مهندس سید احسان نجار مشهدی

چكيده مقاله:

يك نوع جديدي از پل با كابل پشتيباني به نام پل كماني (CFT)(كابل-ايستگاه)در اين مقاله بررسي شده است.پشت بند كماني شامل بتن پرشده با لوله هاي فولادي مي باشد.(CFT)ها مقاومت بالاي در برابر خم شدن و نيروهاي محوري دارند و به عنوان قوسي ايده آل مطرح هستند .يك پل قوسي(CFT)مهار شده با كابل با دهانه اصلي 300متر طراحي شده و ايمني اعضاي سازه با روش طراحي حد نهايي بررسي شده است.قوس (CFT)و تير فولادي وبرج پل طراحي شده معيار ايمني مورد نياز را براي بارهاي طراحي نهايي برآورده مي كنند.بارهاي اعمال شده تا زمان فروپاشي پل وتا زماني كه پشت بند كماني تاب برداشت افزايش يافتند.مقدار فولاد مورد نياز براي پل قوسي (CFT)مهار شده با كابل به طور قابل ملاحظه اي كمتر از پل مهار شده با كابل معمولي است.اين مشخص مي كند كه پل قوسي (CFT)مهار شده با كابل عملي و امكان پذير تر وبه طوركلي اقتصادي تر مي باشد.

1) مقدمه:   نويسنده،انواع جديدي از پل ها با استفاده از لوله هاي فولادي بتن مسلح ارائه كرده است.يكي از اين ايده ها پذيرفته شد و عملا براي يك پل راه آهن ساخته شد(شكل 1).

(CFT)مزاياي زيادي دارد.اول اينكه استحكام خمشي و محوري بزرگي در نتيجه اثرات فشار بتن داخل لوله ها دارد. دوم اينكه سطح ارتعاش ايجاد شده توسط قطار و وسايل نقليه در پل هاي(CFT)كمتر از پل هاي فولادي است.اين مزيت خاصي براي پل هاي خط راه آهن است. سوم اينكه از آنجايي كه لوله هاي فولادي در پل هاي فولادي ساخته مي شوند جوشكاري و سوار كردن قطعات پل (CFT)در فرآيند ساخت كوچك تر از پل صفحه اي فولادي مي باشد.چهارم اينكه ،لوله هاي فولادي به عنوان قالب براي ريختن بتن به كار مي آيند و كار آسان تر مي شود.(شكل2 )يك پل قوسي(CFT)معلق است.اين پل قوسي(CFT)بوسيله كابل هاي آويزان ،معلق شده.اين پل اساسا يك سازه مركب از پل معلق و پل قوسي (CFT)است.

شكل 3:بك پل مهار شده با كابل با استفاده از شاه تير لوله اي است. اين شاه تيرازيك تير لوله اي مركزي بزرگ و دوشاه تيرلوله اي دورباريك بايك اسكلت فولادي، داراي دو محور اصلي عمودي تشكيل شده است.بتن درداخل لوله ها ي برج ونقطه وسطه دهانه براي افزايش مقاومت در برابرنيروهاي محوري وممانعت از بالا رفتن آنها ريخته مي شود.

پل قوسي(CFT)مهار شده با كابل(شكل4)ارائه شده و استحكام ايستايي آن در اين مقاله بررسي شده است.پل قوسي از (CFT)تشكيل شده وكابل هاي نگهدارنده آن معلق هستند.يك پل مشابه در مالزي تشكيل شده ازمقاطع جعبه فولادي ساخته شده است.انتظار مي رود كه پل قوسي(CFT)داراي مقاومت بيشتري در برابرگشتاورهاي خمشي و تراكم محوري و همچنين اقتصادي تر از مقاطع جعبه فولادي باشد.نيروهاي افقي در تكيه گاه هاي قوسي پل ارائه شده است.در اين پل اين گونه فرض مي شود كه زمين به اندازه كافي سخت ومحكم است كه اين نيرو هاي افقي را تحمل كند.در اين مقاله تحليل هاي زيادي در رابطه با تغيير شكل براي بدست آوردن نيروهاي مقطعي انجام شده است وسپس ايمني اعضاي سازه هاي نهايي بررسي شده اند.همچنين هزينه تقريبي ساخت براي مقايسه يك پل قوسي(CFT)مهار شده با كابل با يك پل فولادي معمولي مهار شده با كابل ارزيابي شده است.

