Design und Schlüsselkonstruktionstechnik aus Stahl

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6626 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird ein neuer Typ eines Stahlbeton-Verbundpylons vorgestellt, der bei der Nanjing Fifth Yangtze River Bridge (einer Schrägseilbrücke mit drei Pylonen und einer Hauptspannweite von 600 m) zum Einsatz kommt. Bei diesem neuen Pylontyp werden die Stahlschalen durch PBL-Kopfbolzen und -Bolzen mit dem Beton verbunden, die inneren Stahlschalen werden durch Winkelstähle mit den äußeren Stahlschalen verbunden. Numerische Analysen und großmaßstäbliche Modellversuche zeigen, dass die Pylonstruktur hervorragende mechanische Eigenschaften und Konstruktionsleistungen aufweist. Der Einsatz der BIM-Technologie, die Forschung und Entwicklung spezieller Spreader und Bauplattformen gewährleisten die präzise Installation von Bauwerken. Eine hochgradig werkseitig gefertigte modulare Montage der verstärkten Stahlschalenkonstruktion kann die Intensität und Schwierigkeit der Vor-Ort-Arbeiten wirksam reduzieren und die Qualität des Projekts bei geringen Baurisiken verbessern. Die erfolgreiche Anwendung dieses Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylons markiert die Bildung einer vollständigen Reihe von Bautechnologien für Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylone, die in ähnlichen Brücken weit verbreitet eingesetzt werden können.

Pylone sind die entscheidenden tragenden Komponenten von Seilbrücken, die für die Übertragung der Lasten von den Seilen auf das Brückenfundament verantwortlich sind. Die Stabilität der Brücken hängt daher von der Stabilität und Steifigkeit der Pylone ab. Forschung und Entwicklung einer Pylonkonstruktion mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, industrieller Vorfertigung, schnellerem Aufbau und zuverlässiger Qualität sind für den Brückenbau von größter Bedeutung.

Traditionell werden Pylone von Seilbrücken aus Stahlkonstruktionspylonen oder Betonkonstruktionspylonen1 hergestellt. Obwohl die Stahlkonstruktionsmasten die Vorteile der werksseitigen Vorfertigung und des modularen Aufbaus bieten, ist ihre Anwendung aufgrund der hohen Kosten weitaus geringer als die von Betonmasten. Aufgrund der hohen Steifigkeitsanforderungen an den Pylon müssen die Pylone eine größere Querschnittsfläche haben und somit wird mehr Stahl verwendet, was zu Baukosten führt, die etwa dreimal so hoch sind wie die eines Betonpylons. Betonmasten haben die Vorteile einer hohen Steifigkeit und guten Stabilität sowie geringerer Baukosten. Dennoch besteht die Bauweise aus einer Reihe komplizierter Schritte, z. B. der Installation des starren Skeletts, der Bindung der Bewehrungsstäbe, der Installation und Anpassung der Schalung sowie dem Betonieren. Die Bauarbeiten basieren hauptsächlich auf manueller Arbeit mit geringer Standardisierung und Vorfertigung, was zu langen Bauzeiten, hoher Betriebsintensität vor Ort, hohem Risiko und verlängerten Belegungszyklen der Ausrüstung führt.

Die Stahlbeton-Verbundmasten weisen gegenüber den Stahl- und Betonmasten viele Vorteile auf. Die Stahlkonstruktion kann durch werkseitige Vorfertigung und modulare Installation viel Zeit sparen. Gleichzeitig kann es auch als Vorlage zum Betonieren verwendet werden. Die Stahlkonstruktion schränkt den Beton ein und verbessert so seine Tragfähigkeit weiter. Die Kombination von Stahl und Beton bringt auch die Vorteile der hohen Steifigkeit des Betonpylons mit sich.

Stahlbeton-Verbundmasten werden vor allem bei Masten mit komplexen geometrischen Formen eingesetzt. Aufgrund der komplexen Geometrie der Alamillo-Schrägseilbrücke wurde beispielsweise das ursprüngliche Design des Stahlbetonpylons in eine Verbundkonstruktion geändert, um die Bauzeit zu verkürzen. Daher ersetzte ein mit dem Beton verbundenes äußeres Metallgehäuse viele Stahlstangen, deren Installation viel länger gedauert hätte2. Die Verbundwirkung wird durch direkt in die den Außenmantel bildenden Hauptstahlplatten eingeschweißte Bolzenverbinder und die horizontalen Versteifungen der Hauptplatten erreicht, die auch bei der Übertragung der Scherkraft zwischen Stahl und Beton berücksichtigt wurden. Hsu et al. untersuchte das beobachtete Verhalten von Sandwich-Kastensäulen, die aus doppelten dünnwandigen Stahlrohren mit Beton dazwischen bestanden und einer kombinierten Biege- und Axialbelastung ausgesetzt waren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeit der Sandwichelemente höher ist als die ihrer entsprechenden mit Beton gefüllten Rohrelemente. Die Festigkeitsverbesserung erreichte bei Sandwichprofilen mit nicht kompakten Außenrohren bis zu 45 Prozent3. Die obere Pylonsäule der Stonecutters Bridge besteht aus einer Stahlbeton-Verbundkonstruktion. Die Stahlkonstruktion besteht aus Edelstahl und zur Verbindung von Stahl und Beton werden ausschließlich Schweißbolzen verwendet6. Tao et al. untersuchten die Festigkeit und Steifigkeit von mit Beton gefüllten Stahlrohrstummelstützen mit inneren oder äußeren geschweißten Längsversteifungen unter axialer Kompression4. Xie et al. untersuchte eine innovative Form der Stahl-Beton-Stahl-Sandwichkonstruktion, bei der die beiden Stahlplatten durch eine Reihe von Querstangenverbindern miteinander verbunden sind, die an beiden Enden gleichzeitig reibgeschweißt sind5. Zeng et al. entwarf und produzierte fünf Proben mit Lochplattenverbindern und fünf Proben mit geschweißten Bolzenverbindern, um das beobachtete Verhalten von doppelwandigen Stahlbeton-Verbundmasten unter axialer Belastung bzw. kombinierter konstanter axialer Belastung mit zyklischer seitlicher Belastung zu untersuchen7. Leng WH untersuchte die Berechnungsmethode für die Tragfähigkeit der PBL-Schubverbinder des vorgespannten Stahlbeton-Verbundkurvenpylons der Lichuan-Brücke und die Faktoren, die das Schrumpfen und Kriechen des Betons in der Stahlhülle beeinflussen8. JY Richard Liew et al. untersuchte die Leistung einer innovativen Sandwich-Verbundstruktur mit J-Haken-Anschlüssen, einschließlich Sandwich-Verbundträgern, Sandwich-Verbundplatten und Verbund-Sandwichwänden, die Explosions-, Stoß-, Ermüdungs- und statischen Belastungen ausgesetzt sind9. Wei et al. untersuchte den Kraftübertragungsmechanismus eines Stahl-Beton-Verbundmastes mit einem oberen Stahlmast und einem unteren Betonmast an der Verbindungsstelle von Stahl und Beton durch einen maßstabsgetreuen Modellversuch10. Wang et al. untersuchte die Auswirkungen verschiedener Querschnittsformen und Verbundanker auf den Stahlbeton-Verbundmast und die Ergebnisse zeigten, dass der rechteckige Querschnitt mit Fasen im Vergleich zum rechteckigen Querschnitt eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen lokales Knicken aufweist. und die Verbundanker können die Tragfähigkeit und Duktilität des Stahl-Beton-Verbundmastes deutlich erhöhen1.

