¿Tecnología y características del refuerzo pretensado de carreteras y puentes?

¿Cuáles son las características técnicas de las barras de acero pretensadas para carreteras y puentes? Lea el artículo editado por Jones Day Consulting.

1. Introducción

1 y 1 Durabilidad del hormigón A principios de la década de 1990, la durabilidad de los puentes de hormigón ha atraído la atención de países de todo el mundo. A través de las prácticas de mantenimiento y gestión de una gran cantidad de puentes de hormigón que tienen más de 20 años, se ha descubierto que el agrietamiento, el desconchado, el deterioro y la corrosión de las barras de acero en los puentes (la lechada de tuberías no está llena) han causado daños graves. a los puentes y se han convertido en un problema urgente que debe resolverse. Los puentes dañados han puesto en peligro la seguridad del tráfico.

Existen dos formas técnicas de mejorar la durabilidad de los puentes de hormigón. Una es utilizar hormigón de alto rendimiento para mejorar la impermeabilidad, uniformidad y resistencia a las heladas del hormigón, mejorando así la capacidad del hormigón para resistir la carbonización y la erosión por congelación; la otra es una forma eficaz de mejorar la durabilidad de los puentes existentes, es decir, para mejorar la durabilidad de los puentes existentes. Los puentes defectuosos se refuerzan y reconstruyen para prolongar su vida útil.

1,2 Refuerzo de puentes

El refuerzo y transformación de puentes consiste en reforzar y ampliar la estructura del puente mediante medios técnicos eficaces y viables. Su finalidad fundamental es restaurar y mejorar su capacidad portante y. durabilidad. Existen muchos métodos de refuerzo de puentes comúnmente utilizados, que se pueden dividir en términos generales en refuerzo de superestructura y refuerzo de subestructura. Hay dos métodos para fortalecer la superestructura del puente: métodos que cambian el sistema de tensiones de la estructura y métodos que no cambian el sistema de tensiones de la estructura. Desde la perspectiva de si el material posterior al refuerzo tiene pretensado y el principio de fuerza básica, el refuerzo de la parte superior del puente se puede dividir en dos categorías: refuerzo activo y refuerzo pasivo.

Principios del refuerzo activo de los puentes 1 y 21

Agregar materiales de refuerzo directamente en la zona de tensión (o zona débil de corte), como reparar barras de acero soldadas, pegar placas de acero, pegar Materiales de fibra compuesta de alta resistencia (fibra de carbono, fibra de aramida), etc. Este tipo de método de refuerzo pertenece a la categoría de refuerzo pasivo en términos de su principio de funcionamiento. De hecho, en el diseño se deben considerar las características del refuerzo de carga y la tensión escalonada. El peso propio y la carga muerta del componente deben ser soportados por la viga original, la carga viva debe ser soportada por la sección compuesta reforzada y la carga viva debe ser soportada por la sección compuesta reforzada. La resistencia del material de refuerzo está limitada por la deformación de la viga original.

Principio de refuerzo pasivo de puentes 1 y 22

Para resolver el "retraso de deformación" de los materiales posteriores al refuerzo y mejorar la tasa de utilización de los materiales posteriores al refuerzo, el principio El método de pretensado se utiliza para realizar materiales de refuerzo posterior al refuerzo pretensado. Según el principio de funcionamiento, las barras de acero pretensadas pertenecen a la categoría de barras de acero activas. El material después del refuerzo de tensión activa mejora el estado de tensión de la viga original debido a la fuerza de pretensado, mejorando así la capacidad de carga y la resistencia al agrietamiento de la viga original.

En la actualidad, existen tres tipos principales de sistemas de refuerzo pretensado utilizados en estructuras de puentes: sistemas de refuerzo pretensado externos, sistemas de refuerzo pretensado de fibra compuesta de alta resistencia y sistemas de refuerzo pretensado adherido.

2. Antecedentes del desarrollo del sistema de refuerzo externo pretensado

2.1

En la década de 1970, con el desarrollo del transporte, la reconstrucción de antiguas carreteras y puentes antiguos. Los refuerzos atrajeron la atención mundial. Muchos países han realizado investigaciones sobre el refuerzo de puentes antiguos. Algunos países europeos utilizan tecnología de pretensado externo para fortalecer puentes y mejorar el nivel de carga de los puentes originales, lo que ha logrado beneficios económicos obvios. La aplicación de la tecnología de pretensado externo en el refuerzo de puentes antiguos ha promovido y profundizado la comprensión de la gente sobre la tecnología de pretensado externo.

