鉄鋼の設計と主要な構造技術 | 広州ピンクローズグループ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6626 (2023) この記事を引用

1423 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

南京第五長江大橋（主径間６００ｍの３塔斜張橋）に適用された新型鋼コンクリート複合鉄塔を紹介した。この新しいタイプのパイロンでは、鋼製シェルは PBL せん断コネクタとスタッドを介してコンクリートで接続され、内側の鋼製シェルは山形鋼によって外側の鋼製シェルに接続されています。数値解析と実物大模型試験により、このパイロン構造が優れた機械的特性と施工性能を示すことがわかりました。 BIM 技術の応用、特別なスプレッダーと建設プラットフォームの研究開発により、構造物の正確な設置が保証されます。工場で高度に製造された強化鋼シェル構造のモジュラーアセンブリは、現場作業の強度と困難さを効果的に軽減し、建設リスクを低く抑えながらプロジェクトの品質を向上させることができます。一方、この鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合鉄塔の適用の成功は、同様の橋梁で広く使用できる鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合鉄塔の建設技術の完全なセットの形成を示しています。

パイロンは、ケーブルで支えられた橋の重要な耐荷重コンポーネントであり、ケーブルから橋の基礎に荷重を伝達する役割を果たします。したがって、橋の安定性は鉄塔の安定性と剛性に依存します。改善された機械的特性、工業用プレファブリケーション、より迅速な建設、信頼性の高い品質を備えたパイロン構造の研究開発は、橋梁エンジニアリングにとって最も重要です。

従来、ケーブル支持橋の鉄塔は鋼構造の鉄塔またはコンクリート構造の鉄塔を使用して作られていました1。鋼構造のパイロンには工場でのプレハブやモジュール式の組み立てという利点がありますが、コストが高いため、その用途はコンクリート製のパイロンに比べてはるかに少なくなっています。パイロンには高い剛性が要求されるため、パイロンの断面積を大きくする必要があるため、より多くの鋼材が使用され、その結果、建設コストがコンクリート製パイロンの約 3 倍になります。コンクリート製パイロンは剛性が高く安定性が高く、建設コストが安いという利点があります。しかし、その工法は剛骨躯体設置、鉄筋結合、型枠設置・調整、コンクリート打設という複雑な段階を経る。建設作業は主に標準化が低くプレハブによる手作業に依存しているため、建設期間が長く、現場作業の強度が高く、リスクが高く、設備の占有サイクルが長くなります。

鋼鉄とコンクリートの複合パイロンは、鋼鉄とコンクリートのパイロンに比べて多くの利点を示します。鉄骨構造は工場でのプレハブとモジュール式の設置により時間を大幅に節約できます。同時にコンクリート打設のテンプレートとしても使用できます。鋼構造がコンクリートを拘束し、コンクリートの支持力をさらに向上させます。鋼とコンクリートの組み合わせは、コンクリートパイロンの高剛性の利点も継承しています。

鋼コンクリート複合パイロンは、主に複雑な幾何学的形状のパイロンに使用されます。たとえば、アラミーロ斜張橋の複雑な形状のため、建設に必要な時間を短縮するために、鉄筋コンクリート塔の当初の設計は複合構造に変更されました。そのため、多くの鉄筋の代わりに、コンクリートに接続された外側の金属ケースが使用され、設置にははるかに長い時間がかかりました2。複合作用は、外側ケースを形成する主鋼板と主板の水平補剛材に直接溶接されたスタッドコネクタによって実現され、鋼とコンクリートの間のせん断力の伝達にも考慮されています。スーら。両薄肉鋼管の間にコンクリートがあり、曲げと軸方向荷重の組み合わせを受けるサンドイッチボックス柱の観察された挙動を研究しました。結果は、サンドイッチ部材の強力な性能が、対応するコンクリート充填チューブ部材よりも高いことを示しています。非コンパクトなアウターチューブを備えたサンドイッチセクションでは、強度の向上は最大 45% に達しました3。ストーンカッターズ橋の上部塔柱は鋼鉄とコンクリートの複合構造を採用しています。鉄骨構造はステンレス鋼でできており、鉄骨とコンクリートの接続には溶接スタッドのみが使用されています6。タオら。は、軸方向の圧縮下で内側または外側の溶接された縦方向補強材を備えたコンクリート充填鋼管状スタブ柱の強度と剛性を研究しました4。謝ら。は、鋼-コンクリート-鋼のサンドイッチ構造の革新的な形式を研究しました。この構造では、2 枚の鋼板が、両端を同時に摩擦溶接された一連の横棒コネクタによって相互接続されています。ゼンら。彼らは、アキシアル荷重下および一定のアキシアル荷重と周期的横荷重の組み合わせの下でのダブルスキン鋼コンクリート複合パイロンの観察された挙動を研究するために、それぞれ穴あきプレートコネクタを備えた 5 つの試験体と溶接スタッドコネクタを備えた 5 つの試験体を設計および製造しました7。 Leng WH は、利川橋のプレストレスト鋼とコンクリートの複合曲線鉄塔の PBL せん断コネクタの耐力の計算方法と、鋼殻内のコンクリートの収縮とクリープに影響を与える要因を研究しました8。 J.Y.リチャード・リュー他 J フックコネクタを備えた革新的なサンドイッチ複合構造（爆風、衝撃、疲労、静荷重を受けるサンドイッチ複合ビーム、サンドイッチ複合プレート、複合サンドイッチ壁など）の性能を研究しました9。魏ら。らは、上部鋼鉄塔と下部コンクリート塔からなる鉄骨とコンクリートの接合部における鋼コンクリート複合鉄塔の力伝達機構を縮尺模型試験により研究した10。王ら。は、鋼コンクリート複合パイロンに対するさまざまな断面形状とせん断コネクタの影響を研究し、その結果、長方形断面と比較して、面取りのある長方形断面の方が局部的な座屈に対する抵抗力が高いことがわかりました。また、せん断コネクタは、鋼鉄とコンクリートの複合パイロン1の支持力と延性を大幅に向上させることができます。

