Diseño y tecnología clave de construcción de acero. - Cumbre de ZhuhaiPinnacle Group Co.,Ltd

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6626 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Este documento presenta un nuevo tipo de pilón compuesto de acero y hormigón que se ha aplicado al quinto puente sobre el río Yangtze de Nanjing (un puente atirantado de tres pilones con un tramo principal de 600 m). Para este nuevo tipo de torre, las cubiertas de acero están conectadas con hormigón a través de conectores de corte PBL y espárragos, y las cubiertas de acero internas están conectadas con las cubiertas de acero externas mediante ángulos de acero. El análisis numérico y las pruebas del modelo a escala real muestran que la estructura del pilón exhibe excelentes propiedades mecánicas y rendimiento de construcción. La aplicación de la tecnología BIM, la investigación y el desarrollo de crucetas especiales y plataformas de construcción aseguran la instalación precisa de las estructuras. El ensamblaje modular altamente fabricado en fábrica de la estructura de armazón de acero reforzado puede reducir efectivamente la intensidad y la dificultad de las operaciones en el sitio y mejorar la calidad del proyecto, con bajos riesgos de construcción. Considerando que, la aplicación exitosa de este pilón compuesto de sándwich de acero, hormigón y acero marca la formación de un conjunto completo de tecnología de construcción de pilón compuesto de sándwich de acero, hormigón y acero, que se puede utilizar ampliamente en puentes similares.

Los pilones son los componentes críticos de carga de los puentes soportados por cables y son responsables de transmitir las cargas desde los cables hasta los cimientos del puente. Por lo tanto, la estabilidad de los puentes depende de la estabilidad y rigidez de las torres. La investigación y el desarrollo de una estructura de pilón con propiedades mecánicas mejoradas, la prefabricación industrial, un montaje más rápido y una calidad confiable son primordiales para la ingeniería de puentes.

Tradicionalmente, las torres de los puentes soportados por cables se fabrican con torres de estructura de acero o torres de estructura de hormigón1. Aunque los pilones de estructura de acero tienen las ventajas de la prefabricación en fábrica y las erecciones modulares, su aplicación es mucho menor que la de los pilones de hormigón debido al alto costo. Debido a los requisitos de alta rigidez para la torre, las torres deben tener un área de sección transversal más grande y, por lo tanto, se usa más acero, lo que da como resultado un costo de construcción de aproximadamente tres veces el de una torre de hormigón. El pilón de hormigón tiene las ventajas de una alta rigidez y buena estabilidad y menores costos de construcción. Aún así, su método de construcción es una serie de etapas complicadas, es decir, instalación de esqueleto rígido, unión de barras de refuerzo, instalación y ajuste de encofrado y vertido de hormigón. Las operaciones de construcción se basan principalmente en mano de obra manual con baja estandarización y prefabricación, lo que se traduce en largos períodos de construcción, alta intensidad de operación en el sitio, alto riesgo y ciclos prolongados de ocupación de equipos.

Los pilones compuestos de acero y hormigón exhiben muchas ventajas sobre los pilones de acero y hormigón. La estructura de acero puede ahorrar mucho tiempo mediante la prefabricación en fábrica y la instalación modular. Al mismo tiempo, también se puede utilizar como plantilla para verter hormigón. La estructura de acero restringe el hormigón, mejorando aún más su capacidad de carga. La combinación de acero y hormigón también hereda las ventajas de las altas rigideces del pilón de hormigón.

Los pilones compuestos de acero y hormigón se utilizan principalmente en pilones con formas geométricas complejas. Por ejemplo, debido a la compleja geometría del puente atirantado Alamillo, el diseño original del pilón de hormigón armado se cambió a una estructura mixta para reducir el tiempo requerido para la construcción. Por lo tanto, una caja de metal exterior conectada al concreto reemplazó muchas barras de acero, que habrían tomado mucho más tiempo para instalar2. La acción compuesta se logra mediante conectores de espárragos soldados directamente en las placas de acero principales que forman la carcasa exterior y los refuerzos horizontales de las placas principales que también se tuvieron en cuenta en la transmisión de la fuerza de corte entre el acero y el hormigón. Hsu et al. investigó el comportamiento observado de las columnas de caja sándwich que consistían en tubos de acero de pared delgada doble con hormigón entre ellos sometidos a una combinación de carga axial y de flexión. Los resultados muestran que el fuerte rendimiento de los elementos sándwich es superior al de sus correspondientes elementos tubulares rellenos de hormigón. La mejora en la resistencia alcanzó hasta el 45 por ciento para las secciones tipo sándwich con tubos exteriores no compactos3. La columna del pilón superior del puente Stonecutters adopta una estructura compuesta de acero y hormigón. La estructura de acero está hecha de acero inoxidable y solo se utilizan pernos soldados para conectar el acero y el hormigón6. Tao et al. estudió la resistencia y la rigidez de columnas tubulares de acero rellenas de hormigón con rigidizadores longitudinales soldados interior o exteriormente bajo compresión axial4. Xie et al. estudió una forma innovadora de construcción en sándwich de acero-hormigón-acero, en la que las dos placas de acero están interconectadas por una serie de conectores de barra transversal simultáneamente soldados por fricción en ambos extremos5. Zeng et al. diseñó y produjo cinco especímenes con conectores de placa perforada y cinco especímenes con conectores de espárragos soldados para estudiar el comportamiento observado del pilón compuesto de acero y concreto de doble piel bajo carga axial y carga axial constante combinada con carga lateral cíclica, respectivamente7. Leng WH estudió el método de cálculo de la capacidad portante de los conectores de cortante PBL del pilón curvo compuesto de hormigón y acero pretensado del puente de Lichuan y los factores que afectan la contracción y la fluencia del hormigón en la estructura de acero8. JYRichard Liew et al. investigó el desempeño de una innovadora estructura compuesta tipo sándwich con conectores de gancho en J, incluidas vigas compuestas tipo sándwich, placas compuestas tipo sándwich y muros tipo sándwich compuestos sujetos a explosiones, impactos, fatiga y cargas estáticas9. Wei et al. estudiado sobre el mecanismo de transmisión de fuerza de un pilón compuesto de acero y hormigón con un pilón de acero superior y un pilón de hormigón inferior en la unión de acero y hormigón mediante un ensayo de modelo a escala10. Wang et al. estudió los efectos de diferentes formas de sección transversal y conectores de cortante en el pilón compuesto de acero y hormigón, y los resultados mostraron que, en comparación con la sección transversal rectangular, la sección transversal rectangular con chaflanes tiene una mayor capacidad para resistir el pandeo local, y los conectores de corte pueden aumentar en gran medida la capacidad de carga y la ductilidad del pilón1 compuesto de acero y hormigón.