De hecho, la tecnología de pretensado externo surgió con la aparición de la tecnología de pretensado externo. La tecnología de pretensado externo construyó puentes de hormigón antes que la tecnología de pretensado interno, por lo que es una tecnología nueva y antigua. Ya en 1934, el alemán De Schuengel obtuvo patentes alemanas y francesas para la tecnología de tendones pretensados ​​externos no adheridos y construyó un puente real en 1936. Sin embargo, debido a la inmadurez de la tecnología anticorrosión externa para barras de acero y al alto costo de mantenimiento y reparación de puentes, el desarrollo de esta tecnología se ha visto obstaculizado durante mucho tiempo.

Desde la década de 1990, la tecnología de pretensado externo se ha desarrollado rápidamente en el extranjero. Por un lado, debido a la mayor comprensión de la durabilidad del hormigón, la gente está ansiosa por crear una estructura con propiedades anticorrosión, lo que proporciona un amplio mercado para el desarrollo de tecnología de pretensado externo. Por otro lado, con el desarrollo de la tecnología de puentes atirantados, la solución exitosa de problemas como la anticorrosión del alambre de acero y el diseño y construcción de cabezas de anclaje de gran tonelaje ha eliminado el mayor obstáculo para el desarrollo de la tecnología de pretensado externo. , haciendo que el desarrollo de la tecnología de pretensado externo cobre impulso.

Con el desarrollo continuo de la teoría del diseño de pretensado externo y la tecnología práctica, se ha promovido aún más la aplicación del pretensado externo en el refuerzo de puentes antiguos.

Principio de acción de 2, 2

El refuerzo pretensado externo consiste en disponer tendones pretensados ​​con protección anticorrosión fuera del cuerpo de la viga (o dentro del cajón), y aplicar fuerza pretensada a el cuerpo de la viga. El momento flector inverso generado por la tensión compensa parte de la fuerza interna generada por las cargas externas para mejorar la funcionalidad de la viga y aumentar su capacidad de carga.

El refuerzo externo pretensado es uno de los métodos de refuerzo más utilizados en la actualidad, y es especialmente adecuado para el refuerzo de vigas cajón continuas de hormigón pretensado de gran luz y puentes de vigas cajón continuas en forma de T. Los tendones pretensados ​​externos están anclados en la viga del diafragma en el extremo (o medio) de la viga, y el ángulo de los tendones pretensados ​​se ajusta a través del bloque de dirección entre tramos para cumplir con los requisitos de tensión de la viga.

Estrictamente hablando, el pretensado externo y el pretensado interno no adherido, incluidos los puentes atirantados, son todas estructuras pretensadas no adheridas. La cuestión central en el análisis teórico de estructuras pretensadas no adheridas es el cálculo de los incrementos de tensión de los tendones de acero pretensados ​​en cada etapa de tensión.

2.3 Características técnicas

En comparación con las estructuras de hormigón pretensado ordinarias, las estructuras de hormigón pretensado exteriormente tienen las siguientes ventajas principales:

(1) Estructuras de hormigón pretensado exteriormente La tensión las barras pueden ser no reemplazables o pueden diseñarse como barras de fuerza externas reemplazables, extraíbles y reemplazables para facilitar la reparación, el mantenimiento y el refuerzo;

② La estructura del puente antiguo reforzada por elementos externos el pretensado es simple y simplificado La construcción se simplifica al no haber tuberías en las nervaduras de la viga, se evita el debilitamiento de la sección; el refuerzo externo elimina el proceso de lechada de tuberías, permitiendo la construcción durante todo el año, lo cual es de gran importancia práctica para provincias de las regiones frías del norte.

(3) La pérdida por fricción de los tendones se reduce, la eficiencia de utilización de los tendones pretensados ​​es alta y el rango de variación de tensión de los tendones es pequeño, lo que es beneficioso para la resistencia a la fatiga. La promoción y aplicación del pretensado externo en el refuerzo de puentes de hormigón en mi país es solucionar el problema de durabilidad del hormigón de larga data en los proyectos.

Si es posible, mejorar la durabilidad del puente y extender su vida útil (reemplazar o reparar los cables una vez puede extender la vida útil hasta 20 años) puede traer beneficios económicos directos considerables para el mantenimiento, la gestión y la gestión del puente. refuerzo, sus beneficios económicos indirectos y a largo plazo también son bastante significativos.