ただし、中国では主に鋼とコンクリートの複合鉄塔が \(200\,\textrm{m}\) 未満のスパンの斜張橋で使用されていますが、そのような鉄塔には通常、鋼製の外側シェルしかありません。公開されている鋼・コンクリート複合橋塔プロジェクトの適用事例を表1に示します。この研究では、新しいタイプの鋼・コンクリート複合橋塔を紹介しています。鋼製シェルはPBLせん断コネクタとスタッドを介してコンクリートに接続され、内側の鋼鉄はシェルはアングル鋼によって外側のスチールシェルに接続されています。 PBL せん断コネクタの貫通鉄筋は、コンクリートの一次補強材としても使用されます。内側と外側のスチールシェルはコンクリート注入用の型枠でもあり、最終的にはスチール、コンクリート、スチールのサンドイッチ複合パイロンを形成します。このタイプの鉄塔は、\(500\,\textrm{m}\) を超えるスパンのケーブルで支えられた橋に初めて適用されました。このタイプのパイロンには、高度なプレハブ加工、迅速な建設、信頼性の高い品質、良好な靭性と可塑性、および良好な外観という利点があります。この記事では、主支間 \(600\,\textrm{m}\) の斜張橋に適用される鋼 - コンクリート - 鋼サンドイッチ複合鉄塔の設計と建設を具体的に紹介します。このプロジェクトの研究は、橋梁建設の建設から製造までの産業高度化を促進する上で非常に重要であり、同様の橋梁形式の参考としても使用できる可能性があります。

この研究の橋は、2020 年に開通した第 5 南京長江橋として知られる南京の江新州長江大橋 (JYRB) です。JYRB は 3 つの塔と二重ケーブルを備えた鋼 UHPC 複合桁斜張橋です。飛行機。スパン配置は \(80\,\textrm{m}+218\,\textrm{m}+2\times 600\,\textrm{m}+218\,\textrm{m}+80\,\textrm {m}\)。図 1 に JYRB のレイアウトを示します。主桁の高さは \(3.6\,\textrm{m}\)、幅は \(35.3\,\textrm{m}\) で、6 車線と 2 つの歩道が含まれています。さらに、平鋼箱桁とせん断スタッドを介して接続された粗骨材を含む UHPC 層で構成されています。 3 つのパイロンは、高さ \(177.407\,\textrm{m}\) の中央パイロン 1 つと、高さ \(169.7\,\textrm{m}\) の同一の側面パイロン 2 つです。 3つの主要なパイロンは、縦方向はすべて菱形パイロンですが、横方向は単柱パイロンです。この橋では、鉄塔の両側に 20 対のケーブルが固定されており、合計 240 本のケーブルが使用されています。

南京の江新州長江大橋の概要。 (a) 立面図。 (b) 鋼製箱桁の断面図。

ミドルパイロンとサイドパイロンの構造レイアウト。 (a) 横方向レイアウトの中央パイロン。 (b) 横方向プロファイルレイアウトの中央パイロン。 (c) 中央パイロンの長手方向レイアウト。 (d) 中央パイロンの長手方向プロファイルレイアウト。 (e) 横方向レイアウトのサイドパイロン。 (f) 横方向プロファイルレイアウトのサイドパイロン。 (g) サイドパイロンの長手方向レイアウト。 (h) サイドパイロンの長手方向プロファイルレイアウト。 (単位:cm)。

中間パイロンを例にすると、パイロンを上部、中部、下部に分割し、中間部と下部の接合部に横梁を設計します（図2参照）。上部、中部、下部の高さは \(55.007\,\textrm{m}\)、\(81.550\,\textrm{m}\)、\(40.850\,\textrm{m}\) です。、それぞれ。下部は縦方向の二重脚構造であり、各脚は 3 つのセルを備えたボックスセクションを採用しています (図 3a を参照)。下部の 2 つの脚は上方に徐々に分離し、2 つの脚間の最大距離は \(7 \,\textrm{m}\)、中央部分の 2 つの枝が徐々に上向きに集まり、上部が 1 つの枝に結合します。中間部と上部の標準セクションをそれぞれ図 3b、c に示します。鉄塔部分の鋼殻構造を図 4 に示します。

パイロンのセクション: (a) パイロン下部の標準セクション。 (b) パイロンの中央部分の標準断面。 (c) パイロン上部の標準断面。 (単位:cm)。

中央（側面）のパイロンは 37（36）のセグメントに分割されており、パイロンの標準（最も高い）セグメントの高さは 4.8\(\,\textrm{m}\)(\(5.2\,\textrm{ m}\))。パイロンの鋼殻は、内外鋼板、垂直・水平補剛材、せん断スタッド、接続山形鋼などで構成されています（図2）。外鋼板の標準板厚は \(14\,\textrm{mm}\) で、そのうち \(20\,\textrm{mm}\) と \(16\,\textrm{mm}\) は下梁上下の外鋼板の一部と下部パイロンの第1セグメントに使用されます。内壁プレートの標準厚さは \(6\,\textrm{mm}\) です。垂直補強材のサイズは \(128\times 10\,\textrm{mm}\) ですが、水平補強材のサイズは \(200\times 10\,\textrm{mm}\) です。これらの補強材の標準間隔は \(400\,\textrm{mm}\) で、山形鋼の接続に合わせて補強材は局所的に広げられます。 \(\phi 60\,\textrm{mm}\) の穴は、水平鉄筋を通過するように垂直補剛材に設定されており、\(\phi 86\,\textrm{mm}\) と \(\phi 80\,\textrm{mm}\) の穴が水平スチフナーに設定され、垂直鉄筋を貫通します。さらに、コンクリートの注入と振動のために、いくつかの \(\phi 70\,\textrm{mm}\) の穴が水平補剛材に設定されています。鉄筋はHRB400等級の鉄筋を採用し、縦鉄筋と横鉄筋の直径はそれぞれ\(36\,\textrm{mm}\)と\(22\,\textrm{mm}\)です。鉄筋が補剛材を通過しているため、補剛材と鉄筋は単純な意味での単なる補剛材と鉄筋ではなくなることに注意してください。これらを組み合わせて PBL せん断接合を形成し、それによって鉄骨構造とコンクリートの共同作業を実現します。溶接後の直径 \(22\,\textrm{mm}\) と高さ \(150\,\textrm{mm}\) のせん断スタッドが、垂直方向のグリッドによって形成される長方形グリッドの中心に溶接されます。補強材と水平補強材を組み合わせて、コンクリートと鋼殻の間の接続をさらに強化します。外側と内側の鋼板は、\(L75\times 8\,\textrm{mm}\) アングル鋼を介して全体に接続されており、コンクリートを注入するときの鋼殻の変形を制御し、コンクリートの強度を向上させるのに役立ちます。スチールシェルの全体的な剛性セグメント。鋼シェルの内側および外側の鋼パネルおよび補強材は Q345C 鋼で作られ、残りのパネルは Q235B 鋼で作られています。パイロン内のコンクリートは C50 収縮補償コンクリートです。