Stahl-Beton-Verbundmasten werden in China jedoch meist bei Schrägseilbrücken mit Spannweiten von weniger als 200 m eingesetzt, allerdings verfügen solche Pylone meist nur über eine äußere Stahlschale. Die öffentlich gemeldeten Anwendungsfälle von Brückenpylonprojekten aus Stahl-Beton-Verbundwerkstoffen sind in Tabelle 1 aufgeführt. In dieser Studie wird ein neuer Typ von Stahl-Beton-Verbundmasten vorgestellt, dessen Stahlschale über PBL-Schubbolzen und -Bolzen mit dem Beton verbunden ist und dessen Innenteil aus Stahl besteht Die Schale ist durch Winkelstähle mit der äußeren Stahlschale verbunden. Die durchdringenden Bewehrungsstäbe der PBL-Kopfbolzen werden auch als Hauptbewehrung des Betons verwendet. Die innere und äußere Stahlschale dienen gleichzeitig als Schalung für das Betonieren und bilden schließlich einen Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmast. Dieser Pylontyp wird erstmals bei seilgestützten Brücken mit einer Spannweite von mehr als 500 m eingesetzt. Dieser Masttyp bietet die Vorteile einer hohen Vorfertigung, eines schnellen Aufbaus, einer zuverlässigen Qualität, einer guten Zähigkeit und Plastizität sowie eines guten Aussehens. In diesem Artikel werden insbesondere die Konstruktion und Konstruktion eines Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylons vorgestellt, der in einer Schrägseilbrücke mit einer Hauptspannweite von \(600\,\textrm{m}\) zum Einsatz kommt. Die Forschung dieses Projekts ist von großer Bedeutung, um die industrielle Weiterentwicklung des Brückenbaus von der Konstruktion zur Fertigung voranzutreiben, und sie könnte auch als Referenz für ähnliche Brückentypen dienen.

Die Brücke in dieser Studie ist die Jiangxinzhou Yangtze River Bridge in Nanjing (JYRB), bekannt als die Fünfte Nanjing Yangtze River Bridge, die 2020 eröffnet wurde. JYRB ist eine Stahl-UHPC-Verbundträger-Schrägkabelbrücke mit drei Pylonen und Doppelkabel Flugzeuge. Seine Spannweitenanordnung ist \(80\,\textrm{m}+218\,\textrm{m}+2\times 600\,\textrm{m}+218\,\textrm{m}+80\,\textrm {M}\). Abbildung 1 zeigt das Layout von JYRB. Der Hauptträger mit einer Höhe von \(3,6\,\textrm{m}\) und einer Breite von \(35,3\,\textrm{m}\) umfasst sechs Fahrspuren und zwei Fußwege. Darüber hinaus besteht es aus einem flachen Stahlkastenträger und einer UHPC-Schicht mit groben Zuschlagstoffen, die durch Kopfbolzendübel verbunden sind. Bei den drei Masten handelt es sich um einen mittleren Mast mit einer Höhe von \(177,407\,\textrm{m}\) und zwei identische Seitenmasten mit einer Höhe von \(169,7\,\textrm{m}\). Bei den drei Hauptpylonen handelt es sich in Längsrichtung allesamt um rautenförmige Pylone, in Querrichtung jedoch um Einpfeilerpylone. Auf jeder Seite der Pylone sind zwanzig Kabelpaare verankert, insgesamt kommen bei dieser Brücke 240 Kabel zum Einsatz.

Überblick über die Jiangxinzhou-Jangtse-Brücke in Nanjing. (a) Seitenansicht; (b) Abschnitt eines Stahlkastenträgers.

Strukturaufbau des Mittelpylons und des Seitenpylons. (a) mittlerer Pylon in Querrichtungsanordnung; (b) mittlerer Pylon im Profillayout in Querrichtung. (c) mittlerer Pylon in Längsrichtungsanordnung; (d) mittlerer Pylon in der Profilanordnung in Längsrichtung. (e) Seitenpylon in Querrichtungsanordnung; (f) Seitenpylon in Profilanordnung in Querrichtung; (g) Seitenpylon in Längsrichtungsanordnung; (h) Seitenpylon in Längsrichtung Profilanordnung. (Einheit: cm).

Am Beispiel des mittleren Pylons kann der Pylon in den oberen, mittleren und unteren Teil unterteilt werden, und an der Verbindungsstelle des mittleren und unteren Teils wird ein Querträger entworfen (siehe Abb. 2). Die Höhe des oberen, mittleren und unteren Teils beträgt \(55,007\,\textrm{m}\), \(81,550\,\textrm{m}\) und \(40,850\,\textrm{m}\) , jeweils. Der untere Teil ist eine doppelgliedrige Längsstruktur, und jedes Glied nimmt den Kastenabschnitt mit drei Zellen an (siehe Abb. 3a). Die beiden Gliedmaßen des unteren Teils trennen sich allmählich nach oben, und der maximale Abstand zwischen den beiden Gliedmaßen beträgt \(7 \,\textrm{m}\), während sich die beiden Schenkel des Mittelteils allmählich nach oben versammeln, bis der obere Teil in einen Schenkel übergeht. Die Standardabschnitte des Mittel- und Oberteils sind jeweils in Abb. 3b, c dargestellt. Die Stahlschalenkonstruktionen für diese Turmabschnitte sind in Abb. 4 dargestellt.

Abschnitte des Mastes: (a) Standardabschnitt des unteren Teils des Mastes; (b) Standardabschnitt des mittleren Teils des Mastes; (c) Standardabschnitt des oberen Teils des Mastes. (Einheit: cm).

Der mittlere (Seiten-)Pylon ist in 37(36) Segmente unterteilt, und die Höhe des standardmäßigen (höchsten) Segments des Pylons beträgt 4,8\(\,\textrm{m}\)(\(5,2\,\textrm{ M}\)). Die Stahlhülle des Pylons besteht aus inneren und äußeren Stahlblechen, vertikalen und horizontalen Versteifungen, Kopfbolzendübeln, Verbindungswinkelstählen usw. (Abb. 2). Die Standarddicke der äußeren Stahlplatte beträgt \(14\,\textrm{mm}\), wovon \(20\,\textrm{mm}\) und \(16\,\textrm{mm}\) sind Wird für einen Teil der äußeren Stahlplatte oberhalb und unterhalb des unteren Trägers und für das erste Segment des unteren Teilpylons verwendet. Die Standarddicke der Innenwandplatten beträgt \(6\,\textrm{mm}\). Die vertikale Versteifungsgröße beträgt \(128\times 10\,\textrm{mm}\), während die horizontale Versteifungsgröße \(200\times 10\,\textrm{mm}\) beträgt. Der Standardabstand dieser Versteifungen beträgt \(400\,\textrm{mm}\), die Versteifungen werden lokal verbreitert, um sie an die Winkelstahlverbindung anzupassen. Die \(\phi 60\,\textrm{mm}\) Löcher sind auf der vertikalen Versteifung angebracht, um durch die horizontalen Bewehrungsstäbe zu verlaufen, und die \(\phi 86\,\textrm{mm}\) und \(\phi Auf der horizontalen Versteifung sind 80 mm große Löcher angebracht, die durch die vertikalen Bewehrungsstäbe verlaufen. Darüber hinaus sind in den horizontalen Versteifungen einige \(\phi 70\,\textrm{mm}\) Löcher zum Betonieren und Rütteln angebracht. Bei Bewehrungsstäben handelt es sich um Bewehrungsstäbe der Güteklasse HRB400, und die Durchmesser der vertikalen Bewehrungsstäbe und der horizontalen Bewehrungsstäbe betragen \(36\,\textrm{mm}\) bzw. \(22\,\textrm{mm}\). Es ist erwähnenswert, dass die Versteifungen und Bewehrungsstäbe nicht mehr nur Versteifungen und Bewehrungsstäbe im einfachen Sinne sind, da die Bewehrungsstäbe durch die Versteifungen verlaufen. Sie verbinden sich zu PBL-Schubverbindungen und realisieren so das Zusammenspiel von Stahlkonstruktion und Beton. Die Kopfbolzendübel mit einem Durchmesser von \(22\,\textrm{mm}\) und einer Höhe von \(150\,\textrm{mm}\) werden nach dem Schweißen in der Mitte des durch die Vertikale gebildeten rechteckigen Gitters verschweißt Steife und die horizontale Steife, die die Verbindung zwischen Beton und Stahlschale zusätzlich verstärkt. Die äußeren und inneren Stahlplatten sind durch den \(L75\times 8\,\textrm{mm}\) Winkelstahl zu einem Ganzen verbunden, was sich positiv auf die Kontrolle der Verformung der Stahlschale beim Gießen des Betons auswirkt und die Festigkeit erhöht Gesamtsteifigkeitssegment der Stahlschale. Die inneren und äußeren Stahlpaneele und Versteifungen der Stahlhülle bestehen aus Q345C-Stahl, die restlichen Paneele aus Q235B-Stahl. Der Beton im Pylon ist C50-kompensierter Schwindbeton.

