Топло валчан челик како претпочитан материјал за современо инженерство на мостови

Топло валчаната челик за изградба на мостови е доминантен материјал од крајот на XIX век за мостови со средна и долгa распон, а нејзината улога се проширила, а не намалена, со напредокот во структурното инженерство и науката за материјали. Основните причини лежат во механичките својства на челикот: висок однос на јачина кон тежина што овозможува подолги распони со помала структурна дебелина во споредба со алтернативите од армиран или претнапрегнат бетон, одлична дуктилност што обезбедува предупредување пред неуспех преку видлива деформација и предвидливо однесување при замор што овозможува на инженерите да дизајнираат за специфични барани временски периоди на службена употреба под циклично товарење од сообраќајот. Инженерите за мостови кои денеска специфицираат топло валчан челик за изградба на мостови работат со посебно развиени класи како Q345qD, Q370qD и Q420qD според кинескиот стандард GB/T 714 или класи ASTM A709 36, 50 и 50W според американскиот стандард за мостови. Овие материјали комбинираат општите структурни својства на челиците за градење со дополнителни баранки за отпорност на зголемен удар при ниски температури на работа, затегачки својства низ дебелината за силно ограничени заварени врски и, во случај на класи отпорни на временски услови, отпорност на атмосферска корозија што може да отстрани потребата од применување на бојлаци за време на целокупниот животен век на мостот во соодветни околини. Дали типот на мост е едноставен плочест греден премин, непрекината решеткаста конструкција, челична лак-конструкција или кабелско-поддржана конструкција со ортотропна челична пластина, топло валчаните челични плочи и профили обезбедуваат материјалната основа од која се изработуваат овие разновидни структурни форми.

Материјални класи и барани вредности за жилавост на челикот за мостови

Челичните марки специфични за мостови се разликуваат од општите конструкциски марки првенствено по бараните вредности на ударната врздржливост, што е суштинско за спречување на кртото ломење при ниските работни температури на кои мостовите се изложени во зимски услови, како и за отпорност кон ширење на уморни цврстина кои започнуваат во зоните со концентрација на напрегање околу заварените врски, отворите за болтови и геометриски прекини. Според стандардот GB/T 714 за конструкциски челик за мостови во Кина, марката Q345qD мора да покаже ударна енергија по Чарпи V-резен од најмалку 34 J при -20 °C во лонгитудинален правец, додека марките Q370qD и Q420qD задржуваат иста барана врздржливост на пониски температури, но на повисоки нивоа на граница на течност. Суфиксот „D“ укажува на квалификацијата за врздржливост на ниски температури и ги разликува овие марки од нивните општи конструкциски аналоги (Q345B, Q345C), кои можеби не ги исполнуваат бараните услови за употреба на мостови. За мостови во екстремно студени региони, достапни се марки Q345qE со испитување на ударната врздржливост при -40 °C. На меѓународно ниво, ASTM A709 класа 50W обезбедува граница на течност од 345 MPa со слични спецификации за врздржливост и дополнителна предност во вид на атмосферска отпорност (ознаката „W“), што овозможува формирање на заштитен патин, намалувајќи или целосно отстранувајќи ја потребата од бојање. Тимовите за набавка кои набаваат топло валцуван челик за изградба на мостови мора да потврдат дека сертификатите за испитување од млинот вклучуваат специфични ознаки за челикот за мостови и резултатите од испитувањата на ударната врздржливост, бидејќи замената со општи конструкциски марки кои случајно исполнуваат исти вредности за затегачките својства не е дозволена според кодовите за проектирање на мостови.