鉄塔の鋼殻構造: (a) 鉄塔下部の鋼殻構造。 (b) パイロン中間部の鋼殻構造。 (c) パイロン上部の鋼殻構造。 (単位:cm)。

横梁は、高さ \(2.0\,\textrm{m}\)、幅 \(4.6\,\textrm{m}\) の長方形の鋼製箱桁です。横梁の鋼板の厚さは \(20\,\textrm{mm}\) です。縦補剛材の高さは \(160\,\textrm{mm}\)、プレートの厚さは \(16\,\textrm{mm}\)、ダイヤフラムの厚さは \(12\ ,\textrm{mm}\)。 \(\phi 15.2-22\) 高強度、低緩和の外部プレストレスト鋼ストランドの束が 12 束あり、下部ビームに沿って配置されており、張力制御応力 \(1209\,\textrm で両端が張られています) {MPa}\)。さらに、\(\phi 15.2{-}15\) の高強度、低緩和の外部プレストレスト鋼より線の束が 12 本、上部と中間部の接合部で長手方向に沿って配置され、両端で張力がかかっています。張力制御応力は \(1395\,\textrm{MPa}\) です。

従来の斜張橋とは異なり、3 つの柱からなる斜張橋の全体的な剛性は、補助橋脚のない 2 つの中間径間により通常より無視できます。したがって、3 塔屋または複数塔塔の斜張橋構造の全体的な剛性と中間塔の安定性を向上させるために、さまざまな方法が検討されています。

パイロンの剛性を向上させて、構造全体の剛性と構造性能を確保します。

主桁の剛性を向上させるために主桁の高さを高くする。

補助ケーブルを設置して中間パイロンの長手方向の剛性を高め、全体的な剛性と構造の構造性能を向上させます。

クロスケーブルはメインスパンの中央で固定するために使用され、トラスシステムを形成し、構造全体の剛性と性能を向上させます。

ただし、主桁の高さを高くして構造物の全体的な剛性を向上させることは、スパンが小さい多塔斜張橋に適しています。例えば、フランスのミヨー橋はこの方式を採用しています。しかし、JYRB のような大径間を持つ多塔斜張橋では不経済です。補助ケーブルを鉄塔間に設置することは、中小規模の支間を持つ複数の鉄塔斜張橋で役割を果たすことができます。よく知られているように、ケーブルの長さが増加するとたるみが大幅に増加し、それによって全体的な剛性とケーブルの安定性が低下します11。したがって、このアプローチは長径間多塔斜張橋に最小限の影響を与えます。主支間が \(600\,\textrm{m}\) までの斜張橋の場合、ケーブルを交差させる方法は確かに全体的な剛性を向上させることができますが、風による支材の振動の相互影響が大きくなります。ケーブル交差部のケーブルとそれを効果的に抑制する方法は、さらなる研究が必要な問題です。そこで本プロジェクトではパイロンの剛性を高めて全体の剛性を高める手法を採用した。従来のインラインパイロンの長手方向の場合、中間パイロンの長手方向の幅が増加すると、中間パイロンの全体的な剛性を増加させる必要があります。従来の長手方向のインラインパイロンを採用した場合に、全体剛性が仕様の要求を満たすと仮定します。この場合、中間パイロンの長手方向の幅は、ミダスモデルの計算結果より\(16\,\textrm{m}\)以上となるため、経済性が悪くなります。したがって、この方法は改善する必要があります。ただし、パイロン柱の長手方向の開口部により、中間パイロンの長手方向の剛性が大幅に向上する可能性があります。より経済的でリーズナブルなプランとなるはずです。

理論的には、縦開口のパイロンとしては、縦A型パイロンが最も効果的な構造となります。ただし、長手方向の基礎サイズや止水面が大きくなる場合があります。鉄塔の橋床下の下部は後退してダイヤモンド型の鉄塔を形成しており、これにより鉄塔の全体的な剛性を確保しながら、鉄塔と基礎のエンジニアリング量を削減できます。

パイロンを縦方向にダイヤモンド型に開き、複柱パイロンを依然として横方向に使用する場合、パイロンは橋床版上に 4 本の脚を持つことになります。これにより、このパイロン構造には複雑な力がかかります。また、ステーケーブルと4本脚のパイロンが同一空間内に混在するため、空間ラインが複雑になり、視覚効果も劣ります。横方向の単柱パイロンを使用する必要があります。したがって、全体の外観は簡潔かつ滑らかになり、独特の視覚効果を生み出します。