3. Sistema de refuerzo pretensado de fibras compuestas de alta resistencia

Las fibras compuestas de alta resistencia utilizadas actualmente en ingeniería incluyen principalmente fibra de aramida y fibra de carbono (FRP). Dado que los materiales de fibra de carbono se utilizan ampliamente en el refuerzo de puentes y la tecnología está madura, este artículo presenta principalmente el refuerzo pretensado de fibra de carbono.

3. Haz 1 pregunta.

En ingeniería, un método de refuerzo muy utilizado es pegar directamente fibras en la zona de tensión o zona débil de corte de la estructura. En lo que respecta al refuerzo de carga, el método de refuerzo pasivo de pegar directamente tela de fibra de carbono en la zona de tensión y agregar materiales de refuerzo no puede desempeñar su papel completo. De acuerdo con las características de la tensión escalonada, el material de refuerzo pegado directamente solo soporta la fuerza interna de la carga viva en comparación con las barras de acero de la viga original, su deformación está seriamente "retrasada". En el estado último, su resistencia está limitada por la deformación de la viga original y generalmente no se obtiene el valor de diseño de su resistencia a la tracción.

El cálculo muestra que cuando la altura de la viga original es pequeña y la relación de refuerzo es grande, el diseño del refuerzo está controlado por la deformación por compresión del hormigón que alcanza el valor límite. En el estado último, la tensión del material reforzado es de sólo 700 ~ 800 MPa, lo que sólo equivale al valor estándar de resistencia a la tracción de la fibra de carbono (21,2% ~ 24,2%). Para situaciones donde la altura de la viga original es grande y la relación de refuerzo es pequeña, el diseño del refuerzo se controla de acuerdo con la deformación de las barras de acero de la viga original que alcanzan el valor límite de 0,01. En el estado último, la tensión de los materiales de refuerzo posteriores es sólo de aproximadamente 2000 MPa, lo que equivale al 60% del valor estándar de resistencia a la tracción de la fibra de carbono. Debido a la limitación de deformación de la viga original, las propiedades de alta tracción de las fibras compuestas de alta resistencia no pueden ejercerse completamente en el estado final, lo que genera un gran desperdicio. Además, aumentar ciegamente la cantidad de materiales posteriores al refuerzo sin análisis puede provocar una falla frágil de los componentes reforzados y hacer que el diseño sea inseguro.

3.2 Principio de acción

Para mejorar la eficiencia de utilización de los materiales de fibra de carbono y potenciar el efecto de refuerzo del puente antiguo, aplicar pretensado a los materiales de fibra de carbono es una forma eficaz.

El principio del refuerzo pretensado de fibra de carbono es utilizar tiras (o listones) de tela de fibra de carbono ancladas en la viga reforzada para aplicar pretensión a la viga y mejorar el estado de tensión de la viga reforzada. La tecnología clave es resolver los problemas de tensado y anclaje de fibras (o placas) pretensadas adecuadas para la construcción de puentes.

Actualmente, este sistema de refuerzo aún se encuentra en fase de investigación experimental.

3.3 Características técnicas

① Alta resistencia y alta eficiencia.

Debido a las excelentes propiedades físicas y mecánicas del FRP, sus características de alta resistencia y alto módulo elástico se pueden utilizar completamente en el refuerzo y reparación de estructuras de concreto para aumentar la capacidad de carga y ductilidad de los componentes estructurales de concreto, mejorar sus propiedades mecánicas y lograr el propósito de un refuerzo y reparación eficientes.

②El coeficiente de expansión lineal es cercano al del concreto, lo que garantiza que el FRP y el concreto puedan trabajar juntos cuando cambia la temperatura.

(3) La construcción es conveniente, la eficiencia del trabajo es alta, el trabajo no está mojado, no se requiere maquinaria de construcción grande, el área de construcción es pequeña y la eficiencia de la construcción es alta. Según estadísticas relevantes, la eficiencia de la construcción al pegar FRP es de 4 a 8 veces mayor que la del pegado de placas de acero. El FRP es liviano y suave, fácil de instalar y la calidad de la construcción es más fácil de garantizar que la de las placas de acero.

(4) No aumenta el peso y volumen de los componentes. La fibra de vidrio es liviana y de espesor delgado. Después del refuerzo y la reparación, el peso y el tamaño de la estructura original básicamente no aumentarán y el espacio utilizable del edificio no se reducirá.