2) ابعاد فرضي پل قوسي (CFT) مهار شده با كابل :

طرح كلي يك پل قوسي (CFT)مهارشده با كابل در (شكل 6و5)نشان داده شده است.دهانه مركزي 300متر با دونقطه كناري دهانه 100متر در هر طرف است.برج يك شكل Y معكوس با ارتفاع 9.1متر مي باشد. شاه تير ،يك شاه تير جعبه فولادي با اسكلت داراي محور اصلي عمودي (شكل7)با پهناي 32متر مناسب براي 6مسير مشخص است.اسكلت 12ميليمتر ضخامت ،تار 2000ميليمتر ارتفاع و19ميليمتر ضخامت ولبه تحتاني آن داراي 19ميليمتر ضخامت است.شكل ها در هر 5متر منظم شده اند و فرض مي شود كه تمام صفحه هاي فولادي يك تنش Mpa355و استحكام كششي Mpa490دارند. عرشه از يك لوله فولادي با  قطر 1700ميليمتر وضخامت 20ميليمتر پر شده با بتن تشكيل شده است(شكل8). براي لوله هاي فولادي سطح فولاد شاه تير يكسان فرض مي شود.بتن سبك متراكم با وزن واحد 150براي بتن مسلح استفاده مي شود در اينجا به خوبي مشخص است بتن مسلح مقاومت زيادي دارد بنابراين مقاومت دربرابر گشتاورهاي خمشي ومحوري را افزايش مي دهد.سطح مقطع برج در قسمت هاي تحتاني مستطيلي و در قسمت هاي بالايي مربعي شكل هستند(شكل9)

 3)تحليل هاي استاتيكي سازه:      تحليل هاي استاتيكي سازه براي بدست آوردن نيروهاي مقطعي طراحي انجام مي شود مدل سازه همان طور كه در (شكل 10)نشان داده شده است در جايي كه تمام المان ها،المان هاي تير هستند،  سه بعدي مي باشد.از آنجايي كه پل مد نظر يك پل قوسي دهانه بزرگ است ،تحليل آن شامل يك تغييرشكل غير خطي هندسي مي باشد.نيروهاي پيش تنيدگي در كابل هاي نگهدارنده به خاطر اينكه گشتاورهاي خمشي شاه تير وبرج در نتيجه بار هاي مرده پايين آمده است و پهن شده اند ،معرفي مي شوند. پنج الگوي بارهاي زنده همانند (شكل 11)نشان داده شده است بارهاي زنده متشكل از بار متمركز( 10با طول 10متر و بار توزيع شده 3)مي باشد.نيروهاي محوري و گشتاورهاي خمشي پشت بند كماني در (شكل 12و13)نشان داده شده اند،و سه نوع بار مشخص شده است .نوع اول در نتيجه بار مرده و نيروهاي پيش تنيدگي كابل است كه بوسيله ضريب بار 1.1ضرب شده است اين نوع بار براي بررسي قابليت استفاده يا تعمير پذيري است.نوع دوم نتيجه نوع اول به اضافه نتيجه ناشي از حداكثر بار زنده ضرب شده در ضريب بار 1.98مي باشد اين بار براي بررسي ايمني نهايي است .نوع سوم نتيجه بار اول به اضافه حداقل بار ضرب شده در ضريب بار 1.98 است اين نوع بار نيز همچنين براي بررسي ايمني نهايي مي باشد.(شكل12)نيروهاي محوري را نشان مي دهدكه در متراكم سازي روي هم رفته و سرتاسري هستند ودر مركز دهانه به حداقل مي رسند.