Stahlschalenkonstruktionen des Mastes: (a) Stahlschalenkonstruktion des unteren Teils des Mastes; (b) Stahlschalenkonstruktion des mittleren Teils des Pylons; (c) Stahlschalenkonstruktion des oberen Teils des Pylons. (Einheit: cm).

Der Querträger ist ein rechteckiger Stahlhohlkasten mit einer Höhe von \(2,0\,\textrm{m}\) und einer Breite von \(4,6\,\textrm{m}\). Die Stahlblechdicke des Querträgers beträgt \(20\,\textrm{mm}\). Die Höhe der Längsversteifung beträgt \(160\,\textrm{mm}\), die Dicke der Platte beträgt \(16\,\textrm{mm}\) und die Dicke der Membran beträgt \(12\ ,\textrm{mm}\). Entlang des unteren Trägers sind 12 Bündel von hochfesten, außen vorgespannten Stahllitzen mit geringer Relaxation angeordnet, die an beiden Enden mit einer Zugkontrollspannung von 1209 gespannt sind {MPa}\). Darüber hinaus sind entlang der Längsrichtung an der Verbindungsstelle zwischen Ober- und Mittelteil 12 Bündel hochfester, außen vorgespannter Stahllitzen mit geringer Relaxation angeordnet, die an beiden Enden unter Spannung stehen mit einer Spannungskontrollspannung von \(1395\,\textrm{MPa}\).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schrägseilbrücken ist die Gesamtsteifigkeit der Schrägseilbrücken mit drei Pylonen aufgrund der beiden mittleren Spannweiten ohne Hilfspfeiler in der Regel eher vernachlässigbar. Daher werden verschiedene Methoden in Betracht gezogen, um die globale Steifigkeit der drei- oder mehrpylonischen Schrägseilbrückenkonstruktion und die Stabilität des mittleren Pylons zu verbessern:

Verbessern Sie die Steifigkeit des Pylons, um die Gesamtsteifigkeit und strukturelle Leistung der Struktur sicherzustellen.

Erhöhen Sie die Höhe des Hauptträgers, um dessen Steifigkeit zu verbessern.

Installieren Sie Hilfskabel, um die Steifigkeit des Mittelpylons in Längsrichtung zu erhöhen und so die Gesamtsteifigkeit und die strukturelle Leistung der Struktur zu verbessern.

Zur Verankerung in der Mitte der Hauptspannweite werden gekreuzte Kabel verwendet, um ein Fachwerksystem zu bilden und die Gesamtsteifigkeit und Leistung der Struktur zu verbessern.

Eine Erhöhung der Höhe des Hauptträgers zur Verbesserung der Gesamtsteifigkeit der Struktur eignet sich jedoch besser für Schrägseilbrücken mit mehreren Pylonen und kleineren Spannweiten. Beispielsweise übernimmt die französische Millau-Brücke diese Methode. Dennoch ist es für eine Schrägseilbrücke mit mehreren Pylonen und großen Spannweiten wie JYRB unwirtschaftlich. Bei mehrmastigen Schrägseilbrücken mit mittleren und kleinen Spannweiten kann die Verlegung der Hilfsseile zwischen den Pylonen eine Rolle spielen. Es ist bekannt, dass der Durchhang mit zunehmender Kabellänge erheblich zunimmt, wodurch die Gesamtsteifigkeit und Kabelstabilität abnimmt11. Daher hat dieser Ansatz nur minimale Auswirkungen auf mehrspannige Schrägseilbrücken mit mehreren Pylonen. Bei Schrägseilbrücken mit einer Hauptspannweite bis zu \(600\,\textrm{m}\) kann die Methode der gekreuzten Kabel zwar die globale Steifigkeit verbessern, jedoch die gegenseitige Beeinflussung der windinduzierten Schwingungen der Schrägseile Kabel an den Kabelkreuzungen und wie man sie effektiv unterdrückt, sind Themen, die weiterer Forschung bedürfen. Daher wendet dieses Projekt die Methode an, die Steifigkeit des Pylons zu erhöhen, um die globale Steifigkeit zu verbessern. Bei konventionellen Inline-Pylonen in Längsrichtung sollte die globale Steifigkeit des Mittelpylons erhöht werden, wenn die Längsbreite des Mittelpylons zunimmt. Angenommen, die globale Steifigkeit erfüllt die Anforderungen der Spezifikation, wenn der herkömmliche Inline-Pylon in Längsrichtung übernommen wird. In diesem Fall müsste die Breite des Mittelmastes in Längsrichtung nach den Berechnungsergebnissen des Midas-Modells mehr als \(16\,\textrm{m}\) betragen, was zu einer schlechten Wirtschaftlichkeit führt. Daher muss diese Methode verbessert werden. Allerdings kann die Längsöffnung der Pylonsäule die Längssteifigkeit des Mittelpylons deutlich erhöhen. Dies sollte ein wirtschaftlicherer und vernünftigerer Plan sein.

Theoretisch ist der A-förmige Längspylon die effektivste Struktur für den Pylon mit Längsöffnung. Es kann jedoch zu einer Vergrößerung des Fundaments in Längsrichtung und zu einer Vergrößerung der wassersperrenden Flächen kommen. Der untere Teil des Pylons unterhalb des Brückendecks wird zurückgezogen, um einen rautenförmigen Pylon zu bilden, wodurch der technische Aufwand für den Pylon und das Fundament reduziert werden kann und gleichzeitig die Gesamtsteifigkeit des Pylons gewährleistet wird.

Wenn der Pylon in Längsrichtung rautenförmig geöffnet wird und der Doppelsäulenpylon weiterhin in Querrichtung verwendet wird, hat der Pylon über dem Brückendeck vier Beine. Dadurch ergeben sich komplexe Kräfte für diese Turmkonstruktion. Darüber hinaus befinden sich die Schrägseile und der vierbeinige Pylon in einem Raum, was zu komplizierten räumlichen Linien und schlechten visuellen Effekten führt. In Querrichtung ist die Verwendung eines Einsäulenpylons erforderlich. Daher wird das Gesamterscheinungsbild prägnant und glatt sein, was zu einem einzigartigen visuellen Effekt führt.

Für den einsäuligen Pylon, der den zentralen Raum des Hauptträgers einnimmt, ist die Optimierung der seitlichen Strukturgröße des Pylons unter der Prämisse, verschiedene strukturelle und technische Anforderungen zu erfüllen, der Grundstein für die Reduzierung des Projektumfangs und der Projektinvestitionen. Es ist für die Baubedingungen von JYRB geeignet und erfüllt die strukturellen Kraftanforderungen einer Schrägseilbrücke mit einer Hauptspannweite von \(600\,\textrm{m}\). Wenn für JYRB Betonmasten verwendet werden, beträgt die minimale seitliche Abmessung des Mastes \(6,6\,\textrm{m}\). Um die lateralen Abmessungen der Turmstruktur weiter zu optimieren, sollten folgende Anstrengungen unternommen werden: Materialauswahl und Strukturzusammensetzung. Obwohl Stahlmasten in China mit ausgereifter Design- und Bauerfahrung verwendet wurden. Darüber hinaus verfügt der Stahlkonstruktionspylon über eine hervorragende Tragfähigkeit, Erdbebensicherheit und strukturelle Haltbarkeit. Seine glatte und saubere Außenfläche erleichtert die Erzielung eines besseren ästhetischen Effekts. Der Bau von Stahlkonstruktionsmasten erfordert jedoch große Bearbeitungs- und Hebegeräte, was die Projektkosten erhöhen kann. Es ist zu beachten, dass für einen einzelnen Mast, beispielsweise einen rautenförmigen Mast in Längsrichtung, die Biegesteifigkeit und Drucksteifigkeit von Stahlkonstruktionspylonen nachteilig sind, wenn die geometrischen Abmessungen des Stahlkonstruktionspylons und des Betonpylons gleich sind . Daher können Stahlbeton-Verbundmasten eine gute Wahl sein, wenn sie die Vor- und Nachteile von Betonmasten und Stahlmasten kombinieren.