⑤Tiene buena resistencia a la corrosión y durabilidad. Las pruebas han demostrado que la fibra de carbono, la fibra de vidrio y la fibra de aramida tienen buena resistencia a la corrosión y durabilidad, y pueden resistir la corrosión de ácidos, álcalis y sales que a menudo se encuentran en los edificios. El refuerzo con este material no sólo elimina la necesidad de un mantenimiento regular sino que también protege la estructura interna de hormigón.

⑥ Ampliamente utilizado. Puede ser ampliamente utilizado para el refuerzo y reparación de diversos tipos estructurales (como edificios, estructuras, puentes y túneles, alcantarillas, chimeneas, etc.). ), diversas formas estructurales (como estructuras rectangulares, circulares, curvas, etc.) y diversos componentes estructurales (como vigas, placas, nodos, arcos, estructuras, pilares, etc.) sin cambiar la forma estructural ni afectar la apariencia de La estructura no tiene comparación con ningún método de refuerzo estructural actual.

4. Sistema de acero pretensado adherido

4.1 Principio de actuación

Utilizar barras de acero pretensado de pequeño diámetro ancladas sobre la viga reforzada para aplicar fuerza a la viga. Pretensar y luego rociar mortero compuesto con alta resistencia a la tracción para unir los tendones pretensados ​​y las vigas reforzadas en un solo cuerpo, formando un sistema de refuerzo pretensado adherido.

El sistema de tendones pretensados ​​adheridos ha atraído la atención de la comunidad de ingenieros civiles en el país y en el extranjero debido a sus ventajas técnicas de anclaje simple de los tendones pretensados, construcción tensora conveniente, buena durabilidad estructural y alta utilización del material. eficiencia. Las características del sistema de tendones adheridos pretensados ​​son adecuadas para el refuerzo de vigas en T de hormigón armado de luces pequeñas y medianas, vigas de placa hueca y puentes de vigas cajón. Es especialmente adecuado para hormigón armado de luces medias y barras de acero pretensadas. Utilizado en carreteras y proyectos de intercambio urbano. Puente de viga cajón continuo de hormigón. Debido al límite de altura de la viga cajón, es difícil disponer tendones pretensados ​​externos dentro del cajón. Agregar tendones pretensados ​​a la placa inferior de la viga cajón y luego rociar mortero compuesto de tracción de alto rendimiento es una de las soluciones de refuerzo ideales.

4.2 Características técnicas

En comparación con los sistemas de refuerzo pretensados ​​externos, los sistemas de refuerzo pretensados ​​adheridos tienen las siguientes ventajas destacadas:

① Puede aprovechar plenamente su función. de materiales posteriores al refuerzo y mejorar la eficiencia de utilización de los materiales;

(2) Rociar una capa protectora de mortero compuesto de tracción de alto rendimiento. Tiene una fuerte resistencia a la carbonización y la erosión de iones cloruro, protege las barras de acero de la corrosión, mejora la durabilidad estructural y extiende la vida útil estructural;

(3) Utilice anclajes pequeños y mortero compuesto de tracción de alto rendimiento para anclar elementos pretensados. Las barras de acero son más seguras y fiables.

4.3 Perspectivas de desarrollo

El proceso SRAP de la empresa M&S de Corea del Sur tiene las características de barras de acero pretensadas unidas, pero el mortero AP y los alambres de acero blando galvanizado pretensado utilizados son importaciones y productos extranjeros. Los costos del proyecto son más altos, lo que afecta en cierta medida la competitividad del mercado. Para satisfacer las necesidades del mercado de refuerzo de puentes, se ha suministrado al mercado un mortero compuesto de tracción de alto rendimiento (mortero HTCM) desarrollado en mi país. Su resistencia a la tracción, rendimiento de unión, resistencia a la carbonización y resistencia a la erosión por iones cloruro son ligeramente superiores. que el mortero AP. La investigación experimental sobre el uso de cordones de acero de dos y tres hilos, alambres de acero con nervaduras en espiral, barras de acero gruesas de pequeño diámetro y alta resistencia y otros materiales de acero domésticos como sistemas de anclaje de tensión de tendones pretensados ​​ha logrado resultados preliminares, abriendo un nuevo camino. para la promoción de tendones adheridos pretensados ​​en nuestra provincia.

El uso de sistemas de acero pretensado adherido puede mejorar la durabilidad de la estructura y extender su vida útil entre 20 y 30 años, aportando enormes beneficios económicos.

Zhongda Consulting recopiló y compiló las tecnologías de refuerzo pretensado y las características de los puentes de carretera mencionadas anteriormente.

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