(شكل13)نشان مي دهد كه در اينجا گشتاورهاي خمشي مثبت ومنفي وجود دارند كه به نوع بار زنده وابسته است و در (L/4)واقع در مركز نقطه Bحداكثر مقدار خود را دارد.نيروهاي محوري وگشتاورهاي خمشي شاه تير به ترتيب در (شكل 14و15)نشان داده شده است و سه نوع بار نيز مشخص شده است .(شكل 14)نشان مي دهد كه نيروهاي محوري روي هم رفته وسر تاسري هستند .(شكل15)نشان مي دهد كه گشتاورهاي خمشي مثبت ومنفي وجود دارد كه در دهانه كناري نقطهCو دهانه اصلي نقطه Eحداكثر هستند. اين رفتار ها مشابه پل هاي متعارف با كابل مهار شده فولادي هستند.نيروهاي محوري وگشتاورهاي خمشي برج به ترتيب در (شكل16و17)نشان داده نوع بار نيز همچنين مشخص شده است.(شكل16)نشان مي دهد كه نيروهاي محوري در تراكم وافزايش از بالا به پايين هستند(شكل17)نشان مي دهد كه گشتاورهاي خمشي نقش مهمي در مهار كننده كابل دارند. در اين پل قوسي(CFT)مهار شده با كابل، شاه تيرتوسط كابل ها وپشت بند هاي قوسي حمايت مي شود.بنابراين انتظار مي رود كه اين نوع پل خصوصيات مياني بين پل مهار شده با كابل  وپل قوسي را نشان مي دهد.

 انحراف ناشي از بارهاي زنده مي تواند كوچكتر از پل هاي متعارف فولادي مهارشده با كابل باشد. براي اعتبار بخشيدن به اين پل فولادي مهار شده با كابل، يك پل قوسي (CFT)مهار شده با كابل با ابعاد مشابه طراحي شده است.انحراف ناشي از بار كاملا توزيع شده و براي پل قوسي (CFT)مهار شده با كابل 362ميليمتر، در حالي كه انحراف پل معمول مهار شده با كابل 747ميليمتر است.بنابراين پل قوسي(CFT)مهار شده با كابل استحكام خمشي بزرگتر با انحراف كمتري نسبت به پل فولادي مهار شده با كابل دارد.گرچه يك شكست صحيح از مجموع بار تقسيم شده توسط سيستم قوسي وسيستم مهارشده با كابل مشاهده مي شود. اين مورد خاص نشان مي دهد كه شكستگي هر دو سيستم تقريبا نصف است.

4) بررسي اعضا براي حالت حد نهايي :

1-4 معادلات پايه: دراين بخش ايمني پل هاي قوسي و شاه تير و قسمتهاي فولادي برج براي بارهاي نهايي طراحي بررسي شده است.معادله اوليه براي بارهاي حالت نهايي مي باشد. درحالي كه ضريب سازه( است و عكس العمل بيان شده توسط معادله است. در اينجا بار نامي طراحي است و ضريب آناليز(1=) است و ضريب بار( 1.1 براي بار مرده و1.2براي بار زنده) و  ضريب بار اصلاح شده (1.65=)براي بار زنده مي باشد. مقاومت بيان شده توسط معادله است كه در اين معادله  استحكام نامي ماده و ضريب ماده (1.05=براي فولاد و 1.3= براي بتن) و ضريب عضو (1.1= براي عضو فولادي و 1.3=براي عضو بتن)مي باشد.اين ضرايب مطابق به استاندارد ژاپن براي سازه هاي كامپوزيت فولاد-بتن مي باشد.

2-4 بررسي ايمني پل هاي قوسي (CFT): اين بررسي به كمك معادله انجام مي شود كه استحكام نهايي گشتاورهاي خمشي طراحي و استحكام نهايي گشتاور خمشي است و همچنين تابعي از نيروهاي محوري است. براي يافتن لوله هاي فولادي و هاي پرشده با بتن (بتن مسلح)را به المانهاي فيبري تقسيم مي كنند. (شكل18و19)نشان مي دهد كه روابط تنش و كشش فولاد و بتن براي اين تحليل ها به كار مي رود. گشتاور خمشي طراحي (شكل 20و21) معادله را به وجود مي آورد و همچنين پل قوسي (CFT) بايد معادله را هم در بر بگيرد كه در اينجا استحكام پيچشي نهايي است. جدول 1 بررسي ايمني پل هاي قوسي در نقطه A (L\4دهانه) ونقطه B( مركز دهانه)را نشان مي دهد.