Da der Öffnungsabstand in Längsrichtung des Pylons die Gesamtsteifigkeit der gesamten Brücke beeinflusst, wenn der Öffnungsabstand in Längsrichtung zu klein ist, reicht die Gesamtsteifigkeit der gesamten Brücke möglicherweise nicht aus. Ein zu großer Längsöffnungsabstand ist unwirtschaftlich. Daher wurde ein Stabsystem-Finite-Elemente-Modell der gesamten Brücke erstellt, um einen angemessenen Längsöffnungsabstand zu bestimmen. Darüber hinaus wurde der Längsöffnungsabstand der mittleren Pylone als Parameter verwendet, um den Einfluss des Längsöffnungsabstands auf die Verformungen des Hauptträgers unter Nutzlast zu bestimmen, um den Einfluss des Längsöffnungsabstands des Mittelpylons auf die globale Steifigkeit zu bestimmen die Brücke. Abbildung 5 zeigt die maximale Verformung des Hauptträgers unter Betriebslasten bei unterschiedlichen Längsöffnungsabständen der mittleren Pylone. Wie aus Abb. 5 hervorgeht, überschreitet der maximale Verformungswert des Hauptträgers unter Lebenslast die maximale Durchbiegung L/400 der chinesischen Norm, wenn der Öffnungsabstand in Längsrichtung des mittleren Pylons weniger als 18 m beträgt. Dies zeigt, dass bei Verwendung eines rautenförmigen Einzelpylons in Längsrichtung für eine Schrägseilbrücke mit einer Hauptspannweite von 600 m der Öffnungsabstand in Längsrichtung nicht weniger als 18 m betragen darf, um die globalen Steifigkeitsanforderungen der Brücke zu erfüllen. Unter Berücksichtigung der Steifigkeit, Ästhetik, Wirtschaftlichkeit und Bequemlichkeit der Konstruktion wird der endgültige Längsöffnungsabstand der Brücke auf 21 m festgelegt.

Der Öffnungsabstand in Längsrichtung des Mittelpylons.

Der Mast ist ein exzentrisches Biegeelement, während die axiale Steifigkeit \(\textrm{EA}\) und die Biegesteifigkeit \(\textrm{EI}\) zwei wichtige Indizes sind, um die Fähigkeit des Mastes zu messen, der Verformung durch äußere Kräfte zu widerstehen. Daher wird das Grundmodell auf der Grundlage der tatsächlichen Masten abstrahiert, um die Steifigkeitsleistung von Stahl-, Betonmasten und Verbundmasten zu vergleichen. Zum Vergleich wird ein Kastenprofil mit einem Außenprofil von \(5\,\textrm{m}\times 5\,\textrm{m}\) ausgewählt. Die Wandstärke des Betonpylons und des Verbundpylons beträgt \(1\,\textrm{m}\), und die Wandstärke des Stahlpylons wird auf Basis der äquivalenten Kosten berechnet. Wie in Abb. 6 dargestellt, befinden sich im Abschnitt des Betonpylons insgesamt 332 Bewehrungsstäbe, die in zwei Lagen angeordnet sind. Der Abstand der Bewehrungsstäbe beträgt \(100\,\textrm{mm}\), der Durchmesser der Stahlstäbe beträgt \(36\,\textrm{mm}\) und die Dicke der Betonüberdeckung beträgt \( 25\,\textrm{mm}\).Sie behielten den gleichen Stahlgehalt für die Verbund- und Betonpylonabschnitte bei, um sicherzustellen, dass die Materialkosten gleich waren. Bezüglich des Pylons von JXZB könnte die Dicke des äußeren Stahlmantels \(14\,\textrm{mm}\) und die Dicke des inneren Stahlmantels \(6\,\textrm{mm}\) durch Umrechnung betragen. Um die Materialkosten des Stahlmastes mit denen des Betonmastes in Einklang zu halten, werden sie auf der Grundlage von \(6000\,\textrm{Yuan}/\\textrm{Tonne}\) für Stahl und \(500\,\textrm{Yuan}/\textrm{Tonne}\) berechnet {Yuan}/\textrm{Quadrat}\) für Beton, und die umgerechnete Stahlschalendicke beträgt \(25,26\,\textrm{mm}\).

Drei Arten von Querschnittsdiagrammen: (a) Betonabschnitt; (b) Stahlabschnitt; (c) Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundabschnitt.

Für die oben genannten drei Querschnitte des Turms ist der Vergleich der axialen Drucksteifigkeit \(\textrm{EA}\) und der Biegesteifigkeit \(\textrm{EI}\) in Tabelle 2 dargestellt. Die Berechnung der Abschnittssteifigkeit Die Ergebnisse stammen vom Abschnittsrechner der Finite-Elemente-Software Midas.

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die axiale Steifigkeit des Verbundpylonabschnitts mit der des Betonpylonabschnitts übereinstimmt und die Biegesteifigkeit des Verbundpylonabschnitts geringfügig größer ist als die des Betonpylonabschnitts. Sowohl Verbund- als auch Betonmastabschnitte weisen im Vergleich zu Stahlmastabschnitten eine deutlich höhere Abschnittssteifigkeit auf. Daher übernimmt der Verbundpylonabschnitt die Vorteile der erheblichen Steifigkeit der Betonpylonabschnitte. Gleichzeitig werden die Stahlschalen im Verbundstrukturpylon als Teil der beanspruchten Strukturen verwendet, die einen Teil der Bewehrungsstäbe ersetzen können, um die Anzahl der Bewehrungsstäbe zu reduzieren und die Schwierigkeit der Konstruktion zu verringern. Die Stahlschalen können auch als Vorlage verwendet werden, um den Baukomfort und die Effizienz zu verbessern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Verbundmast im Vergleich zu Stahl- und Betonmasten Vorteile hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Konstruktion aufweist.

Das Finite-Elemente-Modell von JXZB wurde über Midas Civil erstellt, um den Prozess der Bauphasen zu simulieren und die ungünstigste Abschnittsposition und die ungünstigsten Arbeitsbedingungen zu bestimmen. Anschließend wurde über ANSYS das lokale Analysemodell des Turmsegments unter Verwendung von Festkörperelementen erstellt. Die maximale Zugspannung von Beton beträgt \(8,39\,\textrm{MPa}\) und die maximale Druckspannung beträgt \(-18,3\,\textrm{MPa}\), die im ZT1-Segment auftritt. Die maximale Zugspannung der Stahlhülle beträgt \(54,6\,\textrm{MPa}\) und die maximale Druckspannung beträgt \(-125\,\textrm{MPa}\), die am ZT11-Segment auftritt, siehe Abb. 7. Obwohl die maximale Zugspannung des Betons in der Stahlhülle den Bemessungswert der Zugfestigkeit von C50-Beton übersteigt, beträgt die berechnete maximale Rissbreite \(0,087\,\textrm{mm}\) und ist damit geringer als der Grenzwert im chinesischen Code. Daher entspricht die Festigkeit des Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmastes den Anforderungen der chinesischen Norm. Darüber hinaus berechnete die Software von Midas auch die strukturellen nichtlinearen Stabilitätssicherheitsfaktoren von 103 Berechnungsfällen in der Bau- und Betriebsphase. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass mit fortschreitender Entwicklung der Konstruktion der nichtlineare Stabilitätskoeffizient K allmählich kleiner wird. Nach Fertigstellung der Brücke bleibt der Wert tendenziell stabil und liegt immer über dem Spezifikationsgrenzwert. Vielleicht machen sich einige Leute mehr Gedanken über die Scherfestigkeit des PBL-Scherschlüssels und die Hohlräume im Beton. Andere Forschungsteams haben experimentelle Studien zu den horizontalen und vertikalen PBL-Scherschlüsseln von JXZB durchgeführt und die Ergebnisse zeigen, dass die horizontalen und vertikalen PBL-Scherschlüssel von JXZB alle eine gute Scherfestigkeit aufweisen. Auch die Hohlraumrate von Beton testet unser Forschungsteam in einem großmaßstäblichen Modellversuch. Spezifische Ergebnisse finden Sie im Inhalt im nächsten Abschnitt.