主梁の中央空間を占める単柱鉄塔では、さまざまな構造的・技術的要件を満たすことを前提に、鉄塔側面構造サイズを最適化することが、プロジェクト規模の縮小と事業投資削減の足がかりとなります。これは JYRB の建設条件に適しており、主支間 \(600\,\textrm{m}\) の斜張橋の構造力要件を満たしています。 JYRB にコンクリートパイロンを使用する場合、パイロンの最小横寸法は \(6.6\,\textrm{m}\) になります。パイロン構造の横方向の寸法をさらに最適化するには、材料の選択と構造構成の取り組みを実行する必要があります。中国では、成熟した設計と建設の経験を持つ鋼製パイロンが使用されています。また、鉄骨構造のパイロンは支持力、耐震性能、構造耐久性に優れています。滑らかできれいな外面により、より優れた美的効果が得られやすくなります。しかし、鉄骨構造のパイロンの建設には大規模な機械加工や吊り上げ設備が必要となり、プロジェクトコストが増加する可能性があります。なお、長手方向のひし形のパイロンなどの単一のパイロンの場合、鋼構造のパイロンとコンクリートのパイロンの幾何学的寸法が同じであると、鋼構造のパイロンの曲げ剛性と圧縮剛性が不利になることに注意してください。。したがって、コンクリートパイロンと鋼鉄パイロンの長所と短所を組み合わせると、鋼とコンクリートの複合パイロンが良い選択となる可能性があります。

鉄塔の長手方向開口間隔が小さすぎると、橋全体の全体剛性に影響を与えるため、橋全体の全体剛性が不足する可能性があります。縦方向の開口間隔が大きすぎると不経済となる。したがって、橋全体のロッドシステム有限要素モデルを確立して、合理的な長手方向の開口間隔を決定しました。さらに、中間パイロンの長手方向開口間隔は、活荷重下の主桁の変形に対する長手方向開口間隔の影響を決定するためのパラメータとして使用され、中間パイロンの長手方向開口間隔が主桁の全体的な剛性に及ぼす影響を決定しました。橋。図５は、異なる中間パイロン長手方向開口間隔における寿命荷重下での主桁の最大変形を示している。図5からわかるように、中間パイロンの縦方向開口間隔が18 m未満の場合、寿命荷重下での主桁の最大変形値は中国規格のたわみ制限L/400を超えます。これは、主径間 600 m の斜張橋に長手方向のダイヤモンド型の単一パイロンを使用する場合、橋の全体的な剛性要件を満たすために長手方向の開口部間隔を 18 m 未満にすることはできないことを示しています。剛性、美観、経済性、建設の利便性を考慮して、橋の最終的な縦方向の開口間隔は 21 m に設定されます。

中間パイロンの縦方向の開口部の間隔。

パイロンは偏心曲げ部材ですが、軸方向剛性 \(\textrm{EA}\) と曲げ剛性 \(\textrm{EI}\) は、外力変形に対するパイロンの抵抗力を測定する 2 つの重要な指標です。そこで、実際の鉄塔に基づいて基本モデルを抽象化し、鋼鉄塔、コンクリート鉄塔、複合鉄塔の剛性性能を比較します。比較のために、\(5\,\textrm{m}\times 5\,\textrm{m}\) の外側プロファイルを持つボックスセクションが選択されています。コンクリート鉄塔と複合鉄塔の壁厚は \(1\,\textrm{m}\) であり、鋼鉄塔の壁厚は等価原価に基づいて計算されます。図6に示すように、コンクリート鉄塔の断面には合計332本の鉄筋が2層に配置されています。鉄筋の間隔は \(100\,\textrm{mm}\)、鉄筋の直径は \(36\,\textrm{mm}\)、コンクリートのかぶり深さの厚さは \( 25\,\textrm{mm}\)。材料費が同じになるように、複合材とコンクリートのパイロン部分の鋼材含有量を同じに保ちました。 JXZBの鉄塔については、換算すると外側の鋼殻の厚さは\(14\,\textrm{mm}\)、内側の鋼殻の厚さは\(6\,\textrm{mm}\)となります。鉄骨パイロンの材料コストをコンクリートパイロンの材料コストと一致させるために、鋼鉄の場合は \(6000\,\textrm{yuan}/\textrm{ton}\)、\(500\,\textrm) に基づいて計算されます。コンクリートの場合は {元}/\textrm{square}\)、換算された鋼殻の厚さは \(25.26\,\textrm{mm}\) です。

3 種類の断面図: (a) コンクリート断面。 (b) 鋼断面。 (c) 鋼鉄-コンクリート-鋼鉄サンドイッチ複合材断面。

パイロンの上記 3 つの断面について、軸圧縮剛性 \(\textrm{EA}\) と曲げ剛性 \(\textrm{EI}\) の比較を表 2 に示します。断面剛性の計算結果は、有限要素ソフトウェア Midas の断面計算機から取得されます。

表から、複合パイロン部の軸方向剛性はコンクリートパイロン部のそれと同じであり、複合パイロン部の曲げ剛性はコンクリートパイロン部のそれよりわずかに大きいことがわかります。複合材とコンクリートのパイロンセクションはどちらも、鋼鉄パイロンセクションと比較してセクション剛性が大幅に高くなります。したがって、複合パイロンセクションは、コンクリートパイロンセクションの優れた剛性の利点を継承しています。同時に、複合構造パイロンの鋼殻は応力構造の一部として使用され、鉄筋の一部を置き換えて鉄筋の数を減らし、建設の難易度を下げることができます。スチールシェルは、建設の利便性と効率を向上させるテンプレートとしても使用できます。要約すると、複合パイロンは、鋼鉄やコンクリートのパイロンと比較して、機械的特性と構造の点で利点があります。

JXZB の有限要素モデルは、建設段階のプロセスをシミュレーションして、最も不利な断面位置と最も不利な作業条件を決定するために、Midas Civil によって確立されました。続いて、ANSYS を介してソリッド要素を使用したパイロンセグメントの局所解析モデルが確立されました。コンクリートの最大引張応力は \(8.39\,\textrm{MPa}\)、最大圧縮応力は \(-18.3\,\textrm{MPa}\) であり、ZT1 セグメントに現れます。スチールシェルの最大引張応力は \(54.6\,\textrm{MPa}\)、最大圧縮応力は \(-125\,\textrm{MPa}\) で、ZT11 セグメントに表示されます。を参照してください。図7 鋼殻内コンクリートの最大引張応力はC50コンクリートの引張強さの設計値を上回っていますが、計算された最大ひび割れ幅は\(0.087\,\textrm{mm}\)であり、それよりも小さくなっています。中国語コードの制限値を超えています。したがって、鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合パイロンの強度は中国の規格の要件を満たしています。さらに、Midas ソフトウェアは、建設および運用段階における 103 の計算ケースの構造非線形安定性安全係数も計算しました。計算結果を図 8 に示します。図から、構造の開発が進むにつれて、非線形安定係数 K が徐々に小さくなることがわかります。ブリッジの完成後、値は安定する傾向があり、常に仕様限界よりも重要になります。おそらく、PBL シアーキーのせん断抵抗とコンクリートの空隙のほうを懸念する人もいるでしょう。他の研究チームは、JXZBの水平および垂直PBLせん断キーに関する実験研究を実施し、その結果、JXZBの水平および垂直PBLせん断キーはすべて良好なせん断抵抗を有することが示されました。コンクリートの空隙率については、私たちの研究チームも実大模型試験で検証を行っています。具体的な結果については、次のセクションの内容を参照してください。