Sin embargo, los pilones compuestos de acero y hormigón se utilizan principalmente en puentes atirantados con luces inferiores a \(200\,\textrm{m}\) en China, pero estos pilones normalmente solo tienen una cubierta exterior de acero. Los casos de aplicación informados públicamente de proyectos de pilones de puentes compuestos de acero y hormigón se muestran en la Tabla 1. Este estudio presenta un nuevo tipo de pilones compuestos de acero y hormigón, la cubierta de acero está conectada al hormigón a través de conectores de corte PBL y espárragos, y el acero interior La carcasa está conectada a la carcasa de acero exterior mediante aceros angulares. Las barras de refuerzo penetrantes de los conectores de cortante PBL también se utilizan como refuerzo principal del hormigón. Las cubiertas de acero interior y exterior también son el encofrado para el vertido de hormigón y, finalmente, forman un pilón compuesto tipo sándwich de acero-hormigón-acero. Este tipo de pilón se aplica, por primera vez, a puentes soportados por cables con una luz superior a \(500\,\textrm{m}\). Este tipo de torre tiene las ventajas de una alta prefabricación, construcción rápida, calidad confiable, buena dureza y plasticidad y una buena apariencia. Este artículo presentará específicamente el diseño y la construcción de un pilón compuesto tipo sándwich de acero-hormigón-acero aplicado en un puente atirantado con una luz principal de \(600\,\textrm{m}\). La investigación de este proyecto es de gran importancia para promover la mejora industrial de la construcción de puentes desde la construcción hasta la fabricación, y también podría usarse como referencia para tipos de puentes similares.

El puente en este estudio es el puente del río Yangtze de Jiangxinzhou en Nanjing (JYRB), conocido como el quinto puente del río Yangtze de Nanjing, que se inauguró en 2020. JYRB es un puente atirantado de vigas compuestas de UHPC de acero con tres pilones y cable doble. aviones Su disposición de intervalo es \(80\,\textrm{m}+218\,\textrm{m}+2\times 600\,\textrm{m}+218\,\textrm{m}+80\,\textrm {metro}\). La Figura 1 muestra el diseño de JYRB. La viga principal, con una altura de \(3,6\,\textrm{m}\) y un ancho de \(35,3\,\textrm{m}\), incluye seis carriles de circulación y dos aceras. Además, se compone de una viga cajón de acero plano y una capa de UHPC con agregados gruesos conectados a través de pernos de corte. Los tres pilones son uno central con una altura de \(177,407\,\textrm{m}\) y dos pilones laterales idénticos con una altura de \(169,7\,\textrm{m}\). Los tres pilones principales son todos pilones en forma de diamante en la dirección longitudinal, pero pilones de un solo pilar en la dirección transversal. Veinte pares de cables están anclados a cada lado de los pilones, y en este puente se utilizan un total de 240 cables.

Vista general del puente sobre el río Jiangxinzhou Yangtze en Nanjing. (a) vista en alzado; (b) sección de viga en cajón de acero.

Disposición de estructura de pilón medio y pilón lateral. (a) pilón central en el diseño de dirección transversal; (b) pilono medio en el diseño del perfil de dirección transversal. (c) pilón central en el diseño de dirección longitudinal; (d) pilono medio en el diseño del perfil de dirección longitudinal. (e) pilón lateral en el diseño de dirección transversal; (f) pilón lateral en el diseño del perfil de dirección transversal; (g) pilón lateral en el diseño de dirección longitudinal; h) Pilono lateral en la disposición del perfil de dirección longitudinal. (Unidad:cm).

Con el pilón medio como ejemplo, el pilón se puede dividir en las partes superior, media e inferior, y se diseña una viga transversal en la unión de las partes media e inferior (ver Fig. 2). Las alturas de las partes superior, media e inferior son \(55.007\,\textrm{m}\), \(81.550\,\textrm{m}\), y \(40.850\,\textrm{m}\) , respectivamente. La parte inferior es una estructura longitudinal de dos miembros, y cada miembro adopta la sección de caja con tres celdas (ver Fig. 3a). Los dos miembros de la parte inferior se separan gradualmente hacia arriba, y la distancia máxima entre los dos miembros es \(7 \,\textrm{m}\), mientras que las dos extremidades de la parte media se reúnen hacia arriba gradualmente hasta que la parte superior se funde en una sola extremidad. Las secciones estándar de las partes media y superior se muestran respectivamente en la Fig. 3b,c. Las estructuras de armazón de acero se muestran en la Fig. 4 para esas secciones de pilón.

Secciones del pilón: (a) sección estándar de la parte inferior del pilón; (b) sección estándar de la parte media del pilón; (c) sección estándar de la parte superior del pilono. (Unidad:cm).

La torre central (lateral) se divide en 37 (36) segmentos, y la altura del segmento estándar (más alto) de la torre es 4,8\(\,\textrm{m}\)(\(5,2\,\textrm{ metro}\)). El armazón de acero del pilón se compone de paneles de acero internos y externos, refuerzos verticales y horizontales, pernos de corte, ángulos de acero de conexión, etc. (Fig. 2). El espesor estándar de la placa de acero exterior es \(14\,\textrm{mm}\), de los cuales \(20\,\textrm{mm}\) y \(16\,\textrm{mm}\) son utilizado para parte de la placa de acero exterior por encima y por debajo de la viga inferior y el primer segmento de la parte inferior del pilón. El grosor estándar de las placas de la pared interior es \(6\,\textrm{mm}\). El tamaño del rigidizador vertical es \(128\times 10\,\textrm{mm}\), mientras que el tamaño del rigidizador horizontal es \(200\times 10\,\textrm{mm}\). El espaciado estándar de esos refuerzos es \(400\,\textrm{mm}\), los refuerzos se ensanchan localmente para adaptarse a la conexión de acero en ángulo. Los orificios \(\phi 60\,\textrm{mm}\) se colocan en el refuerzo vertical para pasar a través de las barras de refuerzo horizontales, y \(\phi 86\,\textrm{mm}\) y \(\phi Se colocan agujeros de 80\,\textrm{mm}\) en el refuerzo horizontal para pasar a través de las barras de refuerzo verticales. Además, algunos orificios \(\phi 70\,\textrm{mm}\) se colocan en los refuerzos horizontales para verter y vibrar el concreto. Las barras de refuerzo adoptan barras de refuerzo de grado HRB400, y los diámetros de las barras de refuerzo verticales y horizontales son \(36\,\textrm{mm}\) y \(22\,\textrm{mm}\) respectivamente. Vale la pena señalar que debido a que las barras de refuerzo pasan a través de los refuerzos, los refuerzos y las barras de refuerzo ya no son solo refuerzos y barras de refuerzo en el sentido simple. Se combinan para formar conexiones de corte PBL, realizando así el trabajo colaborativo de la estructura de acero y el hormigón. Los pernos de corte con un diámetro de \(22\,\textrm{mm}\) y una altura de \(150\,\textrm{mm}\) después de la soldadura se sueldan al centro de la rejilla rectangular formada por la vertical refuerzo y el refuerzo horizontal, lo que fortalece aún más la conexión entre el hormigón y la cubierta de acero. Las placas de acero exterior e interior están conectadas en un todo a través del ángulo de acero \(L75\times 8\,\textrm{mm}\), que es beneficioso para controlar la deformación de la cubierta de acero cuando se vierte el hormigón y aumenta la segmento de rigidez general de la carcasa de acero. Los paneles de acero interior y exterior y los refuerzos de la carcasa de acero están hechos de acero Q345C, y el resto de los paneles están hechos de acero Q235B. El hormigón del pilón es hormigón de retracción compensada C50.