3-4 بررسي ايمني بخش فولادي شاه تير و پشت بند:  شاه تير و پشت بند بخش هاي فولادي دارند كه بررسي ايمني آنها توسط معادله انجام مي شود دراين معادله تراكم محور طراحي ، استحكام پيچشي نهايي ، گشتاور خمشي طراحي در جهت طولي ، استحكام نهايي گشتاورهاي خمشي در جهت طولي، گشتاور خمشي طراحي در جهت عرضي و  استحكام نهايي گشتاورهاي خمشي در جهت عرضي مي باشند.

 جدول2 بررسي ايمني شاه تير فولادي را در نقاطE،D،C نشان مي دهد. جدول 3بررسي ايمني شاه تير فولادي در نقاطGوFرانشان مي دهد.استحكام بوسيله تحليل هاي پيچشي پلاستيك است و به كمك اين شكل ها دريافت مي شود كه تمام مقادير معادله                     برآورده شده است. از اين بخش عملي بودن ساخت پل قوسي (CFT)فرض شده ،مشخص مي شود.

5)استحكام پيچشي كل:  در اين بخش استحكام پيچشي كل پل قوسي (CFT)مهار شده با كابل با استفاده از تحليل هايي شامل تغيير شكل هندسي غير خطي ارزيابي مي شود.محاسبات به صورت زير انجام مي شود.ابتدا بار مرده ونيروهاي پيش تنيده كابل با ضريب بار 1.1وبار زنده با ضريب بار 1.98اعمال مي شود دونوع بار زندهLC1وLC2 همانند( شكل 22)در نظر گرفته شده اند5% از بار زنده به صورت نهايي تا زمان شكست پل اعمال مي شود.

(شكل23) جابجايي عمودي در مقابل بار اعمال شده در جايگاه L\4 را نشان مي دهد و (شكل24) جابجايي افقي در وضعيت مشابه را نشان مي دهد. از(شكل24) اين مطلب دريافت مي شود كه براي بار زنده نوع LC1 ، جابجايي افقي به سرعت در بار كلي 2826افزايش مي يابد. (شكل 23)نشان مي دهد جابجايي عمودي به طور محسوسي در اين بار افزايش يافته و همچنين از (شكل24)نتيجه مي شود براي اين مورد بار زندهLC5جابجايي افقي به سرعت در بار كل 2475افزايش مي يابد.(شكل23)نشان مي دهدجابجايي عمودي همچنين به طور چشم گيري افزايش مي يابد.(شكل25)جابجايي عمودي در مقابل بار اعمال شده در مركز و(شكل26)جابجايي افقي را در موقعيت مشابه نشان مي دهد.از(شكل26)مشخص مي شود كه براي بار زنده LC1،جابجايي افقي به طور قابل    ملاحضه اي در بار كل 2826 افزايش مي يابد.(شكل 25)نشان مي دهد كه جابجايي عمودي به سرعت در اين بار افزايش يافته است.

 از (شكل26)نتيجه مي شود كه براي بار زندهLC5جابجايي افقي به سرعت در بار كلKn/m2475افزايش مي يابد.(شكل 23)نيزهمچنين نشان دهنده جابجايي عمودي مي باشد. (شكل27و28)تغيير شكل هاي ناشي از LC1در بار Kn/m2826را نشان مي دهند كه مشخص كننده پيچش پل قوسي به طور عمودي در موج 0.5سينوسي وبه طور افقي در موج 2سينوسي مي باشد.(شكل29و30)تغيير شكل هاي ناشي ازLC5در بار Kn/m2475را نشان مي دهند  كه مشخص كننده پيچش پل قوسي به طور عمودي وافقي و متقارن روي نيم دهانه مي باشد.چگالي بار Kn/m2826در LC1متناظر با  مي باشد و چگالي بارKn/m2475در LC5متناظر با  است.اين بدين معني است كه پل مفروض يك مقاومت كافي در برابرپيچش دارد.

