Design e tecnologia chave de construção de aço

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6626 (2023) Citar este artigo

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Este artigo apresenta um novo tipo de pilar composto de aço e concreto que foi aplicado na Quinta Ponte do Rio Yangtze de Nanjing (uma ponte estaiada de três pilares com um vão principal de 600 m). Para este novo tipo de pilar, as cascas de aço são conectadas ao concreto através de conectores de cisalhamento e pinos PBL, e as cascas de aço internas são conectadas às cascas de aço externas por cantoneiras de aço. Análises numéricas e testes de modelos em escala real mostram que a estrutura do pilar apresenta excelentes propriedades mecânicas e desempenho de construção. A aplicação da tecnologia BIM, a pesquisa e desenvolvimento de espalhadores especiais e plataformas de construção garantem a instalação precisa das estruturas. A montagem modular altamente fabricada em fábrica da estrutura de aço reforçado pode efetivamente reduzir a intensidade e a dificuldade das operações no local e melhorar a qualidade do projeto, com baixos riscos de construção. Considerando que a aplicação bem-sucedida deste pilar composto sanduíche de aço-concreto-aço marca a formação de um conjunto completo de tecnologia de construção de pilar composto sanduíche de aço-concreto-aço, que pode ser amplamente utilizado em pontes semelhantes.

Os pilares são os componentes críticos de suporte de carga das pontes sustentadas por cabos, responsáveis ​​pela transmissão das cargas dos cabos para a fundação da ponte. A estabilidade das pontes depende, portanto, da estabilidade e rigidez dos pilares. A pesquisa e o desenvolvimento de uma estrutura de pilar com propriedades mecânicas aprimoradas, pré-fabricação industrial, montagem mais rápida e qualidade confiável são fundamentais para a engenharia de pontes.

Tradicionalmente, os postes de pontes sustentadas por cabos são feitos com postes de estrutura de aço ou postes de estrutura de concreto1. Embora os postes de estrutura de aço tenham as vantagens da pré-fabricação de fábrica e das ereções modulares, sua aplicação é bem menor que a dos postes de concreto devido ao alto custo. Devido aos elevados requisitos de rigidez do pilar, os pilares devem ter uma área de secção transversal maior e, portanto, é utilizado mais aço, resultando num custo de construção cerca de três vezes superior ao de um pilar de betão. O pilar de concreto tem as vantagens de alta rigidez e boa estabilidade e menores custos de construção. Ainda assim, seu método de construção envolve uma série de etapas complicadas, ou seja, instalação de esqueleto rígido, fixação de vergalhões, instalação e ajuste de fôrmas e concretagem. As operações de construção dependem principalmente de mão de obra manual com baixa padronização e pré-fabricação, o que resulta em longos períodos de construção, alta intensidade de operação no local, alto risco e ciclos prolongados de ocupação dos equipamentos.

Os pilares mistos de aço e concreto apresentam muitas vantagens sobre os pilares de aço e concreto. A estrutura de aço pode economizar muito tempo através da pré-fabricação de fábrica e instalação modular. Ao mesmo tempo, também pode ser usado como modelo para concretagem. A estrutura de aço restringe o concreto, melhorando ainda mais sua capacidade de carga. A combinação de aço e concreto também herda as vantagens da alta rigidez do pilar de concreto.

Os postes compostos de aço-concreto são usados ​​principalmente em postes com formas geométricas complexas. Por exemplo, devido à geometria complexa da ponte estaiada de Alamillo, o desenho original do pilar de concreto armado foi alterado para uma estrutura mista, a fim de reduzir o tempo necessário para a construção. Portanto, uma caixa externa de metal conectada ao concreto substituiu muitas barras de aço, que levariam muito mais tempo para serem instaladas2. A ação mista é conseguida por pinos conectores soldados diretamente nas placas de aço principais formando o invólucro externo e nos reforços horizontais das placas principais que também foram contabilizados na transmissão da força de cisalhamento entre o aço e o concreto. Hsu et al. pesquisaram o comportamento observado de colunas tipo sanduíche que consistiam em tubos duplos de aço de paredes finas com concreto entre eles submetidos a flexão combinada e carregamento axial. Os resultados mostram que o forte desempenho dos membros sanduíche é superior ao dos seus correspondentes membros tubulares preenchidos com concreto. A melhoria na resistência atingiu até 45% para seções sanduíche com tubos externos não compactos3. A coluna superior do pilar da Ponte Stonecutters adota uma estrutura composta de aço-concreto. A estrutura de aço é feita de aço inoxidável, e apenas pinos soldados são usados ​​para conectar o aço e o concreto6. Tao et al. estudaram a resistência e a rigidez de pilares tubulares de aço preenchidos com concreto com reforços longitudinais soldados internos ou externos sob compressão axial4. Xie et al. estudaram uma forma inovadora de construção sanduíche aço-concreto-aço, na qual as duas placas de aço são interligadas por uma série de conectores de barras transversais soldados simultaneamente por fricção em ambas as extremidades5. Zeng et al. projetou e produziu cinco corpos de prova com conectores de placa perfurada e cinco corpos de prova com conectores de pinos soldados para estudar o comportamento observado de pilares mistos de aço e concreto de dupla camada sob carga axial e carga axial constante combinada com carga lateral cíclica, respectivamente7. Leng WH estudou o método de cálculo da capacidade de suporte dos conectores de cisalhamento PBL do pilar curvo misto de aço-concreto protendido da Ponte Lichuan e os fatores que afetam a retração e a fluência do concreto na casca de aço8. JY Richard Liew et al. pesquisaram o desempenho de uma estrutura composta sanduíche inovadora com conectores J-hook, incluindo vigas compostas sanduíche, placas compostas sanduíche e paredes sanduíche compostas sujeitas a explosão, impacto, fadiga e cargas estáticas9. Wei et al. estudado sobre o mecanismo de transmissão de força de um pilar misto aço-concreto com um pilar superior de aço e um pilar inferior de concreto na junção de aço e concreto por meio de um teste de modelo em escala10. Wang et al. estudaram os efeitos de diferentes formas de seção e conectores de cisalhamento no pilar misto aço-concreto e os resultados mostraram que, em comparação com a seção retangular, a seção retangular com chanfros tem maior capacidade de resistir à flambagem local, e os conectores de cisalhamento podem aumentar muito a capacidade de carga e a ductilidade do pilar composto de aço-concreto1.