Das ungünstigste Berechnungsergebnis des Mastes im Grenzbetriebszustand.

Der Öffnungsabstand in Längsrichtung des Mittelpylons.

Der Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylon ist nun die erste Anwendung in einer Brücke mit großer Spannweite. Aufgrund seiner einzigartigen komplexen Struktur ist es nicht einfach herzustellen, zu installieren und zu konstruieren. Um die Durchführbarkeit und Anpassungsfähigkeit des Bauprozesses zu überprüfen, wurde ein vollständiger Modellprozesstest dieses Pylons durchgeführt, der sich auf das Heben und Positionieren der Stahlhülle, den Bewehrungsanschluss vor Ort, den Betongießvorgang und die Arbeitsleistung konzentrierte Beton und das Gesetz der Temperatur- und Dehnungsänderungen. Durch den großmaßstäblichen Modellprozesstest wurden die Bauprozesse eines Stahlschalensegments des Pylons vorhergesehen, die Probleme in den Bauprozessen ermittelt und die Punkte hervorgehoben, die Aufmerksamkeit erfordern, um den formalen Bau des Pylons zu leiten.

Basierend auf den bisherigen Bauerfahrungen wird festgestellt, dass der Bauprozess des Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmastes wie folgt abläuft:

Herstellung und Vormontage der Stahlschalensegmente im Werk;

Transport der Stahlschalensegmente;

Heben Sie die Stahlschalensegmente an;

Montieren Sie die Stahlschalensegmente;

Bewehrungsstäbe im Stahlmantel verbinden und die Stahlmantelsegmente verschweißen;

Gießen Sie den Beton in die Stahlhülle und rütteln Sie ihn.

Härten Sie den Beton in der Stahlhülle aus;

Meißeln Sie die Oberseite des Betons ab und entfernen Sie die Schlacke;

Heben Sie das nächste Segment der Stahlhülle an.

Auswahl der Testsegmente

Die Auswahl der Testsegmente muss die strukturellen Eigenschaften jedes Segments des Pylons und mögliche Konstruktionsschwierigkeiten widerspiegeln und außerdem die wichtigsten Punkte der Qualitätskontrolle des Pylonsegmentbaus in jeder Phase widerspiegeln. In Kombination mit der Wirtschaftlichkeit wurden nach sorgfältiger Überlegung das Segment BT24 (einzelner Schenkel) und \(800\,\textrm{mm}\) des oberen Teils des Segments BT23 (verbunden mit dem Segment BT24) des Seitenpylons ausgewählt als vollwertige Testmodellsegmente. Das Segment BT24 befindet sich im obersten Segment der mittleren Teile des Seitenpylons, wie in Abb. 2g dargestellt. Das Testmodell hat eine Höhe von \(5,6\,\textrm{m}\) und ein Gewicht von \(30,5\,\textrm{t}\). Die vollständige Modellstruktur des Testsegments ist in Abb. 9 dargestellt.

Testprozesse

Die Stahlschalensegmente werden im Werk hergestellt und montiert. Anschließend werden sie nach bestandener Prüfung und Abnahme zur Brückenbaustelle transportiert. Das Stahlschalensegment BT23 wird mit einem Autokran an seinen Platz gehoben. Anschließend wird das Stahlschalensegment BT23 auf dem Fundament befestigt. Der untere 30 cm hohe Beton wird vorgegossen, der verbleibende 50 cm hohe Beton wird zusammen mit dem Stahlschalensegment BT24 gegossen. Nachdem der vorgegossene Beton die Sollfestigkeit erreicht hat, wird das Stahlschalensegment BT24 angehoben und die Erstpositionierung ist abgeschlossen. Befestigen Sie die Stahlschalensegmente vorübergehend mit temporären Passteilen zwischen den Segmenten. Die temporären Passteile werden gelöst, nachdem die Schweißverbindung zwischen den Stahlschalensegmenten abgeschlossen ist. Für die Segmentverbindung wird symmetrisches Schweißen verwendet, um einen übermäßigen Temperaturgradienten des Stahlmantels aufgrund asymmetrischen Schweißens zu vermeiden. Nachdem die Schweißnähte qualifiziert sind, werden die vertikalen Bewehrungsstäbe verbunden. Wenn die Stahlschalensegmente verbunden sind, wird der Beton Schicht für Schicht gegossen. Die Dicke jeder Betonschicht beträgt etwa \(40\,\textrm{cm}\). Die Wasserspeicherung und -wartung erfolgt beim erstmaligen Abbinden des Betons.

Datenüberwachung

Aufgrund der dünnen Stahlplatte ist es notwendig, die Verformung der Stahlplatte während des gesamten Prozesses zu überwachen. Auf der Oberfläche der Stahlplatte sind Dehnungssensoren angeordnet, um die Verformungen des Hebe-, Schweiß- und Betongießvorgangs zu erfassen, wie in Abb. 10 dargestellt. Gleichzeitig muss die Temperatur, Auch die Verformung des Betons wurde im Versuch überwacht. Die Belastung und die Temperatur werden vom multifunktionalen Datensammler Changsha Jinma JMBV-1116 erfasst. Die Wegdaten werden von einer elektronischen Messuhr erfasst. Die Anordnung der entsprechenden Messpunkte ist in Abb. 10 dargestellt. Nach Abschluss der Betonaushärtung wird mittels Ultraschallprüfung die Aushöhlungsrate des Stahlmantels ermittelt.

Segmentmodell in Originalgröße.

Anordnung der Vermessungspunkte des maßstabsgetreuen Modells: (a) Verteilung der Vermessungspunkte in der Höhenkarte; (b) Verteilung der Vermessungspunkte im Mastabschnitt.

Verformung der Stahlhülle

Während des Hebevorgangs werden vier Hebepunkte an der Außenwand des äußeren Stahlmantels des Stahlmantelsegments gesetzt, damit die maximale relative Verformung im inneren Stahlmantel auftreten kann. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse beim Heben zeigen, dass die maximale Verschiebung an der inneren Stahlhülle auftritt, der Verschiebungswert beträgt \(1,3\,\textrm{mm}\), siehe Abb. 11a. Die tatsächlichen Messergebnisse beim Heben zeigen, dass die maximale Verschiebung des Stahlmantels während des Hebevorgangs am inneren Stahlmantel auftritt und der Verschiebungswert \(1,1\,\textrm{mm}\) beträgt, was mit dem Endlichen übereinstimmt Ergebnisse der Elementanalyse.

Das ungleichmäßige Temperaturfeld des Schweißprozesses ist anfällig für bleibende Schweißverformungen. Angenommen, der Schweißverformungswert ist beträchtlich, was sich auf die Installation und Zuverlässigkeit der Struktur auswirkt. Daher muss auf die verbleibende Schweißverformung geachtet werden. Gemäß den tatsächlichen Messergebnissen ist die Schweißverformung des oberen Abschnitts des Stahlschalensegments in Abb. 11b dargestellt. Die maximale Verformung beim Schweißvorgang beträgt etwa \(1,2\,\textrm{mm}\). Es zeigt sich, dass der Schweißprozess einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Verformung der Stahlhülle hat.