Estructuras de armazón de acero del pilón: (a) estructura de armazón de acero de la parte inferior del pilón; (b) estructura de armazón de acero de la parte media del pilón; (c) estructura de armazón de acero de la parte superior del pilón. (Unidad:cm).

La viga transversal es una viga rectangular de acero con una altura de \(2.0\,\textrm{m}\) y un ancho de \(4.6\,\textrm{m}\). El espesor de la placa de acero de la viga transversal es \(20\,\textrm{mm}\). La altura del rigidizador longitudinal es \(160\,\textrm{mm}\), el espesor de la placa es \(16\,\textrm{mm}\), y el espesor del diafragma es \(12\ ,\textrm{mm}\). Hay 12 paquetes de \(\phi 15.2-22\) torones de acero pretensado externo de alta resistencia y baja relajación que se disponen a lo largo de la viga inferior, que se tensionan en ambos extremos con una tensión de control de tensión de \(1209\,\textrm {MPa}\). Además, hay 12 paquetes de \(\phi 15.2{-}15\) torones de acero pretensado externo de alta resistencia y baja relajación dispuestos a lo largo de la dirección longitudinal en la unión de la parte superior y la parte media, que están tensados en ambos extremos con un esfuerzo de control de tensión de \(1395\,\textrm{MPa}\).

A diferencia de los puentes atirantados tradicionales, la rigidez global de los puentes atirantados de tres pilones suele ser más despreciable debido a los dos vanos intermedios sin pilares auxiliares. Por lo tanto, se consideran diferentes métodos para mejorar la rigidez global de la estructura de un puente atirantado de tres o más pilones y la estabilidad del pilón central:

Mejorar la rigidez del pilón para garantizar la rigidez global y el rendimiento estructural de la estructura;

Aumente la altura de la viga principal para mejorar su rigidez de la viga principal;

Instalar cables auxiliares para aumentar la rigidez en la dirección longitudinal del pilón medio para mejorar la rigidez global y el rendimiento estructural de la estructura;

Los cables cruzados se utilizan para anclar en el medio del vano principal para formar un sistema de armadura para mejorar la rigidez global y el rendimiento de la estructura.

Sin embargo, aumentar la altura de la viga principal para mejorar la rigidez global de la estructura es más adecuado para puentes atirantados de varias torres con luces más pequeñas. Por ejemplo, el puente francés de Millau adopta este método. Sin embargo, no es económico para un puente atirantado de varias torres con grandes luces como JYRB. La instalación de los cables auxiliares entre los pilones puede jugar un papel importante en los puentes atirantados de varios pilones con luces medianas y pequeñas. Bien conocido, el pandeo aumenta significativamente con el aumento de la longitud del cable, lo que reduce la rigidez global y la estabilidad del cable11. Por lo tanto, este enfoque tiene un impacto mínimo en los puentes atirantados de varios pilones de gran luz. Para puentes atirantados con una luz principal de hasta \(600\,\textrm{m}\), el método de cables cruzados puede mejorar la rigidez global, pero la influencia mutua de la vibración del tirante inducida por el viento cables en las intersecciones de cables y cómo suprimirlos de manera efectiva son temas que necesitan más investigación. Por lo tanto, este proyecto adopta el método de aumentar la rigidez del pilón para mejorar la rigidez global. Para pilones en línea convencionales en la dirección longitudinal, la rigidez global del pilón medio debe aumentarse si aumenta el ancho longitudinal del pilón medio. Suponga que la rigidez global cumple con los requisitos de la especificación cuando se adopta el pilón en línea convencional en la dirección longitudinal. En ese caso, el ancho del pilón central a lo largo de la dirección longitudinal debe ser mayor que \(16\,\textrm{m}\) según los resultados del cálculo del modelo midas, lo que resulta en una baja eficiencia económica. Por lo tanto, este método necesita ser mejorado. Sin embargo, la apertura longitudinal de la columna del pilón puede mejorar significativamente la rigidez longitudinal del pilón central. Este debería ser un plan más económico y razonable.

Teóricamente, el pilón longitudinal en forma de A es la estructura más eficaz para el pilón de apertura longitudinal. Sin embargo, puede aumentar el tamaño de los cimientos a lo largo de la dirección longitudinal y las superficies de bloqueo de agua. La parte inferior debajo de la plataforma del puente del pilón se retrae para formar un pilón en forma de diamante, lo que puede reducir la cantidad de ingeniería del pilón y los cimientos al tiempo que garantiza la rigidez global del pilón.

Si el pilón se abre longitudinalmente en forma de diamante, y el pilón de doble columna todavía se usa transversalmente, el pilón tendrá cuatro patas por encima de la plataforma del puente. Esto dará como resultado fuerzas complejas para esta estructura de pilón. Además, los tirantes y el pilón de cuatro patas coexisten en un mismo espacio, lo que genera líneas espaciales complicadas y efectos visuales deficientes. Es necesario utilizar un pilón de un solo pilar en la dirección transversal. Por lo tanto, la apariencia general será concisa y suave, produciendo un efecto visual único.

Para el pilón de una sola columna que ocupa el espacio central de la viga principal, optimizar el tamaño de la estructura lateral del pilón bajo la premisa de cumplir con varios requisitos estructurales y técnicos es el punto de apoyo para reducir la escala del proyecto y reducir la inversión del proyecto. Es adecuado para las condiciones de construcción de JYRB y cumple con los requisitos de fuerza estructural de un puente atirantado con una luz principal de \(600\,\textrm{m}\). Si se utilizan torres de hormigón para JYRB, la dimensión lateral mínima de la torre será \(6.6\,\textrm{m}\). Para optimizar aún más las dimensiones laterales de la estructura del pilón, se deben realizar los siguientes esfuerzos: selección de materiales y composición estructural. Aunque las torres de alta tensión de acero se han utilizado en China con una experiencia madura en diseño y construcción. Además, el pilón de estructura de acero tiene una excelente capacidad de carga, desempeño sísmico y durabilidad estructural. Su superficie exterior lisa y limpia facilita la obtención de un mejor efecto estético. Sin embargo, la construcción de torres de estructura de acero requiere un gran equipo de mecanizado y elevación, lo que puede aumentar el costo del proyecto. Vale la pena señalar que para una sola torre, como una torre con forma de diamante en la dirección longitudinal, la rigidez a la flexión y la rigidez a la compresión de las torres de estructura de acero son desventajosas si las dimensiones geométricas de la torre de estructura de acero y la torre de concreto son las mismas. . Por lo tanto, combinando las ventajas y desventajas de la torre de concreto y la torre de acero, las torres compuestas de acero y concreto pueden ser una buena opción.