サービスリミット状態におけるパイロンの最も不利な計算結果。

中間パイロンの縦方向の開口部の間隔。

鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合パイロンは、大径間橋に初めて適用されました。独特の複雑な構造のため、製造、設置、建設は容易ではありません。建設プロセスの実現可能性と適応性を検証するために、この鉄塔の実物大模型プロセス試験が実施され、鋼殻の吊り上げと位置決め、現場での鉄筋の接続、コンクリートの注入プロセス、鉄塔の作業パフォーマンスに焦点が当てられました。コンクリートと温度とひずみの変化の法則。実物大の模型プロセス試験を通じて、鉄塔の鋼殻セグメントの建設プロセスをプレビューし、建設プロセスの問題点を発見し、鉄塔の正式な建設の指針となる注意すべき事項を提示しました。

これまでの建設経験に基づいて、鋼 - コンクリート - 鋼サンドイッチ複合鉄塔の建設プロセスは次のように決定されます。

スチールシェルセグメントを工場で製造し、事前に組み立てます。

スチールシェルセグメントを輸送します。

スチールシェルセグメントを吊り上げます。

スチールシェルセグメントを組み立てます。

鋼殻内の鉄筋を接続し、鋼殻セグメントを溶接します。

スチールシェルの中にコンクリートを流し込んで振動させます。

鋼殻内のコンクリートを養生します。

コンクリートの上部を彫刻刀で削り、スラグを取り除きます。

スチールシェルの次のセグメントを吊り上げます。

テストセグメントの選択

試験セグメントの選択には、鉄塔の各セグメントの構造的特徴と起こり得る建設の困難性を反映する必要があり、また、各段階での鉄塔セグメント建設の品質管理の重要なポイントも反映する必要があります。経済性を考慮し、慎重に検討した結果、セグメント BT24 (単一のリム) とサイドパイロンのセグメント BT23 (セグメント BT24 に接続) の上部の \(800\,\textrm{mm}\) が選択されました。本格的なテストモデルセグメントとして。セグメント BT24 は、図 2g に示すように、サイドパイロンの中央部分の最上部のセグメントにあります。テストモデルの高さは \(5.6\,\textrm{m}\) 、体重は \(30.5\,\textrm{t}\) です。テストセグメントの実物大モデル構造を図9に示します。

テストプロセス

スチールシェルセグメントは工場で製造および組み立てられます。その後、検査・検収を経て橋梁現場へ輸送されます。スチールシェルセグメント BT23 は、車載クレーンによって所定の位置に吊り上げられます。次に、鋼殻セグメントBT23を基礎上に固定します。底部の \(30\,\textrm{cm}\) の高さのコンクリートが事前に注入され、残りの \(50\,\textrm{cm}\) の高さのコンクリートが鋼製シェルセグメント BT24 と一緒に注入されます。プレフロートコンクリートが設計強度に達した後、鋼殻セグメントBT24を吊り上げて初期位置決めが完了します。鋼殻セグメントをセグメント間の仮合わせ部品で仮固定します。鋼殻セグメント間の溶接接続が完了した後、仮合わせ部品が解放されます。非対称溶接による鋼殻の過度の温度勾配を避けるために、セグメントの接続には対称溶接が使用されます。溶接が認定された後、垂直鉄筋が接続されます。鋼殻セグメントが接続されると、コンクリートが層ごとに注入されます。コンクリートの各層の厚さは約 \(40\,\textrm{cm}\) です。コンクリートの初期硬化時に貯水とメンテナンスが行われます。

データ監視

鋼板が薄いため、全工程を通じて鋼板の変形を監視する必要があります。図10に示すように鋼板の表面にひずみセンサを配置し、吊り上げ、溶接、コンクリート打設時の変形を把握するとともに、収縮補償コンクリートの品質、温度、試験ではコンクリートの変形や変形も監視されました。ひずみと温度は長沙金馬 JMBV-1116 多機能データコレクターによって収集されます。電子ダイヤルゲージにより変位データを収集します。対応する測定点の配置を図 10 に示します。コンクリートの養生が完了した後、超音波探傷を使用して鋼殻の中空率を検出します。

本格的なセグメントモデル。

実物大模型の測点配置：（a）標高図における測点の分布。 (b) 鉄塔区間の調査点の分布。

鋼殻の変形

吊り上げ工程中、内側鋼殻に最大の相対変形が生じるように、鋼殻セグメントの外側鋼殻の外壁に 4 つの吊り上げ点が設定されます。巻上げの有限要素解析結果は、最大変位が内側鋼殻で発生し、変位値が \(1.3\,\textrm{mm}\) であることを示しています (図 11a を参照)。吊り上げ中の実際の測定結果は、吊り上げプロセス中に鋼殻の最大変位が内側の鋼殻で発生し、変位値が \(1.1\,\textrm{mm}\) であり、有限の変位と一致していることを示しています。元素分析結果です。

溶接プロセスの不均一な温度領域では、溶接変形が残留する傾向があります。溶接変形値が大きく、構造物の設置や信頼性に影響を与えるとします。したがって、溶接残留変形には注意する必要があります。実際の測定結果によると、鋼殻セグメントの頂部の溶接変形を図11bに示します。溶接プロセス中の最大変形は約 \(1.2\,\textrm{mm}\) です。これは、溶接プロセスが鋼シェルの変形にほとんど影響を及ぼさないことを示しています。