Die Verformung des Stahlmantels: (a) die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse des Hebens; (b) die Schweißverformung des oberen Abschnitts.

Um den Einfluss des Seitendrucks und der Hydratationswärme auf die Verformung des Stahlmantels beim Einbringen des Betons zu ermitteln, werden die Verformungswerte des Stahlmantels gemessen. Tabelle 3 zeigt die maximalen Verformungswerte der äußeren Stahlschale und der inneren Stahlschale der typischen Abschnitte (oberer Abschnitt, mittlerer Abschnitt und unterer Abschnitt) des Segments. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die Verformung des äußeren Stahlmantels größer ist als die des inneren Stahlmantels und die Verformung des oberen Abschnitts der des unteren Abschnitts ähnelt, jedoch beide größer sind als die Verformung des mittleren Abschnitt. Dies kann mit der Neigung des Stahlschalensegments zusammenhängen. Im Allgemeinen ist der Verformungsgrad des Segments relativ gering und der maximale Verformungswert ist kleiner als \(1,5\,\textrm{mm}\). Daher hat der Betongießprozess kaum Einfluss auf die Verformung der Stahlhülle.

Die Temperatur von Beton

Da das Experiment im Winter im Feld durchgeführt wurde, betrug die Temperatur etwa 0 bis \(5,0\,^{\circ }\textrm{C}\). Dazu wird der Beton mit warmem Wasser vermischt und die Temperatur des Anmachwassers beträgt \(16,8\sim 17,5\,^{\circ }\textrm{C}\). Die Temperatur des Betons, der die Mischstation verlässt, beträgt etwa \(8,5\,^{\circ }\textrm{C}\) und die Pumptemperatur des Betons beträgt etwa \(10,0\,^{\circ }\textrm{ C}\). Die Ergebnisse der Temperaturüberwachung des Betonkerns zeigten Folgendes:

Nachdem der Beton gegossen wurde, begann die Innentemperatur des Betons zu steigen, die höchste Temperatur betrug \(47,2\,^{\circ }\textrm{C}\), der tatsächliche maximale Temperaturanstieg des Betons betrug etwa \( 37,0\,^{\circ }\textrm{C}\), und der Temperaturpeak erschien bei \(43\textrm{h}\) nach Beginn des Betongießens;

Der maximale Temperaturunterschied zwischen dem Betoninneren und der Betonoberfläche trat 49 Stunden nach dem Gießen auf und der Temperaturunterschied betrug \(27,1\,^{\circ }\textrm{C}\);

Die Innentemperatur des Betons entspricht nach Beginn des Gießens der Umgebungstemperatur von \(193\,\textrm{h}\) und die interne Temperaturableitung ist abgeschlossen.

Zeitverlaufskurve der konkreten Temperatur.

Das Finite-Elemente-Modell der Hydratationswärmeanalyse des experimentellen Modells wurde unter Verwendung fester Elemente in Finite-Elemente-Software erstellt. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationstemperaturberechnung wird die Hydratationswärme-Zeitverlaufsanalyse durchgeführt und vor Ort mit den tatsächlich gemessenen Werten verglichen. Die zeitliche Verlaufskurve der Betontemperatur ist in Abb. 12 dargestellt. Aus Abb. 12 ist ersichtlich, dass die berechnete maximale Temperatur des Modellbetons \(46,7\,^{\circ }\textrm{C}\) beträgt. der etwas vom tatsächlichen Messwert über den Temperatursensor abweicht. Die berechnete Spitzentemperatur und der Zeitpunkt des Auftretens der Betontemperaturspitze stimmen mit dem gemessenen Wert überein. Das Gesetz des Anstiegs und Abfalls der Betontemperatur stimmt mit den gemessenen Werten überein, was zeigt, dass das Berechnungsergebnis genau und zuverlässig ist. Für die hohe Temperatur im Sommerfall (die Umgebungstemperatur beträgt \(28,0\,^{\circ }\textrm{C}\)) zeigen die Berechnungsergebnisse, dass der maximale Temperaturanstieg im Beton \(67,8\, ^{\circ }\textrm{C}\), die Temperaturspitzenzeit erscheint \(44\,\textrm{h}\) nach Beginn des Gießens und der Temperaturanstieg beträgt etwa \(39,8\,^{\ circ }\textrm{C}\). Daher sollten in der heißen Jahreszeit Maßnahmen wie die Senkung der Gießtemperatur, die Kontrolle der Temperatur- und Feuchtigkeitsumgebung des Gießbereichs vor Ort und die Wahl der geeigneten Gießzeit ergriffen werden, um sicherzustellen, dass die Innentemperatur des Betons den Entwurfsanforderungen entspricht .

Die Verformung von Beton

Die Wirkung der Betonverformungskontrolle kann anhand der Betonbeanspruchung in verschiedenen Teilen überprüft werden. Die gesammelten Messdaten des Betondehnungsfelds wurden organisiert und in Zeitverlaufskurven der Betondehnung dargestellt, wie in Abb. 13 dargestellt. Aus Abb. 13 ist ersichtlich, dass der im Beton beobachtete maximale Dehnungswert etwa \(111\times 10) beträgt ^{-6}\), und der minimale Dehnungswert beträgt etwa \(-35\times 10^{-6}\). Der Spannungsänderungsverlauf stimmt mit dem konkreten Temperaturänderungsverlauf überein. Die Erscheinungszeit des maximalen Dehnungswerts ist die gleiche wie die Erscheinungszeit des maximalen Temperaturwerts, und der Anstieg der Innentemperatur des Betons hat einen größeren Einfluss auf die Betonverformung. Nachdem die Wärme im Beton abgeführt wurde (\(193\,\textrm{h}\)), ist der Verformungswert jedes Messpunkts stabil und der Dehnungswert verschiedener Messpunkte ist stabil bei \(5,8\times 10^). {-6}{\sim }-35\times 10^{-6}\). Die Verformung des Betons ändert sich langsam mit der Schwankung der Umgebungstemperatur.

Zeitverlaufskurve der Betondehnung.

Die Aushöhlungsrate der Stahlhülle

Als Kontrollgitter wird ein Quadrat von \(40\times 40\,\textrm{cm}\) verwendet, und jedes Gitter ist eine gemeinsame Messfläche. Jede Oberfläche der Stahlhülle ist in Standardmessbereiche unterteilt. Wenn im quadratischen Standardmessbereich \(40\times 40\,\textrm{cm}\) Betonhohlräume vorhanden sind, wird das Gitter im Messbereich verfeinert und die Größe des verfeinerten Gitters beträgt \(10\ mal 10\,\textrm{cm}\). Der Hohlraumbereich mit weniger als 0,5 verfeinerten Gittern wird verworfen, und der Hohlraumbereich mit mehr als 0,5 verfeinerten Gittern wird als 1 verfeinertes Gitter gezählt. Abbildung 14 zeigt die Verteilung der Hohlraumflächen anhand der Messergebnisse. Aus der Abbildung der Hohlraumverteilung ist ersichtlich, dass die Hohlraumrate im oberen Teil des Stahlmantels deutlich höher ist als im unteren Teil, was durch das Aufschwimmen und Ansammeln interner Luftblasen während des Betongießvorgangs verursacht werden kann. Die Hohlraumrate auf beiden Seiten der äußeren Stahlschale ist höher als in der Mitte, während die Hohlraumrate in der Mitte der inneren Stahlschale höher ist als auf beiden Seiten. Die statistischen Daten sind in Tabelle 4 aufgeführt. Der Hohlraumanteil der äußeren Stahlschale beträgt etwa 10–15 % und der Hohlraumanteil der inneren Stahlschale beträgt etwa 6–11 %. Der Gesamtporenanteil des äußeren Stahlmantels beträgt 12,41 % und der Gesamtporenanteil des inneren Stahlmantels beträgt 7,86 %. Dies bedeutet, dass die Hohlraumrate der inneren Stahlschale deutlich geringer ist als die der äußeren Stahlschale. Daher ist es notwendig, die Gießmethode und die Aushärtungsbedingungen in der eigentlichen Brückenkonstruktion weiter zu verbessern, um die Hohlraumrate zu reduzieren, beispielsweise durch eine Verstärkung der Vibration der möglichen Hohlraumbereiche oder des eingebauten Abgasrohrs und gleichzeitig durch die Einführung einer gewissen Isolierung Maßnahmen während der Aushärtung des Betons zur Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen Stahlmantel und Beton. In Bereichen mit schwerwiegenden Hohlräumen kann zur Sanierung ein sekundärer Verguss erforderlich sein.