Dado que el espacio entre las aberturas longitudinales del pilón afectará la rigidez global de todo el puente cuando el espacio entre las aberturas longitudinales sea demasiado pequeño, la rigidez global de todo el puente puede no ser suficiente. Cuando el espaciamiento de la abertura longitudinal es demasiado grande, será antieconómico. Por lo tanto, se estableció un modelo de elementos finitos del sistema de barras de todo el puente para determinar un espacio de apertura longitudinal razonable. Además, el espacio de apertura longitudinal de los pilones intermedios se utilizó como parámetro para determinar el impacto del espacio de apertura longitudinal en las deformaciones de la viga principal bajo carga viva, para determinar el impacto del espacio de apertura longitudinal del pilón intermedio en la rigidez global de el puente. La Figura 5 muestra la deformación máxima de la viga principal bajo cargas de vida con diferentes espaciamientos longitudinales de apertura del pilón central. Como se ve en la Fig. 5, cuando el espacio de apertura longitudinal del pilón central es inferior a 18 m, el valor máximo de deformación de la viga principal bajo cargas de vida excederá la deflexión límite del código chino L/400. Esto muestra que si se utiliza un pilón único longitudinal en forma de rombo para un puente atirantado con una luz principal de 600 m, el espacio entre las aberturas longitudinales no puede ser inferior a 18 m para cumplir con los requisitos de rigidez global del puente. Teniendo en cuenta la rigidez, la estética, la economía y la comodidad de la construcción, el espacio final de la abertura longitudinal del puente se establece en 21 m.

El espacio de apertura longitudinal del pilón central.

El pilón es un elemento de flexión excéntrica, mientras que la rigidez axial \(\textrm{EA}\) y la rigidez a la flexión \(\textrm{EI}\) son dos índices importantes para medir la capacidad del pilón para resistir la deformación por fuerzas externas. Por lo tanto, el modelo básico se abstrae en función de los pilones reales para comparar el rendimiento de rigidez del acero, los pilones de hormigón y los pilones compuestos. A modo de comparación, se selecciona una sección de caja con un perfil exterior de \(5\,\textrm{m}\times 5\,\textrm{m}\). El espesor de la pared de la torre de concreto y la torre mixta es \(1\,\textrm{m}\), y el espesor de la pared de la torre de acero se calcula en función del costo equivalente. Como se muestra en la Fig. 6, hay un total de 332 barras de refuerzo en la sección del pilón de hormigón, que están dispuestas en dos capas. El espaciamiento de las barras de refuerzo es \(100\,\textrm{mm}\), el diámetro de las barras de acero es \(36\,\textrm{mm}\), y el espesor de la capa de hormigón es \( 25\,\textrm{mm}\). Mantuvieron las secciones del pilón compuesto y de concreto con el mismo contenido de acero para asegurar que los costos de material fueran los mismos. Con respecto a la torre de JXZB, el espesor de la cubierta de acero exterior podría ser \(14\,\textrm{mm}\), y el espesor de la cubierta de acero interior podría ser \(6\,\textrm{mm}\) a través de la conversión. Para mantener el costo del material de la torre de acero consistente con el de la torre de concreto, se calcula en base a \(6000\,\textrm{yuan}/\textrm{ton}\) para acero y \(500\,\textrm {yuan}/\textrm{square}\) para hormigón, y el espesor de la carcasa de acero convertida es \(25,26\,\textrm{mm}\).

Tres tipos de diagramas de sección transversal: (a) sección concreta; (b) sección de acero; (c) sección compuesta sándwich acero-hormigón-acero.

Para las tres secciones transversales anteriores del pilón, la comparación de la rigidez a la compresión axial \(\textrm{EA}\) y la rigidez a la flexión \(\textrm{EI}\) se muestran en la Tabla 2. El cálculo de la rigidez de la sección los resultados provienen de la calculadora de sección del software de elementos finitos Midas.

En la tabla se puede ver que la rigidez axial de la sección de pilón compuesto es la misma que la de la sección de pilón de concreto, y la rigidez a la flexión de la sección de pilón compuesto es ligeramente mayor que la de la sección de pilón de concreto. Tanto las secciones de pilón compuestas como las de concreto tienen una rigidez de sección significativamente mayor en comparación con las secciones de pilón de acero. Por lo tanto, la sección de pilón mixto hereda las ventajas de la importante rigidez de las secciones de pilón de hormigón. Al mismo tiempo, las cubiertas de acero en el pilón de estructura compuesta se utilizan como parte de las estructuras estresadas, que pueden reemplazar parte de las barras de refuerzo para reducir la cantidad de barras de refuerzo y reducir la dificultad de construcción. Las carcasas de acero también se pueden utilizar como plantilla para mejorar la comodidad y la eficiencia de la construcción. En resumen, la torre compuesta tiene ventajas en propiedades mecánicas y de construcción en comparación con las torres de acero y hormigón.

El modelo de elementos finitos de JXZB se estableció a través de Midas Civil para simular el proceso de las etapas de construcción para determinar la posición de la sección más desfavorable y la condición de trabajo más desfavorable. Posteriormente, se estableció el modelo de análisis local de dovelas de pilón mediante elementos sólidos a través de ANSYS. El esfuerzo máximo de tracción del hormigón es \(8.39\,\textrm{MPa}\), y el esfuerzo máximo de compresión es \(-18.3\,\textrm{MPa}\), que aparece en el segmento ZT1. El esfuerzo de tracción máximo de la carcasa de acero es \(54.6\,\textrm{MPa}\), y el esfuerzo de compresión máximo es \(-125\,\textrm{MPa}\), que aparece en el segmento ZT11, ver Fig. 7. Aunque la tensión de tracción máxima del hormigón en la estructura de acero supera el valor de diseño de la resistencia a la tracción del hormigón C50, el ancho de fisura máximo calculado es \(0,087\,\textrm{mm}\), que es menor que el valor límite en el código chino. Por lo tanto, la fuerza del pilón compuesto sándwich de acero-hormigón-acero cumple con los requisitos del código chino. Además, el software Midas también calculó los factores de seguridad de estabilidad estructural no lineal de 103 casos de cálculo en las etapas de construcción y operación. Los resultados del cálculo se muestran en la Fig. 8. Se puede ver en la figura que con el desarrollo de la construcción avanza, el coeficiente de estabilidad no lineal K se vuelve gradualmente más pequeño. Después de la finalización del puente, el valor tiende a ser estable y siempre es más significativo que el límite de especificación. Quizás algunas personas estén más preocupadas por la resistencia al corte de la llave de corte PBL y el vacío del concreto. Otros equipos de investigación han realizado estudios experimentales sobre las llaves de corte PBL horizontales y verticales de JXZB, y los resultados muestran que todas las llaves de corte PBL horizontales y verticales de JXZB tienen buena resistencia al corte. Para la tasa de vacío del concreto, nuestro equipo de investigación también lo está probando en una prueba de modelo a escala real. Para obtener resultados específicos, consulte el contenido de la siguiente sección.

