MOSTY BETONOWE Z NAPRĘŻANYMI CIĘGNAMI – EWOLUCJA

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 154
Budownictwo
2012
Wojciech Trochymiak
Instytut Dróg i Mostów
MOSTY BETONOWE Z NAPRĘŻANYMI
CIĘGNAMI – EWOLUCJA FORM
KONSTRUKCYJNYCH I ZASAD OBLICZANIA
Rękopis dostarczono 12.07.2012 r.
Praca dotyczy mostów betonowych z naprężanymi cięgnami. Celem pracy było możliwie szerokie ujęcie problematyki tego typu mostów w aspekcie kształtowania form konstrukcyjnych, analizy
teoretycznej i wykonawstwa.
Praca zawiera dziesięć rozdziałów. Przedmiot, cel i zakres pracy zawiera rozdział pierwszy.
W rozdziale drugim przedstawiono, w ujęciu historycznym, genezę oraz rozwój mostownictwa
dotyczący mostów betonowych z naprężanymi cięgnami. Koncentrowano się głównie na pionierskich rozwiązaniach konstrukcyjnych mostów sprężonych, w kontekście sprężania cięgnami wewnętrznymi z przyczepnością, cięgnami zewnętrznymi i cięgnami zewnętrznymi o dużych mimośrodach. Przedstawiono rozwój różnych technologii budowy, urządzeń i wyrobów do konstrukcji
mostowych, wymieniono wybitnych przedstawicieli nauki i przemysłu oraz organizacji związanych
z propagowaniem i wdrażaniem wiedzy dotyczących mostów z naprężanymi cięgnami. Przytoczono
przykłady pierwszych wybudowanych lub wzmocnionych przez sprężenie obiektów inżynierskich,
uwzględniających różne aspekty postępu technologicznego, na świecie i w Polsce.
Rozdział trzeci zawiera opis właściwości podstawowych materiałów i wyrobów stosowanych
do budowy mostów betonowych z naprężanymi cięgnami, ze szczególnym uwzględnieniem właściwości betonu, stali zwykłej i sprężającej oraz materiałów kompozytowych typu FRP w kontekście normalizacji polskiej i europejskiej. Sklasyfikowano i opisano przykłady współczesnych
wyrobów i urządzeń do konstrukcji sprężonych, w tym tradycyjnych stalowych i niemetalicznych
systemów sprężania (głównych elementów rozciąganych, zakotwień, osprzętu i wyposażenia).
Przytoczono przykłady nowych rozwiązań systemów konwencjonalnych oraz systemów kompozytowych z FRP. Opisano mechanizmy i czynniki degradacji systemów sprężających oraz sposoby ochrony i zapobiegania degradacji systemów sprężających.
W rozdziale czwartym omówiano doraźne i opóźnione straty sprężania w cięgnach stalowych
i kompozytowych oraz sposób ich wyznaczania. Przytoczono wartości współczynników tarcia,
przyjmowane do obliczeń strat doraźnych w cięgnach z przyczepnością i cięgnach bez przyczepności, korzystając z międzynarodowych i europejskich zaleceń.
Podstawowe zagadnienia dotyczące analizy i modelowania mostów sprężonych cięgnami wewnętrznymi z przyczepnością zawiera rozdział piąty. W tym, między innymi, krótką charakterystykę i przykłady wybranych form konstrukcyjnych: mostów belkowych, mostów grzbieto-
4
Streszczenie
wych i mostów ramowych z cięgnami obetonowanymi nad i pod dźwigarem. Opisano historyczne i współczesne metody wyznaczania oddziaływania cięgien sprężających na konstrukcję oraz
możliwości zastosowania współczesnego oprogramowania inżynierskiego do analizy i wymiarowania omawianych konstrukcji. Przedstawiono przykład doboru tras cięgien sprężających w wiaduktach autostradowych według kryterium ekonomicznego oraz przykład porównania podniesień
wykonawczych przy dwóch różnych scenariuszach budowy metodą nawisową.
