ие. Көпірлердің болат арқалықтары — олар ыстық катталған болат плиталарынан жасалған плиталық арқалықтар немесе ауыр кең қабырғалы бөліктерден жасалған катталған арқалық көпірлер болсын — 40–80 метрлік тонна салмағында, автокөлік немесе баржа арқылы құрылыс алаңына жеткізуге болатындай өндіріс орындарында жинақталады. Бұл өндіріс орындарындағы дайындау тәсілі ең сапаға қойылатын талаптарды қанағаттандыратын операцияларды — қабырғалар мен қосылу жерлерінің толық тереңдіктегі бүйірлік дәнекерлеуі, композиттік еденге қысымдық қосымша байланыс элементтерін орнату үшін дәнекерлеу және иілу мен иілу бұрышының өлшемдік бақылауын — автоматтандырылған дәнекерлеу жабдықтары мен жүйелік бұзылмайтын сынақтары бар бақыланатын зауыттық ортада орналастырады. Құрылыс алаңында болат көпірлерді орнату жылдам: мобильді крандарды пайдаланып, екі аралықты құрылыс жолы көпірін (болат плиталық арқалықтармен) бір-екі аптада орнатуға болады, ал қалыптарды орнату, қату циклдарын күту және уақытша қолдау құрылғыларын қажет ететін монолитты бетон құрылысы үшін бұл процесс бірнеше айға созылады. Активті автомобиль жолдары, темір жолдары немесе су жолдары үстінен өтетін көпірлер үшін осы жылдам орнату мерзімі трафиктің бұзылуын азайтады, уақытша құрылыс шығындарын төмендетеді және жалпы жоба мерзімін қысқартады. Критикалық жолдан тыс болат бөліктерді алдын ала жинақтау мүмкіндігі мен оларды жоспарланған жабылу ретімен орнату — бұл болат көпірлердің құрылысының негізгі артықшылығы, оны монолитты бетонды құрылысқа қарағанда қайталау қиын.

Көпір құрылысы сценарийі: Автомагистраль үстіндегі плиталы аркалы көпір

Екі аралықты үздіксіз автожол өтпесінің сатып алуы мен дайындалуын қарастырыңыз: аралықтардың ұзындығы әрқайсысы 35 метр, жалпы көпір ені 12 метр, негізгі бойлық элементтер ретінде төрт дәнекерленген плиталық аркалар. Көпір инженері аркалардың қабырғалары мен жақтары үшін Q345qD ыстық катталған болат плитасын белгілейді; плитаның қалыңдығы 16 мм-ден 40 мм-ге дейін, ал плиталық материалдың ені 3500 мм-ге дейін болуы тиіс, осылайша бойлық қабырғалардағы қосылуларды азайтуға болады. Талаптарда барлық толық пена енгізілетін басқаға қосылулардың 100 пайызын ультрадыбыстық сынау, созылғыш жақтарда қолданылатын әрбір плитадан Шарпи V-ойығы сынауы және иілу параметрлерінің өлшемдік тексерілуі — дизайн профилінен ±5 мм ауытқуға рұқсат етіледі. Тендер кезеңінде болат дайындаушысы көпір құрылысы үшін ыстық катталған болат тұтынушыларын бағалайды: олар Q345qD плитасын GB/T 714 өндіріс сертификаты бар мартта қажетті Шарпи мәндерімен ұсына алуы, плиталардың біркелкі жазықтығы аркаларды жинау кезінде құрама уақытты азайтуға мүмкіндік беруі және төрт арканың дайындалу кестесіне сәйкес келетін жеткізу кезеңдерін қамтамасыз етуі тиіс. Тяньцзинь порты арқылы интеграцияланған логистикасы бар тұтынушы — Солтүстік Қытайдағы болат экспорттары үшін негізгі кіріс қақпасы — контейнерлік және шашыранды жеткізулерді ұйымдастыра алады, олар плиталық материалдарды көпірдің көлденең рамалары мен қатаюшы элементтері үшін құрылымдық профильдермен бірге жеткізеді. Тяньцзинь Хэнгрұнлонг импорт пен экспорт шектік жауапкершіліктік қоғамы (Tianjin Hengrunlong Import and Export Co., Ltd.) көміртегілі болат плиталары мен орамдары, Н-тәрізді аркалар және коррозияға төзімді болат сияқты әртүрлі өнімдерді өндіреді; осындай көп өнімді сатып алу мүмкіндігі көпірлерді дайындаушылар мен жұмыс істейтін компанияларға болат өнімдерінің әртүрлі санаттары бойынша үйлесімді материалдық жеткізуі талап етілетін жобалар үшін өте ыңғайлы болып табылады.