Erkennungsergebnisse von Betonaushöhlungen.

Der Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylon ist ein neuartiger Pylon, der permanente und temporäre Strukturen kombiniert. Die Stahlschale ist nicht nur an der strukturellen Kraft beteiligt, sondern auch an der Betonierschalung. Die Bewehrungsstäbe im Pylon werden im Werk positioniert und mit der Stahlhülle zusammengebaut, wodurch der Prozess der Montage der Bewehrung vor Ort entfällt und so ein schneller Bau des Pylons ermöglicht wird. Je nach Höhe und Gewicht des Turmsegments wird der Stahlmantel im unteren Teil mit einem Schwimmkran und der Stahlmantel im mittleren und oberen Teil mit einem Turmkran angehoben. Bei der Installation im unteren Teil wird die temporäre Bauunterstützung des 0#-Blocks des Hauptträgers als Bauarbeitsplattform verwendet, und bei der Installation im mittleren und oberen Teil wird ein hydraulisches automatisches Kletterplattformsystem verwendet.

Die präzise Positionierung und Installation des ersten Segments der Stahlhülle bildet die Grundlage für die Konstruktion des Pylons und seine Installationsgenauigkeit wirkt sich direkt auf die Installationsgenauigkeit des gesamten Pylons aus. Da die Stahlschalensegmente bereits im Werk bearbeitet wurden, handelt es sich bei der Montage vor Ort lediglich um eine Reproduktion der Montage im Werk und ihre räumliche Position ist nicht wie bei einem Betonpylon Segment für Segment einstellbar. Daher muss der Platz für die Bodenplatte und die Oberseite des ersten Turmsegments sehr genau sein. JYRB nutzt die folgenden Aspekte, um die genaue Positionierung des Pylons sicherzustellen (siehe Abb. 15):

Verwendung der BIM-Technologie (Building Information Modeling) zur Analyse der Kollision und Positionierung von Bewehrungsstäben. Es wurde ein BIM-Modell erstellt, das das erste Segment des Pylons mit der Positionierung eingebetteter Teile, der Plattform und der Pylonbasis sowie der Durchführung einer Kollisionsprüfung umfasste. Lokalisieren Sie mithilfe des BIM-Modells genau die spezifischen Positionen jedes vertikal eingebetteten Bewehrungsstabs, um die genaue Ausrichtung des eingebetteten vertikalen Hauptstabs auf der Oberseite der Plattform und des im Stahlmantel vorinstallierten vertikalen Hauptstabs zu realisieren.

In der Plattform sind zwei Positionierungsplatten für Bewehrungsstäbe installiert, um die Präzision der eingebetteten Bewehrungsstäbe zu verbessern. Die Bewehrungslöcher auf den Positionierungsplatten werden mit CNC-Werkzeugmaschinen (Computer Numerical Control) genau positioniert und gebohrt.

Einbettung von Positionierungsrahmen zur Sicherstellung der Einbaugenauigkeit der Stahlschale des ersten Segments. Am Fuß der Stahlschale des ersten Segments werden im Werk vertikale und horizontale Positionierungsrahmen angebracht. Gleichzeitig wird beim Bau der Plattform ein weiterer Positionierungsrahmen eingebettet, um die Einbaugenauigkeit des ersten Segments der Stahlschale sicherzustellen.

Verwendung der Taper-Locking-Hülsen-Verbindungstechnologie. Aufgrund des großen Profilquerschnitts ist es schwierig, die Schnittstelle zwischen den Segmenten zu kontrollieren und anzupassen. Faktoren wie interne und externe Wandversteifungen, Winkelstahl, horizontale Stahlstangen und kreuz und quer verlaufende Bügel sowie unvorhersehbare Verformungen und die Auswirkungen des Betonierens beeinflussen alle die Installationsgenauigkeit des ersten Segments der Stahlschale. Daher ist es schwierig, gerade Gewindehülsen zum Verbinden der vertikalen Bewehrungsstäbe zu verwenden. Konische Sicherungshülsen verbinden die vertikalen Bewehrungsstäbe im Bauprozess und lösen so das Verbindungsproblem von voreinbetonierten Bewehrungsstäben in großen Querschnittssegmenten.

Präzise Positionierungstechnik für das erste Segment.

Da es sich bei den Segmenten des Stahlmantels um speziell geformte Strukturen handelt und die Mitte des Segments in der vertikalen Projektion nicht überlappt, bringt dies erhebliche Schwierigkeiten bei der präzisen Positionierung des Segmenthubs mit sich. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger, verstellbarer Präzisionsstrebenspreizer für den Segmenthub entwickelt. Wie in Abb. 16 dargestellt, besteht der Spreader aus vier Balken, vier Paaren oberer und unterer Verbindungsgelenke und Stahldrahtseilen. Durch Einstellen der Länge der Spreizbalken und Einstellen des Einstellschäkels am Ende der Stahldrahtseile wird die Funktion der Einstellung des Abstands des Hebepunkts, der Neigung des Segments und des Hebeschwerpunkts realisiert. Es löst das Hebeproblem der speziell geformten Stahlschalensegmente des Pylons.

Heben und präzise Positionierung der Stahlschalensegmente.

Um das Segment schnell zu lokalisieren und mit dem installierten Segment zu verbinden, werden im Werk passende Teile zwischen diesen Segmenten installiert. Nachdem die Verbindung zwischen den Segmenten abgeschlossen ist, wird das passende Gerät freigegeben. Wenn Sie vor Ort eine präzise Positionseinstellung durchführen, stellen Sie zunächst die tragenden Stahlplatten der acht passenden Teile an der Unterseite des Stahlschalensegments gemäß den passenden Daten im Werk und den Überwachungsanweisungen ein. Zweitens behält jeder Pylonschenkel einen passenden Verriegelungspunkt-Stanznagel und entfernt die restlichen drei passenden Teile, Stanznägel und Bolzen, so dass das Segment in der horizontalen Ebene leicht gedreht werden kann. Gleichzeitig werden die passenden Teile in Form gehalten und die Seite zur Torsionskorrektur mit Stahlplatten ausgefüllt. Nachdem die Anpassung vorgenommen wurde, muss sie erneut überprüft werden, und der nachfolgende Prozess kann erstellt werden, sobald die Anforderungen erfüllt sind.

Hervorzuheben ist, dass das Stahlmantelsegment stirnseitig nicht bearbeitet wurde. Im Vergleich zum Stahlkonstruktionspylon mit bearbeiteter Stirnseite weisen die unbearbeiteten Stahlschalensegmente eine geringe vertikale Grundliniengenauigkeit und Vormontagegenauigkeit sowie eine schlechte Befestigungswirkung passender Teile auf. In dieser Hinsicht wird der Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmast fehleranfälliger sein als Stahlmasten. Daher ist es notwendig, mehr Anpassungssegmente festzulegen, um den Fehler zu korrigieren und anzupassen.