El resultado de cálculo más desfavorable del pilono en estado límite de servicio.

El espacio de apertura longitudinal del pilón central.

El pilón compuesto sándwich de acero-hormigón-acero es ahora la primera aplicación en un puente de gran luz. Debido a su estructura compleja única, no es fácil de fabricar, instalar y construir. Para verificar la factibilidad y adaptabilidad del proceso de construcción, se llevó a cabo una prueba de proceso de modelo a escala real de este pilón, centrándose en el izado y posicionamiento de la carcasa de acero, la conexión del refuerzo en el sitio, el proceso de vertido de hormigón, el rendimiento laboral del hormigón y la ley de los cambios de temperatura y deformación. A través de la prueba del proceso del modelo a escala real, se previeron los procesos de construcción de un segmento de armazón de acero de la torre, se encontraron los problemas en los procesos de construcción y se propusieron los asuntos que necesitaban atención para guiar la construcción formal de la torre.

Con base en la experiencia previa de construcción, se determina que el proceso de construcción del pilón compuesto tipo sándwich de acero-hormigón-acero es el siguiente:

Fabricar y preensamblar los segmentos de la carcasa de acero en la fábrica;

Transporte los segmentos de la carcasa de acero;

Izar los segmentos de la carcasa de acero;

Montar los segmentos de la carcasa de acero;

Conecte las barras de refuerzo en la carcasa de acero y suelde los segmentos de la carcasa de acero;

Vierta y vibre el hormigón en la carcasa de acero;

Cure el hormigón en la carcasa de acero;

Cincelar la parte superior del hormigón y quitar la escoria;

Levante el siguiente segmento de la carcasa de acero.

Selección de segmentos de prueba

La selección de los segmentos de prueba debe reflejar las características estructurales de cada segmento de las torres y las posibles dificultades de construcción, y también debe reflejar los puntos clave del control de calidad de la construcción de los segmentos de torres en cada etapa. Combinando con la economía, después de una cuidadosa consideración, se eligieron el segmento BT24 (miembro único) y \(800\,\textrm{mm}\) de la parte superior del segmento BT23 (conectado al segmento BT24) del pilón lateral. como los segmentos del modelo de prueba a gran escala. El segmento BT24 está en el segmento superior de las partes medias del pilón lateral, como se muestra en la Fig. 2g. El modelo de prueba tiene una altura de \(5.6\,\textrm{m}\) y un peso de \(30.5\,\textrm{t}\). La estructura del modelo a escala real del segmento de prueba se muestra en la Fig. 9.

Procesos de prueba

Los segmentos de carcasa de acero se fabrican y ensamblan en la fábrica. Luego, se transportan al sitio del puente después de pasar la inspección y aceptación. El segmento de carcasa de acero BT23 se eleva con una grúa de coche. Luego, se fija el segmento de carcasa de acero BT23 en la base. El hormigón de altura inferior \(30\,\textrm{cm}\) se vierte previamente, y el hormigón restante de \(50\,\textrm{cm}\) altura se vierte junto con el segmento de carcasa de acero BT24. Una vez que el hormigón prevertido alcanza la resistencia de diseño, se eleva el segmento de carcasa de acero BT24 y se completa el posicionamiento inicial. Fije temporalmente los segmentos de la carcasa de acero con piezas coincidentes temporales entre los segmentos. Las piezas coincidentes temporales se liberan una vez que se completa la conexión de soldadura entre los segmentos de la carcasa de acero. La soldadura simétrica se utiliza para la conexión de segmentos para evitar un gradiente de temperatura excesivo de la carcasa de acero debido a la soldadura asimétrica. Después de calificar las soldaduras, se conectarán las barras de refuerzo verticales. Cuando los segmentos de la carcasa de acero están conectados, el hormigón se vierte capa por capa. El espesor de cada capa de hormigón es de aproximadamente \(40\,\textrm{cm}\). El almacenamiento de agua y el mantenimiento se llevan a cabo cuando el hormigón se fragua inicialmente.

Monitoreo de datos

Debido a la delgada placa de acero, es necesario monitorear la deformación de la placa de acero durante todo el proceso. Los sensores de deformación están dispuestos en la superficie de la placa de acero para obtener las deformaciones del proceso de elevación, soldadura y vertido de hormigón, como se muestra en la Fig. 10. Al mismo tiempo, para garantizar la calidad del hormigón que compensa la contracción, la temperatura, y la deformación del hormigón también fueron monitoreados en la prueba. La tensión y la temperatura son recopiladas por el colector de datos multifuncional Changsha Jinma JMBV-1116. Los datos de desplazamiento se recopilan mediante un indicador de cuadrante electrónico. El diseño de los puntos de medición correspondientes se muestra en la Fig. 10. Una vez que se completa el curado del concreto, se usa una prueba ultrasónica para detectar la tasa de ahuecamiento de la cubierta de acero.

Modelo de segmento a escala real.

Disposición de los puntos de levantamiento del modelo a escala completa: (a) distribución de los puntos de levantamiento en el mapa de elevación; (b) distribución de los puntos de medición en la sección del pilón.

Deformación de la carcasa de acero.

Durante el proceso de elevación, se establecen cuatro puntos de elevación en la pared exterior de la carcasa exterior de acero del segmento de la carcasa de acero para que se produzca la máxima deformación relativa en la carcasa interior de acero. Los resultados del análisis de elementos finitos del izaje muestran que el desplazamiento máximo ocurre en la cubierta interna de acero, el valor del desplazamiento es \(1.3\,\textrm{mm}\), ver Fig. 11a. Los resultados reales de la medición durante la elevación muestran que el desplazamiento máximo de la carcasa de acero ocurre en la carcasa de acero interior durante el proceso de elevación, y el valor de desplazamiento es \(1.1\,\textrm{mm}\), que es consistente con el valor finito resultados del análisis de elementos.

El campo de temperatura desigual del proceso de soldadura es propenso a la deformación residual de la soldadura. Supongamos que el valor de la deformación de la soldadura es considerable, lo que afectará la instalación y la confiabilidad de la estructura. Por lo tanto, es necesario prestar atención a la deformación residual de la soldadura. De acuerdo con los resultados reales de la medición, la deformación por soldadura de la sección superior del segmento de la carcasa de acero se muestra en la Fig. 11b. La deformación máxima durante el proceso de soldadura es de \(1.2\,\textrm{mm}\). Muestra que el proceso de soldadura tiene una influencia insignificante en la deformación de la carcasa de acero.

La deformación de la carcasa de acero: (a) los resultados del análisis de elementos finitos del izado; (b) la deformación por soldadura de la sección superior.

