Применение ускоренного строительства мостов (УСМ) в районах со средней и высокой сейсмичностью является проблемой, которая в настоящее время решается в рамках проводимых исследований. В рамках обширной исследовательской программы Кентерберийского университета (UC) изучаются решения по улучшению сейсмического поведения структур ABC за счет использования систем диссипативного контролируемого раскачивания (DCR).
Опоры мостов обычно проектируются с монолитными соединениями с фундаментами и крышками пирсов. В случае сильных землетрясений ожидается повреждение в результате образования пластиковых петель на этих фиксированных соединениях. В последние годы были разработаны альтернативные решения, направленные на уменьшение ущерба, причиненного мостовым сооружениям во время землетрясений, повышение безопасности пользователей сооружения, сокращение расходов, связанных с его ремонтом, и сокращение времени, необходимого для возвращения сооружения в рабочее состояние.
Перспективной системой для малоразрушающих мостовых конструкций является использование системы управляемого раскачивания мостов (DCR) (также известной как гибридная), которая использует элементы сборных причалов для минимизации повреждений моста и обеспечения возможности его модернизации. Использование сборных, постнатянутых элементов в этих системах означает, что эти системы обладают качествами, соответствующими концепции ускоренного строительства мостов.
1. Технологии строительства мостов.
Технологии ускоренного строительства мостов направлены на сокращение сроков строительства, минимизацию дорожно-транспортных происшествий, снижение стоимости жизненного цикла и повышение качества и безопасности строительства. В последнее время было реализовано много успешных применений методов ABC, в основном в регионах с низкой сейсмической активностью. В качестве примера можно привести перевал Вэйл в Колорадо, путепровод Луэтта Роуд, эстакадный автодорожный мост Пирс, мост Саншайн Скайвей, шоссе 183 штата Техас и Dacio Marin III в озере Белтон.
Использование ABC в умеренных и высоких сейсмических регионах было ограничено в связи с обеспокоенностью эффективностью этих структур. Эта озабоченность вызвана, главным образом, неопределенностью в работе связей между элементами сборных конструкций. Соединения должны быть не только простыми в установке, но и достаточно прочными для сохранения целостности при сейсмических нагрузках. Необходимость улучшения сейсмических характеристик сборных конструкций была подчеркнута при землетрясениях 70-х и 80-х годов, таких как землетрясение в Лома Приета в 1989 году.
Можно сделать вывод, что в настоящее время проводится значительная работа и необходимо сделать еще больше для обеспечения соответствия соединений АВС требуемым сейсмическим характеристикам, в дополнение к наличию необходимых несейсмических свойств, таких как:
· конструктивность
· экономическая эффективность
· долговечность
· инспектируемость
Гибридные (или DCR) системы были определены как перспективные для использования в системах АВС. Исследованные гибридные системы отличаются более высокими сейсмическими характеристиками по сравнению с обычными литыми системами (CIP), но в среднем имеют несколько более низкие строительные риски, долговечность и инспектируемость, чем системы CIP. Для решения этих проблем необходимы дальнейшие исследования гибридных мостовых систем.
2. Рокинговые системы.
Гибридная система для строительных конструкций была разработана в рамках программы US-PRESSS (Precast Seismic Structural Systems), координируемой Калифорнийским университетом, Сан-Диего. Гибридная система объединяет несвязанные сухожилия/брусья с продольными демпфирующими/рассеивающими устройствами из низкоуглеродистой стали или дополнительными устройствами. В результате получается система, которая может подвергаться большим деформациям при незначительных повреждениях или отсутствии остаточных перемещений.
Сочетание самоцентрирования и способности рассеивания энергии приводит к возникновению гистерезиса, обычно называемого флагообразным. В прошлом были разработаны и построены опоры для мостов, в которых использовались только системы раскачивания. Примером может служить Южный виадук Рангитикея, который был спроектирован и построен в Новой Зеландии в 1981 году.
В системах мостовых пирсов самоцентрирующаяся способность обеспечивается не только неограниченной постнатянутой арматурой/брусьями, но и воздействием осевой нагрузки в элементе пирса. Общая мгновенная емкость участка, на котором происходит раскачивание, определяется комбинацией мгновенных вкладов от постнатяжения (МПТ), осевой нагрузки (MN) и рассеивателей низкоуглеродистой стали или энергии (МС).
В последнее десятилетие исследования в США по этим системам постоянно растут. Исследователи из Университета в Буффало-САНИ/МСЕЕР успешно протестировали сегментный мост, полностью готовый к эксплуатации в условиях землетрясения магнитудой 7.0 баллов Рихтера. Мост сохранил работоспособность без структурных повреждений после трех испытаний на вибростойкость как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях .
3. Методы рассеивания энергии
Внутренние или внешние устройства для рассеивания энергии могут использоваться в системах DCR. Типичной внутренней системой рассеивания является использование стержней из низкоуглеродистой стали, зацементированных в каналах в элементе сборного пирса. Стержни из низкоуглеродистой стали не имеют границ в течение определенного периода времени для предотвращения преждевременного выхода стержней при малых сейсмических нагрузках. Сплав стержней может также осуществляться путем уменьшения диаметра стержня по определенной длине для концентрации неупругих деформаций на определенной площади стержня. Такое решение является быстрым в строительстве и экономически эффективным, но трудным для осмотра и ремонта после землетрясения.
4. Численное моделирование систем DCR
Гибридная система может быть смоделирована с использованием модели кусковой пластичности, в которой нелинейные вращательные пружины используются на критических разделах интерфейса для моделирования открытия и закрытия зазора при качающемся движении. Гистерезисная петля в форме флага получается при использовании двух вращающихся пружин параллельно. Первой пружине присвоено нелинейное эластичное правило, представляющее собой самоцентрирующийся вклад, а второй пружине - правило гистерезиса, представляющее вклад системы в рассеивание энергии. Альтернативный подход заключается в использовании модели с несколькими пружинами.
Этот подход использует многопружинный элемент для представления контакта основания причала с фундаментом . Нелинейные неупругие пружины используются для представления устройств для рассеивания энергии, а нелинейные пружины используются для представления стали после натяжения. Такой подход к моделированию является более сложным, чем использование комбинированной модели пластичности, но способным собрать более подробную информацию о поведении системы, например, о расположении нейтральной оси в бетоне и удлинении после натяжения стали.
Вывод:
В данной статье представлен обзор и введение в системы АВС и DCR, а также методов рассеивания энергии. Обсуждаются исследования, которые в настоящее время проводятся в Кентерберийском университете, включая описание прототипных структур, устройств для рассеивания энергии и экспериментальной испытательной установки. Численное моделирование показало, что структуры DCR ведут себя так, как ожидалось, без остаточного дрейфа при достижении заданной мощности момента.
В целом, применение концепций DCR в контексте ABC продемонстрировало перспективность при проектировании и строительстве малоповрежденных мостовых конструкций. Необходимы дальнейшие исследования в области разработки недорогих, высокоэффективных систем рассеивания и методов минимизации затрат в течение жизненного цикла, включая затраты на строительство, техническое обслуживание и ремонт, а также временные задержки, связанные с этой деятельностью.