Көпір түрлері бойынша дизайнның икемділігі

Көпірлердің құрылысы үшін ыстық дайындалған болат әртүрлі құрылымдық түрлерді қолдануға мүмкіндік береді, олардың әрқайсысы болаттың механикалық және өңдеу сипаттамаларының әртүрлі аспекттерін пайдаланады. 20–100 метр аралығындағы автожол көпірлері үшін ең кең тараған түр — плиталы аркалы көпірлер, онда ыстық дайындалған болат плитасы кесіледі, дәнекерленеді және қатаңдатылады; нәтижесінде I-тәрізді аркалар пайда болады, олар әрбір аралық үшін нақты илу моменті мен жанама күштердің эпюраларына сәйкес оптималды түрде іріктеледі: теріс моменттер ең жоғары болатын тірекке жақын орналасқан қабырғалардың қалыңдығы арттырылады, ал оң моменттер басым болатын ортаңғы бөлікте қалыңдығы азаяды. 60–300 метр аралығындағы көпірлер үшін экономикалық шешім — фермалы көпірлер, онда ыстық дайындалған болат бұрыштары, каналдары және кең қабырғалы бөліктер ферманың қабырғалары мен торлары ретінде қолданылады; ашық торлы құрылым жел жүктемесін азайтады және ішкі резервтілік қамтамасыз етеді — бір диагональды элементтің бұзылуы әдетте көпірдің құлауына әкелмейді. Ең ұзын аралықтар үшін — 200–1000 метрден астам аралығы бар арқалы көпірлер мен одан да ұзынырақ аспалы көпірлер үшін ыстық дайындалған болат плита ортотропты көпір бетін құрайды, яғни қатаңдатылған плита жүйесі, ол бір уақытта қозғалыс қозғалысын қабылдайтын бет, бойлық арка және желге қарсы кедергі көрсететін көлденең элемент болып табылады; бұл құрылымдық тиімділік көпірлердің осындай аралықтарында бетонды көпір бетінің альтернативаларымен теңестірілмейді. Барлық осы көпір түрлерінің ортақ белгісі — инженердің болат шешімін (плитаның қалыңдығын таңдау, қатаңдатқыштардың орналасуын және дәнекерлеу ретін) нақты орын, аралық пен жүктеме шарттарына сәйкес қалыптастыру қабілеті.

Шарықтыруға қарсы жобалау және ұзақ мерзімді құрылымдық тұрақтылық

Темірбетон көпірлердің құрылысы үшін ыстық дайындалған болаттың ескіруге төзімділігі – негізгі конструкциялық ескерілетін фактор, себебі көпірлер өз жобалық мерзімінде көлік жүктемесінен миллиондаған циклдық кернеулерге ұшырайды. Болаттың ескіру әрекеті жақсы зерттелген S-N қисықтарына (кернеу ауқымы мен бұзылуға дейінгі циклдар саны) бағынады, олар AASHTO, Eurocode 3 және GB 50017 стандарттарында әртүрлі қосылу детальдарының категориялары үшін нормативті түрде белгіленген. Темірбетон көпірлердегі ескіруге ең көп әсер ететін детальдар – дәнекерленген бекітпе элементтері: көлденең қатаңдандырғыштардың дәнекерленуі, қаптау пластиналарының аяқталуы және қосымша пластиналардың қосылуы, мұнда дәнекер табанындағы кернеу концентрациялары қайталанатын жүктеме әсерінен трещиналардың пайда болуына әкеледі. Қазіргі заманғы көпірлерді жобалау ескіруге қарсы шараларды детальдарды таңдау арқылы жүзеге асырылады: қатаңдандырғыштардың бұрыштарында үзіліссіз бұрыштық дәнекерлерді, фланецтердің қосылуында толық қосылу тереңдігімен жасалған және бетін жоғары сапалы өңдеген дәнекерлерді таңдау, сонымен қатар мүмкіндігінше созылуға ұшырайтын фланец аймақтарында бекітпе элементтерін орналастырмау. Бар көпірлер үшін ескіру өмірін ұзарту үшін ультрадыбыстық соққылы өңдеу сияқты жаңғырту әдістері қолданылады; бұл әдіс дәнекер табанында трещиналардың пайда болуын тежейтін сығылу қалдық кернеулерін енгізеді немесе анықталған трещина ұштарына трещина тоқтату үшін тесіктер ашу арқылы жүзеге асырылады. Көпірлердің қызмет көрсету тәжірибесі мен зертханалық сынақтар негізінде бір ғасырдан астам уақыт бойы зерттелген болаттың жақсы сипатталған ескіру әрекеті көпірлерді жобалаушыларға 100–120 жылға созылатын белгіленген қызмет көрсету мерзімін ескере отырып, барлық құрылымды жалпы бақылау емес, тек белгілі ескіруге ұшырайтын критикалық детальдарға бағытталған тексеру мен жөндеу бағдарламаларын құруға кепілдік береді.