Los valores de deformación de la lámina de acero se miden para obtener la influencia de la presión lateral y la reacción del calor de hidratación sobre la deformación de la lámina de acero cuando se vierte el hormigón. La Tabla 3 muestra los valores máximos de deformación de la capa exterior de acero y la capa interior de acero de las secciones típicas (sección superior, sección media y sección inferior) del segmento. Se puede ver en la Tabla 3 que la deformación de la capa exterior de acero es mayor que la de la capa interior de acero, y la deformación de la sección superior es como la de la sección inferior, pero ambas son mayores que la deformación de la sección media. sección. Esto puede estar relacionado con la inclinación del segmento de la carcasa de acero. En general, el nivel de deformación del segmento es relativamente bajo y el valor máximo de deformación es menor que \(1.5\,\textrm{mm}\). Por lo tanto, el proceso de vertido de hormigón tiene poco efecto sobre la deformación de la carcasa de acero.

La temperatura del concreto

Como el experimento se llevó a cabo en el campo en invierno, la temperatura estuvo entre 0 y \(5.0\,^{\circ }\textrm{C}\). Por lo tanto, el concreto se mezcla con agua tibia y la temperatura del agua de mezclado es \(16.8\sim 17.5\,^{\circ }\textrm{C}\). La temperatura del hormigón que sale de la estación de mezclado es de aproximadamente \(8,5\,^{\circ }\textrm{C}\), y la temperatura de bombeo del hormigón es de aproximadamente \(10,0\,^{\circ }\textrm{ C}\). Los resultados del control de la temperatura del núcleo de hormigón mostraron que:

Después de verter el concreto, la temperatura interna del concreto comenzó a aumentar, la temperatura más alta fue \(47.2\,^{\circ }\textrm{C}\), el aumento de temperatura máximo real del concreto fue aproximadamente \( 37,0\,^{\circ }\textrm{C}\), y el pico de temperatura apareció en \(43\textrm{h}\) después del inicio del vertido de hormigón;

La máxima diferencia de temperatura entre el interior del concreto y la superficie ocurrió 49 h después del vertido, y la diferencia de temperatura fue \(27.1\,^{\circ }\textrm{C}\);

La temperatura interna del concreto es la misma que la temperatura ambiente de \(193\,\textrm{h}\) después del inicio del vertido, y la disipación de la temperatura interna se completa.

Curva de la historia del tiempo de la temperatura del hormigón.

El modelo de elementos finitos del análisis de calor de hidratación del modelo experimental se estableció utilizando elementos sólidos en un software de elementos finitos. De acuerdo con los resultados del cálculo de la temperatura de simulación, se lleva a cabo el análisis del historial del tiempo de calor de hidratación y se compara con los valores reales medidos en el lugar. La curva de la historia del tiempo de la temperatura del concreto se muestra en la Fig. 12. En la Fig. 12 se puede ver que la temperatura máxima calculada del modelo de concreto es \(46.7\,^{\circ }\textrm{C}\), que es un poco diferente del valor real medido a través del sensor de temperatura. La temperatura pico calculada y el tiempo de aparición del pico de temperatura del concreto son consistentes con el valor medido. La ley de subidas y bajadas de temperatura del hormigón es coherente con los valores medidos, lo que demuestra que el resultado del cálculo es preciso y fiable. Para la temperatura alta en el caso de verano (la temperatura ambiente es \(28,0\,^{\circ }\textrm{C}\)), los resultados del cálculo muestran que el aumento máximo de temperatura en el hormigón es \(67,8\, ^{\circ }\textrm{C}\), la hora pico de temperatura aparece \(44\,\textrm{h}\) después del inicio del vertido, y el aumento de temperatura es de aproximadamente \(39.8\,^{\ circ }\textrm{C}\). Por lo tanto, se deben tomar medidas como bajar la temperatura de vertido, controlar la temperatura y la humedad ambiental del área de vertido en el sitio y elegir el tiempo de vertido adecuado en la estación cálida para garantizar que la temperatura interna del hormigón cumpla con los requisitos de diseño. .

La deformación del hormigón.

El efecto del control de la deformación del hormigón se puede verificar según la deformación del hormigón en diferentes partes. Los datos de medición del campo de deformación del concreto recopilados se organizaron y dibujaron en curvas de historial de tiempo de deformación del concreto, como se muestra en la Fig. 13. En la Fig. 13 se puede ver que el valor máximo de deformación observado dentro del concreto es aproximadamente \(111\times 10 ^{-6}\), y el valor mínimo de deformación es aproximadamente \(-35\times 10^{-6}\). El historial de cambios de deformación es consistente con el historial de cambios de temperatura del concreto. El tiempo de aparición del valor máximo de deformación es el mismo que el tiempo de aparición del valor máximo de temperatura, y el aumento de la temperatura interna del hormigón tiene una influencia más significativa en la deformación del hormigón. Después de que se disipa el calor en el concreto (\(193\,\textrm{h}\)), el valor de deformación de cada punto de medición es estable, y el valor de deformación de diferentes puntos de medición es estable en \(5.8\times 10^ {-6}{\sim }-35\times 10^{-6}\). La deformación del hormigón cambia lentamente con la fluctuación de la temperatura ambiente.

Curva de historia del tiempo de deformación del hormigón.

La tasa de vaciado de la carcasa de acero.

Se usa un cuadrado \(40\times 40\,\textrm{cm}\) como cuadrícula de control, y cada cuadrícula es un área de medición común. Cada superficie de la carcasa de acero se divide en áreas de medición estándar. Si hay vacíos concretos en el área de medición estándar cuadrada \(40\times 40\,\textrm{cm}\), la cuadrícula se refinará en el área de medición y el tamaño de la cuadrícula refinada será \(10\ veces 10\,\textrm{cm}\). El área vacía con menos de 0,5 cuadrículas refinadas se descarta y el área vacía con más de 0,5 cuadrículas refinadas se cuenta como 1 cuadrícula refinada. La Figura 14 muestra la distribución de las áreas vacías en función de los resultados medidos. Se puede ver en la figura de distribución de vacíos que la tasa de vacíos de la parte superior de la carcasa de acero es significativamente mayor que la de la parte inferior, lo que puede ser causado por la flotación y acumulación de burbujas de aire internas durante el proceso de vertido del concreto. La tasa de vacíos en ambos lados de la capa exterior de acero es mayor que la del medio, mientras que la tasa de vacíos en el medio de la capa interna de acero es mayor que la de ambos lados. Los datos estadísticos se dan en la Tabla 4. La tasa de vacío de la capa exterior de acero es de aproximadamente 10 a 15 %, y la tasa de vacío de la capa interna de acero es de aproximadamente 6 a 11 %. La tasa total de vacíos de la capa exterior de acero es del 12,41 % y la tasa total de vacíos de la capa interior de acero es del 7,86 %. Esto significa que la tasa de vacío de la capa de acero interior es significativamente menor que la de la capa de acero exterior. Por lo tanto, es necesario mejorar aún más el método de vertido y las condiciones de curado en la construcción real del puente para reducir la tasa de vacíos, como fortalecer la vibración de las posibles áreas vacías o el tubo de escape incorporado y, al mismo tiempo, adoptar algún aislamiento. medidas durante el curado del hormigón para reducir la diferencia de temperatura de la carcasa de acero y el hormigón. Para áreas con vacíos serios, se puede requerir lechada secundaria para la remediación.