W rozdziale szóstym przedstawiono opis wybranych badań doświadczalnych i analitycznych
konstrukcji z cięgnami bez przyczepności. Przytoczono opisy badań belek, swobodnie podpartych
i dwuprzęsłowych, sprężonych cięgnami z przyczepnością i cięgnami bez przyczepności, z trasami
o dużych mimośrodach, umieszczonymi poniżej dźwigara. Opisy przedstawiono w kontekście weryfikacji analitycznych metod wyznaczania sztywności giętej belek sprężonych cięgnami zewnętrznymi oraz badań belek z różnymi układami tras zewnętrznych cięgien sprężających. Przedstawiono także opis własnych badań analitycznych symulacji procesu obciążania belki, sprężonej cięgnem
zewnętrznym o dużych mimośrodach, obciążonej aż do wyczerpania nośności. Przedstawiono opis
modelu obliczeniowego, wykonanego za pomocą komercyjnego programu LS-DYNA, opis modeli
materiałowych stali sprężającej i betonu oraz opis uzyskanych wyników numerycznych.
Charakterystykę mostów sprężonych cięgnami bez przyczepności, o trasach mieszczących się
w obrębie wysokości dźwigara, przedstawiono w rozdziale siódmym. Opisano elementy składowe systemu sprężenia zewnętrznego, ze szczególnym uwzględnieniem głównych elementów rozciąganych,
zakotwień, systemów zabezpieczeń przed korozją oraz dewiatorów i punktów odgięcia (zmiany) trasy cięgien zewnętrznych. Zamieszczono przykłady kształtowania i zaleceń projektowych elementów
składowych systemów sprężania. Podano przykłady kształtowania elementów dźwigara, w tym stref
zakotwień i dewiatorów. Przedstawiono wyniki porównania, na podstawie studium parametrycznego,
dwóch pięcioprzęsłowych mostów, sprężonych cięgnami wewnętrznymi z przyczepnością i cięgnami
zewnętrznymi bez przyczepności. Badania dotyczyły dwóch głównych parametrów: rozpiętości przęseł i wysokości konstrukcyjnej dźwigara oraz ich wpływu na zużycie stali sprężającej i zbrojeniowej.
Opisano stosowane metody modelowania cięgien sprężających z przyczepnością i bez przyczepności
z uwzględnieniem nieliniowości geometrycznych i materiałowych.
Rozdział ósmy dotyczy mostów prętowo-cięgnowych, w szczególności zaś mostów typu extradosed. Przedstawiono przegląd wybranych form konstrukcyjnych mostów prętowo-cięgnowych,
a w tym: mostów podwieszonych, mostów extradosed, mostów z cięgnami pod dźwigarem, mostów
wstęgowych oraz mostów z mieszanymi układami naprężanych cięgien. Szczegółowo omówiono
mosty extradosed, w szczególności: układy statyczne, kształtowanie konstrukcji nośnej, siodła na
pylonach oraz zakotwienia na pylonach i w dźwigarze. Przedstawiono ocenę atrakcyjności ekonomicznej tego typu konstrukcji, w porównaniu z innymi typami mostów, o porównywalnych rozpiętościach przęseł. Opisano wybrane aspekty projektowania mostów extradosed, w szczególności
wstępnego doboru sztywności konstrukcji nośnej, podpór i cięgien extradosed, jak również wstępnego projektowania siodeł lub zakotwień na pylonie oraz cięgien extradosed. Przedstawiono metody budowy mostów extradosed łącznie z budową obiektów nietypowych. Analizowano dostrzegalne tendencje rozwojowe mostów extradosed.
W rozdziale dziewiątym analizowano modele obliczeniowe, pierwszego, wybudowanego
w Polsce mostu typu extradosed. Badano, między innymi, przydatność modeli liniowych w zastosowaniach aplikacyjnych, we wstępnej fazie projektowania. W szczególności badano wpływ wybranych obciążeń lub oddziaływań, na zakres zmian różnych parametrów konstrukcyjnych, jak np.
pionowych przemieszczeń dźwigarów i rozciągających sił osiowych w cięgnach extradosed. Analizowano również zakres zmienności naprężeń rozciągających i spełnienie kryterium konstrukcyjnego cięgien extradosed. Zaproponowano również, stosując kryterium konstrukcyjne (kontrolowanego przemieszczenia głównego przęsła) iteracyjny dobór wstępnego naciągu cięgien extradosed na
przykładzie modelu nieliniowego.
W rozdziale dziesiątym pracy przedstawiono wnioski końcowe.