鋼殻の変形：（a）吊り上げの有限要素解析結果。 (b) 上部の溶接変形。

コンクリート打設時の鋼殻の変形に及ぼす側圧と水和反応熱の影響を知るために、鋼殻の変形値を測定します。表３にセグメントの代表的な断面（上部、中部、下部）の外層鋼殻と内層鋼殻の最大変形量を示す。表 3 から、外側鋼殻の変形は内側鋼殻の変形よりも大きく、上部の変形は底部の変形と同様ですが、両方とも中間の変形より大きいことがわかります。セクション。これは鋼殻セグメントの傾きに関係している可能性があります。一般に、セグメントの変形レベルは比較的低く、最大変形値は \(1.5\,\textrm{mm}\) より小さくなります。したがって、コンクリート打設工程は鋼殻の変形にほとんど影響を与えない。

コンクリートの温度

実験は冬の野外で行われたため、気温は0度から\(5.0\,^{\circ }\textrm{C}\)程度でした。したがって、コンクリートは温水と混合され、混合水の温度は \(16.8\sim 17.5\,^{\circ }\textrm{C}\) となります。混合ステーションから出るコンクリートの温度は約 \(8.5\,^{\circ }\textrm{C}\)、コンクリートのポンプ圧送温度は約 \(10.0\,^{\circ }\textrm{ C}\)。コンクリートコアの温度監視結果から、次のことがわかりました。

コンクリートを流し込んだ後、コンクリートの内部温度が上昇し始め、最高温度は \(47.2\,^{\circ }\textrm{C}\) でした。コンクリートの実際の最大温度上昇は約 \( 37.0\,^{\circ }\textrm{C}\)、温度のピークはコンクリート打設開始後の \(43\textrm{h}\) に現れました。

コンクリートの内部と表面の最大温度差は打設後 49 時間で発生し、その温度差は \(27.1\,^{\circ }\textrm{C}\) でした。

コンクリートの内部温度は、打設開始後 \(193\,\textrm{h}\) の周囲温度と同じになり、内部温度の放散が完了します。

コンクリート温度時間履歴曲線。

実験モデルの水和熱解析の有限要素モデルは、有限要素ソフトウェアの固体要素を使用して確立されました。シミュレーション温度計算結果に基づき、水和熱時刻歴解析を行い、その場で実測値と比較します。コンクリート温度の時刻歴曲線を図 12 に示します。図 12 から、計算されたモデルコンクリートの最高温度は \(46.7\,^{\circ }\textrm{C}\) であることがわかります。温度センサーによる実際の測定値とは若干異なります。計算されたピーク温度とコンクリート温度ピークの出現時間は測定値と一致しています。コンクリート温度の上昇と下降の法則は測定値と一致しており、計算結果が正確で信頼できることを示しています。夏の高温の場合 (周囲温度は \(28.0\,^{\circ }\textrm{C}\))、計算結果によると、コンクリート内の最大温度上昇は \(67.8\, ^{\circ }\textrm{C}\)、温度のピーク時間は注湯開始後 \(44\,\textrm{h}\) に現れ、温度上昇は約 \(39.8\,^{\ circ }\textrm{C}\)。したがって、暑い季節には、コンクリートの内部温度が設計要件を満たすように、打設温度を下げる、現場打設場の温湿度環境を管理する、適切な打設時間を選択するなどの対策を講じる必要があります。。

コンクリートの変形

コンクリートの変形制御の効果を各部のコンクリートのひずみに応じて検証できます。収集したコンクリートひずみ場測定データを整理して、図13に示すようなコンクリートひずみ時刻歴曲線を作成しました。図13から、コンクリート内部で観測される最大ひずみ値は、約\(111\×10)であることがわかります。 ^{-6}\)、最小ひずみ値は約 \(-35\times 10^{-6}\) です。ひずみの変化履歴はコンクリートの温度変化履歴と一致します。ひずみの最大値の出現時間は温度の最大値の出現時間と同じであり、コンクリートの内部温度上昇の方がコンクリートの変形に大きな影響を与えます。コンクリート内の熱が放散した後 (\(193\,\textrm{h}\))、各測定点の変形値は安定し、異なる測定点のひずみ値は \(5.8\times 10^ で安定します) {-6}{\sim }-35\times 10^{-6}\)。コンクリートの変形は周囲温度の変化に応じてゆっくりと変化します。

コンクリートひずみ時刻歴曲線。

鋼殻の中空率

\(40\times 40\,\textrm{cm}\) の正方形がコントロールグリッドとして使用され、各グリッドが共通の測定領域になります。鋼殻の各表面は標準測定領域に分割されます。 \(40\times 40\,\textrm{cm}\) 正方形の標準測定領域にコンクリート空洞がある場合、測定領域内でグリッドがリファインされ、リファインされたグリッドのサイズは \(10\ になります) 10\,\textrm{cm}\ を掛けます)。 0.5 未満のリファイングリッドを持つボイドエリアは破棄され、0.5 を超えるリファイングリッドを持つボイドエリアは 1 つのリファイングリッドとしてカウントされます。測定結果に基づく空隙面積の分布を図14に示します。空隙分布図から、鋼殻上部の空隙率が下部に比べて著しく高いことがわかりますが、これはコンクリート打設時に内部に気泡が浮遊して溜まることが原因と考えられます。外側鋼殻の両側の空隙率は中央の空隙率よりも高く、内側鋼殻の中央の空隙率は両側の空隙率よりも高い。統計データを表 4 に示します。鋼殻外殻の空隙率は約 10 ～ 15%、鋼殻内殻の空隙率は約 6 ～ 11% です。外鋼殻の全空隙率は１２．４１％、内鋼殻の全空隙率は７．８６％である。これは、内側鋼殻の空隙率が外側鋼殻の空隙率よりも大幅に低いことを意味します。したがって、実際の橋梁建設においては、ボイド率を低減するために、ボイドの可能性がある箇所や内蔵排気管の振動を強化するとともに、何らかの断熱材を導入するなど、ボイド率を低減するために、打設方法や養生条件をさらに改善する必要がある。コンクリートの養生中に鋼殻とコンクリートの温度差を減らすための措置を講じます。深刻な空隙がある領域の場合、修復のために二次グラウト注入が必要になる場合があります。