Resultados de detección de vaciado de hormigón.

El pilón compuesto sándwich de acero-hormigón-acero es un nuevo tipo de pilón que combina estructuras permanentes y temporales. La carcasa de acero no solo está involucrada en la fuerza estructural, sino también en un encofrado de vertido de hormigón. Las barras de refuerzo en el pilón se colocan y ensamblan con la carcasa de acero en la fábrica, lo que elimina el proceso de ensamblaje de refuerzo en el sitio, lo que permite la rápida construcción del pilón. De acuerdo con la altura y el peso del segmento de pilón, la estructura de acero en la parte inferior es izada por una grúa flotante y la estructura de acero en la parte media y superior es izada por una grúa de pilón. La instalación de la parte inferior utiliza el soporte de construcción temporal del bloque 0# de la viga principal como plataforma de trabajo de construcción, y la instalación de las partes media y superior utiliza un sistema de plataforma operativa de escalada automática hidráulica.

El posicionamiento e instalación precisos del primer segmento de la carcasa de acero es la base para garantizar la construcción del pilón, y su precisión de instalación afecta directamente la precisión de instalación de todo el pilón. Dado que los segmentos de la carcasa de acero se han procesado en la fábrica, la instalación en el sitio es solo una reproducción del ensamblaje en la fábrica, y su posición espacial no se puede ajustar segmento por segmento como una torre de hormigón. Por lo tanto, el espacio para la placa inferior y la superficie superior del primer segmento de pilón debe ser muy preciso. JYRB utiliza los siguientes aspectos para asegurar el posicionamiento preciso del pilón (ver Fig. 15):

Uso de la tecnología BIM (Building Information Modeling) para analizar la colisión y el posicionamiento de las barras de refuerzo. Se estableció un modelo BIM, que incluye el primer segmento del pilón con el posicionamiento de las partes empotradas, la plataforma y la base del pilón, y la realización de la inspección de colisión. Ubique con precisión las posiciones específicas de cada barra de refuerzo vertical incrustada a través del modelo BIM para realizar la alineación precisa de la barra principal vertical incrustada en la superficie superior de la plataforma y la barra principal vertical preinstalada en la carcasa de acero.

Se instalan dos placas de posicionamiento de barras de refuerzo en la plataforma para mejorar la precisión de las barras de refuerzo incrustadas. Los orificios de las barras de refuerzo en las placas de posicionamiento se colocan y perforan con precisión mediante máquinas herramienta CNC (control numérico computarizado).

Incrustación de marcos de posicionamiento para garantizar la precisión de instalación de la carcasa de acero del primer segmento. Los marcos de posicionamiento vertical y horizontal se colocan al pie de la carcasa de acero del primer segmento en la fábrica. Al mismo tiempo, se incrusta otro marco de posicionamiento durante la construcción de la plataforma para garantizar la precisión de la instalación del primer segmento de la carcasa de acero.

Usando tecnología de conexión de manguito de bloqueo cónico. Es difícil controlar y hacer coincidir la interfaz entre los segmentos debido a la sección transversal perfilada de gran tamaño. Factores como refuerzos de pared internos y externos, ángulo de acero, barras de acero horizontales y estribos entrecruzados, así como deformaciones impredecibles y el impacto del vertido de hormigón, afectan la precisión de la instalación del primer segmento de la carcasa de acero. Por lo tanto, es difícil usar manguitos roscados rectos para conectar las barras de refuerzo verticales. Los manguitos de bloqueo cónicos conectan las barras de refuerzo verticales en el proceso de construcción, lo que resuelve el problema de conexión de las barras de refuerzo preincrustadas en segmentos de gran sección.

Tecnología de posicionamiento preciso para el primer segmento.

Debido a que los segmentos de la carcasa de acero son estructuras de forma especial, y el centro del segmento no se superpone en la proyección vertical, presenta dificultades más significativas para el posicionamiento preciso del izaje del segmento. Por esta razón, se desarrolló un nuevo tipo de separador de puntales de precisión ajustable para elevación segmentada. Como se muestra en la Fig. 16, el separador consta de 4 vigas, cuatro pares de juntas de conexión superior e inferior y cables de acero. Al ajustar las longitudes de las vigas esparcidoras y colocar el grillete de ajuste en el extremo de los cables de acero, se realiza la función de ajustar la distancia del punto de elevación, la inclinación del segmento y el centro de gravedad de elevación. Resuelve el problema de elevación de los segmentos de carcasa de acero de forma especial del pilón.

Elevación de segmentos de carcasa de acero y posicionamiento preciso.

Para ubicar y conectar rápidamente el segmento al segmento instalado, se instalan piezas coincidentes entre esos segmentos en la fábrica. Una vez completada la conexión entre segmentos, se libera el dispositivo coincidente. Al realizar un ajuste de posición preciso en el sitio, primero ajuste las placas de acero de soporte de las ocho partes coincidentes en la parte inferior del segmento de la carcasa de acero de acuerdo con los datos correspondientes en la fábrica y las instrucciones de monitoreo. En segundo lugar, cada miembro del pilón retiene un clavo de punzonado de punto de bloqueo de pieza coincidente y se quitan los clavos y pernos de punzonado de las tres piezas coincidentes restantes para que el segmento pueda girarse ligeramente en el plano horizontal. Al mismo tiempo, las piezas coincidentes se mantienen en forma y el lateral se rellena con placas de acero para corregir la torsión. Una vez que el ajuste está en su lugar, debe volver a verificarse y el proceso posterior se puede construir una vez que se cumplan los requisitos.

Vale la pena señalar que el segmento de la carcasa de acero no se ha mecanizado en la cara frontal. En comparación con el pilón de estructura de acero con la cara final mecanizada, los segmentos de carcasa de acero sin mecanizar exhiben una baja precisión de referencia vertical y una precisión de preensamblaje, el efecto de fijación deficiente de las piezas coincidentes. En este sentido, el pilón compuesto sándwich de acero-hormigón-acero será más propenso a errores que los postes de acero. Por lo tanto, es necesario establecer más segmentos de ajuste para corregir y ajustar el error.

La plataforma trepadora automática hidráulica es ampliamente utilizada en la construcción de pilones altos en la ingeniería de puentes. El sistema de escalada convencional consta de dos partes: pistas y una plataforma de escalada. En la construcción trepante, la vía generalmente se sube primero y luego la plataforma de construcción. El proceso de construcción de todo el sistema es complicado y el período de construcción se prolonga. Las pistas y la plataforma de construcción adoptan un diseño diferente, aumentando el tamaño y el peso del espacio de todo el sistema.