Die hydraulische automatische Kletterplattform wird häufig beim Bau hoher Pylone im Brückenbau eingesetzt. Das herkömmliche Klettersystem besteht aus zwei Teilen: Schienen und einer Kletterplattform. Bei der Kletterkonstruktion wird in der Regel zunächst das Gleis und anschließend die Bauplattform erklommen. Der Bauprozess des gesamten Systems ist kompliziert und die Bauzeit verlängert sich. Die Gleise und die Bauplattform weisen ein anderes Design auf, wodurch sich die Raumgröße und das Gewicht des gesamten Systems erhöhen.

Für den Bau von Brückenpylonen aus Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundwerkstoff kommt eine neue hydraulische automatische Kletterplattform zum Einsatz. Diese neue automatische Kletterplattform besteht aus drei Schichten, um eine Betriebsplattform für das Heben von Stahlschalen, das Schweißen zwischen den Segmenten und die Oberflächenbeschichtung bereitzustellen. Gleichzeitig führt das System auch eine Reihe intelligenter Steuerungssysteme ein, dh standardmäßige kleine Hydrauliksysteme, Echtzeitüberwachungssysteme und intelligente Frühwarnsysteme, siehe Abb. 17. Im Vergleich zur herkömmlichen Kletterplattform ist diese automatische Kletterplattform realisiert das synchrone Klettern von Gleis und Bauplattform und reduziert so die Arbeitsschritte und das Gesamtgewicht des Klettergeräts. Gleichzeitig ist die manuelle Bedienplattform skalierbar, was wiederholte manuelle Demontage- und Montagearbeiten vermeidet und dadurch die Arbeitseffizienz und den Windwiderstand der Bauplattform verbessert.

Hydraulische automatische Kletterplattform.

Eine Autopumpe gießt den Beton des unteren Teils des Pylons. Aufgrund der begrenzten Pumphöhe der Autopumpe wird der Beton des mittleren und oberen Teils von einem großen Pylonkran gefördert, der den Trichter anhebt. Das Setzmaß des Betons kann auf \(18\sim 20\,\textrm{cm}\) kontrolliert werden, wodurch die Leistung der Betonkonstruktion gewährleistet wird. Kühllager dienen zur Kühlung von Sand und Steinen bei heißem Sommerwetter. Gleichzeitig wird der Crushed-Ice-Mechanismus zum Kühlen des Mischwassers verwendet, um den Betoneintritt in die Stahlschalen zu kontrollieren und sicherzustellen, dass die Kerntemperatur des Betons nicht größer als \(65,0\,^{\circ }\textrm{ C}\). Vibrationslöcher sind auf der horizontalen Versteifungsplatte im Stahlmantel vorgesehen. Während des Betongieß- und Rüttelvorgangs wird der Rüttelstab in das Rüttelloch eingeführt, um die Kompaktheit des Betons sicherzustellen. Beim Gießen des Betons in der Nähe der Stahlverkleidung werden die an den umlaufenden Versteifungsplatten geöffneten Betonvibrations- und Entlüftungslöcher mit einem Durchmesser von \(70\,\textrm{mm}\) vollständig genutzt, um die Qualität der Betongießkonstruktion sicherzustellen.

Um Risse zwischen dem Beton und der Stahlschale aufgrund des schnellen Wasserverlusts an der Betonoberfläche zu vermeiden, sollte der obere Beton rechtzeitig nach dem ersten Abbinden des Betons durch Wasserspeicher geschützt werden, die Wasserspeichertiefe jedoch nicht kleiner als \(10\,\textrm{mm}\) sein. Achtundvierzig Stunden nach dem endgültigen Aushärten des Betons wird die Oberfläche mit einem Elektropickel zerkleinert und die Tiefe auf etwa \(10\,\textrm{mm}\) eingestellt. Die Betonschlacke wird nach dem Meißeln mit einem Staubsauger gereinigt, um die Effizienz und Wirkung der Schlackenentfernung zu verbessern. Das Gießen und Aushärten von Beton ist in Abb. 18 dargestellt.

Betongießen und Aushärten im Stahlgehäuse.

Die Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylone wurden erstmals bei derart weitgespannten Schrägseilbrücken eingesetzt. Es hat ideale Ergebnisse bei der Steigerung der Fabrikproduktion, der schnellen Bauweise und der Reduzierung des Arbeitsaufwands erzielt. Der Vergleich mit Betonmasten und Stahlmasten hinsichtlich Bauinvestition und Baueffizienz ist in Tabelle 5 dargestellt.

Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass es nur wenige temporäre Anlagen für den Bau von Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmasten gibt, die Baugeschwindigkeit etwa 1,4-mal so hoch ist wie bei Betonmasten und der Arbeitsaufwand nur etwa 1/4 davon beträgt aus Betonpylonen. Der Großteil der Arbeiten wird im Werk erledigt, was die werksseitige Mastbaurate deutlich steigern und die Bauqualität gewährleisten kann. Durch die Reduzierung des Arbeitsaufwands sind Sicherheitsmanagement und -kontrolle einfach umzusetzen und die Sicherheit des Baupersonals wird verbessert. Obwohl Stahlmasten in dieser Hinsicht möglicherweise eine größere Rolle spielen als Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmasten, sind die Baukosten von Stahlmasten aufgrund der für Stahlmasten erforderlichen umfangreichen Hebeausrüstung etwa dreimal so hoch wie die von Betonmasten. Allerdings kosten die Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmasten nur das 1,2-fache der Betonmasten. Daher verbraucht er etwas mehr als der Betonmast und erzielt in vielen anderen Aspekten bessere Ergebnisse. Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundmasten können eine gute Wahl für kabelgestützte Brücken mit großer Spannweite sein.

Der Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylon ist ein neuartiger Stahl-Beton-Verbundpylon, der erstmals bei der Schrägseilbrücke mit großer Spannweite eingesetzt wurde. Diese Studie konzentriert sich auf die Designideen und wichtigsten Konstruktionstechniken dieses Pylontyps und zieht folgende Schlussfolgerungen:

Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Brückenpylone gute mechanische Eigenschaften aufweisen und die Sicherheit des Bauwerks gewährleisten können.

Der groß angelegte Prozessmodelltest bestätigte die Machbarkeit eines schnellen Baus des Bauwerks und lieferte eine frühzeitige Warnung vor möglichen Problemen bei tatsächlichen Bauwerken.

Der Einsatz der BIM-Technologie, die Forschung und Entwicklung spezieller Spreader und Bauplattformen gewährleisten die präzise Installation von Bauwerken.

Der werkseitig gefertigte modulare Aufbau der verstärkten Stahlschalenkonstruktion reduziert effektiv die Intensität und Schwierigkeit der Arbeiten vor Ort, verbessert die Qualität des Projekts und reduziert das Baurisiko.

Die erfolgreiche Anwendung dieses Brückenpylons markiert die Bildung einer kompletten Reihe von Konstruktionstechnologien für Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylonen, die in ähnlichen Brücken weit verbreitet eingesetzt werden können.

Einige oder alle Daten, Modelle oder Codes, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von der Natural Science Foundation der Provinz Hunan, China (Nr. 2021JJ40593) und offenen Mitteln des Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control des Bildungsministeriums der Changsha University of Science and Technology, China (Nr. 19KB08) unterstützt. . Wir danken für diese Programme.

Hochschule für Bauingenieurwesen, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan, China

Bida Pei

CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd., Wuhan, Hubei, China

Aixiu Chong, Huan Xia und Xueyun Kang

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BP konzipierte und gestaltete die Forschung. AC und XK führten die numerische Simulation und die Feldtests durch. BP und HX analysierten die Daten. BP hat die Grammatikprüfung und die Inhaltsüberprüfung abgeschlossen. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Bida Pei.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pei, B., Chong, A., Xia, H. et al. Design und Schlüsselkonstruktionstechnologie eines Stahl-Beton-Stahl-Sandwich-Verbundpylons für eine Schrägseilbrücke mit großer Spannweite. Sci Rep 13, 6626 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33316-7

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Eingegangen: 04. Oktober 2022

Angenommen: 11. April 2023

Veröffentlicht: 24. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33316-7

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