Челик отпорен на временски услови и управување со корозија во текот на животниот век

Едно од најзначајните достигнувања во производството на топло валчан челик за градење на мостови е широко распространетата употреба на челици со отпорност на временски услови, кои формираат густ, прилепливо оксиден слој кога се изложени на алтернирачки влажни и суви атмосферски циклуси. Ова патина, која обично се развива во период од 18 до 36 месеци до стабилна тамно-кафеава или лилаво-кафеава боја, делува како бариера што постепено забавува брзината на корозија на околу 0,025 мм по век под благи околински услови. Во САД, ASTM A709 класа 50W (и историски ASTM A588) се користи за илјадници автопатни мостови, особено на локации каде мостот не е изложен на продолжено влажност од водена прска, магла од соолна сол или непрекината висока влажност над 80 проценти. Во Кина, Q355NH и слични челици со отпорност на временски услови имаат иста функција, со зголемена примена во автопатни и железнички мостови. Предноста во трошоците за целокупниот животен век на непокачаниот челик со отпорност на временски услови е значајна: отстранувањето на почетното бојање и периодичното повторно бојање во текот на проектниот век од 100 години може да намали трошоците за одржување за 30 до 50 проценти според конвенционално обоени челични мостови, според индустриски студии од организации како Американскиот институт за железо и челик. Меѓутоа, детаљирањето е критично: мостовите од челик со отпорност на временски услови бараат конструктивни детаљи кои го спречуваат застојувањето на вода и отпадоци — отворен дренаж, запечатени внатрешности на кутии каде што е потребно и избегнување на хоризонтални површини каде што вода се собира — бидејќи заштитната патина нема да се формира доколку челикот остане непрекинато влажен.

Предности во изработка и поставување при изградба на мостови

Горещо валаниот челик за изградба на мостови нуди значителни предности во процесот на производство и поставување, што директно влијае врз распоредот на проекти и градежните трошоци. Челичните мостови греди, дали се плочести греди направени од горешно валана челична плоча или валкани греди за мостови со тежок широк фланец, можат да се собираат во работилница во преносливи сегменти со тежина од 40 до 80 метрички тони и да се испорачаат на локацијата со камион или барка. Овој пристап на производство во работилница концентрира најкритичните операции за квалитетот — потполно проникнување на шавовите на фланците и ребрата, заварување на заковки за сила на смолкнување на композитната пластина и контрола на димензиите на кривината и извивката — во контролирана фабричка средина со автоматизирани заварувачки машини и систематско неразрушувачко тестирање. На локацијата, поставувањето на челични мостови е брзо: типичен двоспански патен мост со челични плочести греди може да се постави за една до две недели со помош на мобилни кранови, според неколку месеци потребни за бетонската конструкција со леано на местото, што бара опалуба, циклуси на зреење и привремена поддршка. За мостови кои минуваат над активни патишта, железнички пруги или водни патишта, овој забрзан распоред за поставување минимизира нарушување на сообраќајот, намалува трошоците за привремени работи и скратува вкупната траење на проектот. Способноста за претходно собирање на челичните сегменти вон критичната патека и нивно поставување во планирани секвенци на затворање е клучна предност на челичната изградба на мостови, која е тешко повторлива со алтернативите од бетонски конструкции леани на местото.

Сценарио за изградба на мост: Автопатен надводен мост со плочести греди

Разгледајте набавка и изработка на двоспански непрекинат автопатен надлез со должина на секоја распон од 35 метри, вкупна ширина на мостот од 12 метри и четири заварени плочести греди како главни напорни елементи во должина. Инженерот за мостови укажува на топло валчани челични плочи од класа Q345qD за вертикалните делови (вебови) и хоризонталните делови (фланци) на гредите, со дебелина од 16 мм до 40 мм, при што плочите се набавуваат со максимална ширина од 3.500 мм за да се намали бројот на должински споеви на вебовите. Спецификацијата бара 100-процентско ултразвучно тестирање на сите потполни затегнати заварени споеви, испитување со Чарпи V-направен тест од секоја плоча која се користи за фланците под затегнатост, како и димензионална проверка на кривината (камбер), која треба да биде во границите на ±5 мм од проектниот профил. Во фазата на понуда, челичниот изведувач оценува доставувачи на топло валчани челик за изградба на мостови според нивната способност да обезбедат плочи од класа Q345qD со бараните вредности од Чарпи-тестот од милина која има сертификат за производство според стандардот GB/T 714, консистентна рамномерност на плочите за да се намали времето за прилагодување при собирањето на гредите и фазирана достава која соодветствува на производствениот план на изведувачот за четирите греди. Доставувач со интегрирана логистика преку пристаништето Тјанџин — главен пристапен пат за извоз на челик од северен Кина — може да координира контейнерски и неупакувани (брејкбак) испратки кои комбинираат челични плочи со дополнителни производи како што се структурни профили за попречни рамки и усилувачи. Тјанџин Хенгрон Импорт и Експорт Ко., Лтд., со својата разновидна понуда на производи, вклучувајќи ја челичните плочи и намотки од обичен челик, H-профили и нерѓослив челик, нуди капацитет за набавка на повеќе видови производи, што е практично решение за изведувачите на мостови и подизводители кои имаат потреба од координирана снабдувања со челик од повеќе категории.