コンクリート空洞の検出結果。

鋼・コンクリート・鋼サンドイッチ複合鉄塔は、常設構造と仮設構造を組み合わせた新しいタイプの鉄塔です。鋼殻は構造力に関与するだけでなく、コンクリート注入型枠にも関与します。鉄塔の鉄筋は工場内で位置決めして鉄骨シェルに組み付けるため、現場で鉄筋を組み立てる工程が不要となり、鉄塔の迅速な建設が実現します。パイロンセグメントの高さと重量に応じて、下部の鋼殻はフローティングクレーンで吊り上げられ、中部と上部の鋼殻はパイロンクレーンで吊り上げられます。下部設置は主桁0#ブロックの仮設支柱を施工作業床として使用し、中上部設置は油圧式自動昇降作業台システムを使用します。

スチールシェルの最初のセグメントの正確な位置決めと取り付けは、パイロンの建設を確実にするための基礎であり、その取り付け精度はパイロン全体の取り付け精度に直接影響します。鋼殻セグメントは工場で加工されているため、現場設置は工場での組立を再現するだけであり、コンクリート鉄塔のようにセグメントごとに空間位置を調整することはできません。したがって、最初のパイロンセグメントの底板と上面のスペースは非常に正確である必要があります。 JYRB は、パイロンの正確な位置決めを保証するために次の側面を使用します (図 15 を参照)。

BIM（ビルディング・インフォメーション・モデリング）技術を活用し、鉄筋の衝突や位置を解析する。埋め込み部品を配置したパイロンの最初のセグメント、プラットフォーム、パイロンベースを含む BIM モデルが確立され、衝突検査が実施されました。 BIM モデルを通じて各垂直埋設鉄筋の特定の位置を正確に特定し、プラットフォーム上面の埋設垂直主筋と鋼殻に事前に設置されている垂直主筋の正確な位置合わせを実現します。

プラットフォームには2枚の鉄筋位置決めプレートが取り付けられており、埋め込まれた鉄筋の精度が向上します。位置決めプレートの鉄筋穴は、CNC (コンピューター数値制御) 工作機械によって正確に位置決めされ、穴あけされます。

最初のセグメントの鋼シェルの取り付け精度を確保するための位置決めフレームの埋め込み。垂直および水平位置決めフレームは、工場で最初のセグメントの鋼製シェルの足元に設置されます。同時に、プラットフォームの建設中に別の位置決めフレームが埋め込まれ、スチールシェルの最初のセグメントの取り付け精度が保証されます。

テーパーロックスリーブ接続技術を使用。断面形状が大きいため、セグメント間の界面を制御して一致させるのは困難です。内外壁の補剛材、アングル鋼、水平鋼棒、あばら筋などの交差する要因、および予測できない変形やコンクリート注入の影響などはすべて、鋼殻の最初のセグメントの設置精度に影響を与えます。したがって、垂直鉄筋を接続するためにまっすぐなねじ付きスリーブを使用することは困難です。テーパーロッキングスリーブは、建設プロセスで垂直鉄筋を接続します。これにより、大きな断面セグメントで事前に埋め込まれた鉄筋の接続の問題が解決されます。

最初のセグメントの正確な位置決め技術。

鋼殻のセグメントは特殊な形状の構造であり、垂直投影においてセグメントの中心が重ならないため、セグメント吊り上げの正確な位置決めにさらに重大な困難をもたらす。このため、セグメント巻き上げ用に新しいタイプの調整可能な精密ストラットスプレッダーが開発されました。図 16 に示すように、スプレッダーは 4 本のビーム、上下 4 対の接続継手、鋼製ワイヤロープで構成されます。スプレッダービームの長さを調整し、スチールワイヤーロープの端に調整シャックルを設置することで、昇降点の距離、セグメントの傾き、昇降重心を調整する機能を実現します。パイロンの特殊形状鋼シェルセグメントの巻き上げ問題を解決します。

スチールシェルセグメントの吊り上げと正確な位置決め。

セグメントを迅速に見つけて、設置されているセグメントに接続するために、工場でそれらのセグメント間に適合する部品が設置されます。セグメント間の接続が完了すると、整合器が解除されます。現場で正確な位置調整を行う場合は、まず工場のマッチングデータとモニタリング指示に従って、鋼殻セグメントの下部にある8つのマッチング部品の支持鋼板を調整します。第二に、各パイロンのリムには 1 つの一致する部分のロックポイントパンチネイルが保持され、残りの 3 つの一致する部分のパンチネイルとボルトを取り外して、セグメントを水平面内でわずかに回転できるようにします。同時に、合わせ部分のフィット感を保ち、側面にはねじれを修正するための鋼板が充填されています。調整後は再確認が必要となり、要件を満たしてから後工程を構築できます。

スチールシェルセグメントの端面が機械加工されていないことは指摘しておく価値があります。機械加工された端面を有する鋼構造パイロンと比較して、機械加工されていない鋼殻セグメントは、垂直ベースライン精度と事前組み立て精度が低く、適合部品の固定効果が不十分です。この点で、鋼鉄コンクリート鉄鋼サンドイッチ複合鉄塔は鋼鉄塔よりもエラーが発生しやすくなります。したがって、誤差を修正および調整するには、より多くの調整セグメントを設定する必要があります。

油圧自動昇降プラットフォームは、橋梁工学における高塔の建設に広く使用されています。従来のクライミングシステムには、トラックとクライミングプラットフォームの 2 つの部分が含まれています。登山工事では、通常、線路が最初に登り、その後に建設プラットフォームが続きます。システム全体の構築工程が煩雑となり、構築期間が長期化する。線路と建設プラットフォームは異なる設計を採用しており、システム全体のスペースサイズと重量が増加しています。