6)روش وهزينه ساخت:  مقادير مورد نياز فولاد براي پل قوسي CFTمهار شده با كابل و پل متعارف فولادي مهار شده با كابل در جدول 4 نشان داده شده اند. پل قوسي CFTمهار شده با كابل به مقادير بسيار كمتري از فولاد براي شاه تير و پشت بند خود نسبت به پل فولادي مهار شده با كابل احتياج دارد. هر چند پل CFTبه مقادير زيادي فولاد براي ميله هاي فولادي ،شاه تيرهاي عبوري و آويزهاي قوسي خود احتياج دارد اما مقدار مجموع كل آنها 18% كمتر از پل متعارف فولادي مهار شده با كابل است. پل CFTهمچنين به كارهايي مانند پر كردن با بتن ونصب احتياج دارد كه ممكن است كمي پيچيده باشد. به هر حال هزينه واحد ساخت ميله هاي قوسي CFTو تيرهاي غلتكي به شكل Hاز هم عبور كرده كمتر از اعضاي صفحه اي تير آهن است و بنا براين هزينه كل ساخت پل قوسي كمتر مي باشد.در كل تعداد روشهاي متفاوتي براي نصب اين پل وجود دارد. براي مثال،پل مهار شده با كابل ابتدا به وسيله پايه نصب مي شود و سپس ميله هاي قوسي با مجموع تكيه گاه هاي موقتي برروي اسكلت نصب مي شود به ترتيب ،ابتدا پشت بند نصب شده و سپس شاه تير و ميله هاي قوسي به طور مستقل با روش اوليه و پايه نصب مي شوند. يكي از مزاياي پل قوسي CFTمهار شده با كابل اين است كه كار ريختن بتن پل آسان است زيرا لوله هاي فولادي مانند قالب عمل مي كنند.همچنين براي به هم چسباندن لوله هاي فولادي، جوشكاري و اتصال پيچشي هم زمان، ممكن است.

نتيجه مقاله:   يك نوع جديد از پل حمايت شده با كابل (پل قوسي CFT) ارائه شده و استحكام ايستايي آن در اين مقاله مطالعه شد. ميله هاي قوسي از لوله هاي فولادي بتن مسلح تشكيل شده است. CFT  ها مقاومت بالايي در برابر گشتاورهاي خمشي و نيروهاي محوري دارند و براي ميله هاي قوسي مطلوب هستند. يك پل قوسي با دهانه 300متر طراحي شد و ايمني اعضاي سازه توسط روش طراحي حالت حدي بررسي شد.ميله هاي قوسي CFTو شاه تيرهاي جعبه فولادي و پشت بندهاي طراحي شده معيار ايمني مورد نياز براي بارهاي نهايي رابر آورده كردند. پل زماني فرو مي ريزد كه ميله هاي قوسي كاملا پيچ خورده باشند.مقدار فولاد مورد نياز براي پل (CFT) به طور چشم گيري كمتر از پل مهار شده با كابل است ومشخص مي شود كه پل قوسي مهار شده با كابل CFTقابل ساخت واز لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نسبت به پل هاي ديگر مي باشد.

References

1] NakamuraShun-ichi.Designstrategytomakesteelbridgesmoreeconomical

JournalofConstructionalSteelResearch1998;46.

2] NakamuraShun-ichi.Newstructuralformsofsteelconcretecompositebridges

StructuralEngineeringInternational,JournalofIABSE2000;10(1):45–50.

3] NakamuraShun-ichi,MomiyamaToshiyuki,HosakaTetsuya,HommaKoji.New

technologiesofsteel/concretecompositebridges.JournalofConstructionaSteelResearch2002;58:99–130.

4] NakamuraShun-ichi.Staticandaero-dynamicstudiesoncable-stayedbridges

usingsteelpipegirders.StructuralEngineeringInternational,JournalofIABSE2007;17(1):68–71.

5] NakamuraShun-ichi,HosakaTetsuya,NishiumiKenji.Bendingbehaviorofstee

pipegirdersfilledwithultra-lightmortar.JournalofBridgeEngineering20049(3):297–303.

6] KleinPascal,YamoutMichael.Cable-stayedarchbridge,Putrajaya,Kuala

Lumpur,Malaysia.StructuralEngineeringInternational,IABSE2003;3:196–9.

7] JapanSocietyofCivilEngineers:GuidelinesforPerformanceVerificationo

Steel–ConcreteHybridStructures,2006.