Флексибилност во дизајнот преку различни типови мостови

Топло валчаната челик за градење на мостови поддржува извонредно разновиден спектар на структурни типови, каде што секој тип го искористува различни аспекти на механичките и изработните карактеристики на челикот. Кај мостовите со плочести греди — најчест тип за патни напнатости од 20 до 100 метри — топло валчаните челични плочи се сечат, заваруваат и затегнуваат за да се добијат греди во форма на „I“, кои можат да се оптимизираат според специфичните дијаграми на момент на свиткување и трансверзална сила за секоја напнатост, при што дебелината на фланците се зголемува околу стубовите каде што негативните моменти се најголеми, а се намалува во средината на напнатоста каде што доминираат позитивните моменти. Кај решеткастите мостови, кои се економични за напнатости од 60 до 300 метри, се користат топло валчани челични агли, канали и широки фланцеви профили за хоризонталните (поясните) и вертикалните (мрежестите) елементи, при што отворената решеткастата конструкција минимизира ветровите товари и обезбедува вградена резервност — неуспехот на еден дијагонален елемент не мора да предизвика колапс. За најдолгите напнатости — мостови со кабли-стоечи од 200 до повеќе од 1.000 метри и висечки мостови со уште поголеми напнатости — топло валчаните челични плочи формираат ортотропен платформен систем, што е затегнат плочест систем кој истовремено служи како површина за движење на возила, како надлъжна греда и како латерален елемент за отпор на ветер, што претставува структурна ефикасност која не може да се постигне со бетонски платформи на такви напнатости. Заедничката нишка помеѓу сите овие типови мостови е можноста на инженерот да го прилагоди челичното решение — преку избор на дебелина на плочите, конфигурација на затегачите и редоследот на заварувањето — според специфичните барања на локацијата, напнатоста и условите на товарење.

Дизајн за умор и долготрајен структурен интегритет

Отпорноста на умора е основен дизајнски фактор за топло валчан челик за изградба на мостови, бидејќи мостовите претрпуваат милиони циклуси на напрегање од сообраќајното оптоварување во текот на нивниот проектен век. Поведението на челикот при умора следи добро установени S-N криви (опсег на напрегање спротивно на бројот на циклуси до оштетување), кои се кодифицирани во AASHTO, Eurocode 3 и GB 50017 за различни категории на врски. Најкритичните детали по однос на умора кај челичните мостови се заварените прикачувања — заварените трансверзални ригели, завршувањата на покривните плочи и врските со ѓонски плочи — каде што концентрациите на напрегање кај заварениот раб можат да предизвикаат пукнатини под повторливо оптоварување. Современиот дизајн на мостови го намалува ризикот од умора преку избор на детали: избирање на непрекинати ќорфи заварувања околу аглите на ригелите наместо прекинати заварувања, специфицирање на заварувања со потполно пенетрирање на земјата со изгладени профили на спојувањата на фланците и избегнување на прикачувања во областите на фланците под затегање доколку е можно. Кај постојните мостови, животниот век при умора може да се прошири со техники за надоградба како што е ултразвучната ударна обработка, која воведува компресивни остаточни напрегања кај заварените рабови за да се спречи појавувањето на пукнатини, или со пробивање на отвори за спречување на ширењето на пукнатините на забележаните врвови на пукнатините. Добро карактеризираното поведение на челикот при умора — развиено преку повеќе од век служба на мостови и лабораториски испитувања — дава доверба на инженерите за проектирање на мостови со специфициран животен век од 100 до 120 години, со програми за инспекции и одржување кои се фокусирани врз познатите критични детали наместо на општа набљудувања на цялата конструкција.