新しい油圧自動昇降プラットフォームは、鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合複合橋塔の建設に使用されます。この新しい自動昇降プラットフォームには 3 つの層が含まれており、鋼殻の吊り上げ、セグメント間の溶接、および表面コーティングのための操作プラットフォームを提供します。同時に、このシステムには、標準的な小型油圧システム、リアルタイム監視システム、インテリジェント早期警報システムなど、一連のインテリジェント制御システムも導入されています（図 17 を参照）。従来の昇降プラットフォームと比較して、この自動昇降プラットフォームは、線路と建設プラットホームの同期上昇を実現し、操作手順を軽減し、昇降装置全体の重量を軽減します。同時に、手動操作プラットフォームは拡張性に優れているため、手動による分解と組み立て作業を繰り返す必要がなく、作業効率と建設プラットフォームの耐風性が向上します。

油圧式自動昇降操作台。

自動車ポンプで鉄塔下部のコンクリートを流し込みます。自動車ポンプの揚水高さに制限があるため、中上部のコンクリートはホッパーを吊り上げた大型のパイロンクレーンで搬送されます。コンクリートのスランプを \(18\sim 20\,\textrm{cm}\) に抑えることができ、コンクリート施工性能を確保します。冷蔵倉庫は、夏の暑い時期に砂や石を冷やすために使用されます。同時に、砕氷機構を使用して混合水を冷却し、スチールシェルに入るコンクリートを制御し、コンクリートの中心温度が \(65.0\,^{\circ }\textrm{ C}\)。振動穴は鋼製シェルの水平補強板に確保されています。コンクリートの注入と振動のプロセス中に、振動ロッドが振動穴に挿入され、コンクリートの緻密性が確保されます。鋼製外壁サイディングの近くにコンクリートを打設する場合、\(70\,\textrm{mm}\) 径のコンクリート振動と周方向補剛板に開けられた通気孔を最大限に活用し、コンクリート打設施工の品質を確保します。

コンクリート表面の水の急速な損失によるコンクリートと鋼殻の間の亀裂を避けるために、コンクリートの初期硬化後、時間内に上部コンクリートを貯水によって保護する必要があり、貯水深さは浅い必要があります。 \(10\,\textrm{mm}\) 未満であること。コンクリートの最終打設から 48 時間後、電動ピックで上面を削り、深さが \(10\,\textrm{mm}\) 程度になるように制御します。コンクリートスラグは、ハツリ加工後に掃除機で掃除し、スラグ除去の効率と効果を高めます。コンクリートの注入と硬化の様子を図18に示します。

鋼殻にコンクリートを流し込んで養生します。

鋼・コンクリート・鋼サンドイッチ複合鉄塔は、このような長径間斜張橋では初めて適用されました。工場の生産率の向上、迅速な建設、労働投入の削減において理想的な結果を達成しました。コンクリート鉄塔と鋼鉄塔との建設投資額と建設効率の比較を表5に示します。

表 5 から、鋼・コンクリート・鋼サンドイッチ複合鉄塔の建設には仮設設備がほとんどなく、建設速度はコンクリート鉄塔の約 1.4 倍、労働投入量は約 1/4 にすぎないことがわかります。コンクリートのパイロンのこと。作業のほとんどは工場で行われるため、工場ベースのパイロン建設率が大幅に向上し、建設品質が保証されます。省力化により安全管理・制御が容易となり、工事従事者の安全性が向上します。これらの点では鋼鉄塔の方が鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合鉄塔よりも優れているかもしれませんが、鋼鉄塔は十分な吊り上げ設備が必要となるため、建設コストはコンクリート塔の約3倍となります。しかし、鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合鉄塔のコストは、コンクリート鉄塔の 1.2 倍に過ぎません。したがって、コンクリートパイロンよりもわずかに多くの費用がかかりますが、他の多くの面でより良い結果が得られます。鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合パイロンは、大径間のケーブルで支持される橋に適している可能性があります。

鋼・コンクリート・鋼サンドイッチ複合鉄塔は、長径間斜張橋に初めて適用された新しいタイプの鋼・コンクリート複合鉄塔です。この研究は、このタイプの鉄塔の設計思想と主要な建設技術に焦点を当てており、次の結論を導き出しています。

計算結果は、橋塔が良好な機械的特性を示し、構造物の安全性を確保できることを示しています。

実物大のプロセスモデルテストにより、構造物の迅速な建設の実現可能性が確認され、実際の建設で起こり得る問題を早期に警告することができました。

BIM 技術の応用、特別なスプレッダーと建設プラットフォームの研究開発により、構造物の正確な設置が保証されます。

工場で製造された強化鋼シェル構造のモジュラーアセンブリは、現場作業の強度と困難さを効果的に軽減し、プロジェクトの品質を向上させ、建設リスクを軽減します。

この橋塔の適用の成功は、同様の橋で広く使用できる鋼-コンクリート-鋼サンドイッチ複合塔の建設技術の完全なセットの形成を示しています。

この研究の結果を裏付ける一部またはすべてのデータ、モデル、またはコードは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国湖南省自然科学財団（番号 2021JJ40593）および中国長沙科技大学教育部橋梁工学安全管理重点研究室の公募資金（番号 19KB08）の支援を受けました。。これらのプログラムに感謝の意を表します。

中国湖南省長沙市、長沙科学技術大学土木工学院

ビダ・ペイ

CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd.（中国湖北省武漢）

アイシウ・チョン、フアン・シア、シュエユン・カン

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BP は研究を考案し、設計しました。 AC と XK は数値シミュレーションとフィールドテストを実行しました。 BPとHXがデータを分析した。 BP は文法チェックと内容のレビューを完了しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ビダ・ペイへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Pei、B.、Chong、A.、Xia、H. 他。大径間斜張橋の鋼・コンクリート・鋼サンドイッチ複合鉄塔の設計と主要施工技術。 Sci Rep 13、6626 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33316-7

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受信日: 2022 年 10 月 4 日

受理日: 2023 年 4 月 11 日

公開日: 2023 年 4 月 24 日

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

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