Se utiliza una nueva plataforma trepadora automática hidráulica para construir pilones de puentes compuestos tipo sándwich de acero-hormigón-acero. Esta nueva plataforma trepadora automática incluye tres capas para proporcionar una plataforma operativa para el izado de carcasas de acero, la soldadura entre segmentos y el revestimiento de superficies. Al mismo tiempo, el sistema también presenta un conjunto de sistemas de control inteligente, es decir, pequeños sistemas hidráulicos estándar, sistemas de monitoreo en tiempo real y sistemas inteligentes de alerta temprana, consulte la Fig. 17. En comparación con la plataforma trepadora tradicional, esta plataforma trepadora automática realiza la escalada sincrónica de la vía y la plataforma de construcción, reduciendo los pasos de operación y el peso total del dispositivo de escalada. Al mismo tiempo, la plataforma de operación manual es escalable, lo que evita el trabajo manual repetido de desmontaje y montaje, mejorando así la eficiencia del trabajo y la resistencia al viento de la plataforma de construcción.

Plataforma de operación trepadora automática hidráulica.

Una bomba de automóvil vierte el hormigón de la parte inferior del pilón. Debido a la limitación de la altura de bombeo de la autobomba, el hormigón de la parte media y superior es transportado por una gran grúa de pilón que eleva la tolva. El asentamiento del concreto se puede controlar en \(18\sim 20\,\textrm{cm}\), asegurando el desempeño de la construcción del concreto. El almacenamiento en frío se utiliza para enfriar la arena y la piedra en el clima caluroso del verano. Al mismo tiempo, el mecanismo de hielo triturado se usa para enfriar el agua de mezcla para controlar el ingreso de concreto a las cubiertas de acero para garantizar que la temperatura central del concreto no sea superior a \(65.0\,^{\circ }\textrm{ C}\). Los agujeros de vibración están reservados en la placa de refuerzo horizontal en la carcasa de acero. Durante el proceso de vertido y vibración del concreto, la varilla vibratoria se inserta en el orificio vibratorio para garantizar la compacidad del concreto. Cuando se vierte el hormigón cerca del revestimiento de la carcasa de acero, los orificios de ventilación y vibración del hormigón de \(70\,\textrm{mm}\) de diámetro abiertos en las placas de refuerzo circunferenciales se utilizan por completo para garantizar la calidad de la construcción de vertido de hormigón.

Para evitar grietas entre el concreto y la cubierta de acero debido a la rápida pérdida de agua en la superficie del concreto, el concreto superior debe protegerse mediante almacenamiento de agua a tiempo después del fraguado inicial del concreto, y la profundidad de almacenamiento de agua no debe ser menor que \(10\,\textrm{mm}\). Cuarenta y ocho horas después del fraguado final del concreto, la superficie superior se astilla con un pico eléctrico y la profundidad se controla para que sea aproximadamente \(10\,\textrm{mm}\). La escoria de hormigón, después del cincelado, se limpia con una aspiradora para mejorar la eficiencia y el efecto de la eliminación de la escoria. El vertido y curado del hormigón se muestran en la Fig. 18.

Vertido y curado de hormigón en carcasa de acero.

Los pilones compuestos tipo sándwich de acero-hormigón-acero se han aplicado por primera vez en puentes atirantados de gran luz de este tipo. Ha logrado resultados ideales en el aumento de la tasa de producción de la fábrica, la construcción rápida y la reducción de la mano de obra. La comparación con torres de hormigón y torres de acero en términos de inversión en construcción y eficiencia de construcción se muestra en la Tabla 5.

En la Tabla 5 se puede ver que hay pocas instalaciones temporales para la construcción de torres compuestas tipo sándwich de acero, hormigón y acero, la velocidad de construcción es aproximadamente 1,4 veces mayor que la de las torres de hormigón y la mano de obra es solo alrededor de 1/4 de esa velocidad. de torres de hormigón. La mayor parte del trabajo se realiza en la fábrica, lo que puede aumentar significativamente la tasa de construcción de pilones en la fábrica y garantizar la calidad de la construcción. Debido a la reducción de mano de obra, la gestión y el control de la seguridad son fáciles de implementar y se mejora la seguridad del personal de construcción. Aunque los pilones de acero pueden ser más prominentes que los pilones compuestos tipo sándwich de acero-hormigón-acero en estos aspectos, los costos de construcción de los pilones de acero son aproximadamente tres veces mayores que los de los pilones de hormigón debido al amplio equipo de elevación requerido para los pilones de acero. Sin embargo, los pilones compuestos tipo sándwich de acero-hormigón-acero cuestan solo 1,2 veces más que los pilones de hormigón. Por tanto, gasta una pequeña cantidad más que el pilón de hormigón y obtiene mejores resultados en muchos otros aspectos. El pilón compuesto sándwich de acero-hormigón-acero puede ser una buena opción para puentes soportados por cables de gran luz.

El pilón compuesto de sándwich de acero, hormigón y acero es un nuevo tipo de pilón compuesto de acero y hormigón que se aplicó por primera vez al puente atirantado de gran luz. Este estudio se centra en las ideas de diseño y las técnicas constructivas clave de este tipo de torres y extrae las siguientes conclusiones:

Los resultados del cálculo muestran que los pilones del puente exhiben buenas propiedades mecánicas y pueden garantizar la seguridad de la estructura.

La prueba del modelo de proceso a gran escala confirmó la viabilidad de la construcción rápida de la estructura y proporcionó una advertencia temprana de posibles problemas en las construcciones reales.

La aplicación de la tecnología BIM, la investigación y el desarrollo de crucetas especiales y plataformas de construcción aseguran la instalación precisa de las estructuras.

El ensamblaje modular fabricado en fábrica de la estructura de armazón de acero reforzado reduce efectivamente la intensidad y la dificultad de las operaciones en el sitio, mejora la calidad del proyecto y reduce el riesgo de construcción.

La aplicación exitosa de este pilón de puente marca la formación de un conjunto completo de tecnología de construcción de pilón compuesto tipo sándwich de acero-hormigón-acero, que puede ser ampliamente utilizado en puentes similares.

Algunos o todos los datos, modelos o códigos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este estudio fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Hunan, China (No. 2021JJ40593) y fondos abiertos del Laboratorio Clave de Control de Seguridad de Ingeniería de Puentes del Ministerio de Educación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Changsha, China (No. 19KB08) . Estos programas son reconocidos con gratitud.

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Ciencia y Tecnología de Changsha, Changsha, Hunan, China

Bida Pei

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

Aixiu Chong, Huan Xia y Xueyun Kang

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BP concibió y diseñó la investigación. AC y XK realizaron la simulación numérica y las pruebas de campo. BP y HX analizaron los datos. BP completó las comprobaciones gramaticales y la revisión del contenido. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Bida Pei.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pei, B., Chong, A., Xia, H. et al. Diseño y tecnología constructiva clave de un pilón compuesto sándwich de acero-hormigón-acero para un puente atirantado de gran luz. Informe científico 13, 6626 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33316-7

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Recibido: 04 Octubre 2022

Aceptado: 11 de abril de 2023

Publicado: 24 abril 2023

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

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