Прорыв в технологии балок из стали и композита UHPC: синергия высокоэффективных материалов и оптимизация конструкции 

Композитные балки из стали и композита UHPC, являясь технологическим инновационным направлением в гражданском строительстве, меняют подход к выбору конструкций для мостов и большепролетных зданий, используя взаимодополняющие преимущества: прочность стали на растяжение и прочность UHPC на сжатие. Балки становятся предпочтительным решением, сочетающим в себе легкость и долговечность. Основные технологические прорывы сосредоточены на двух основных аспектах: совместимости материалов и оптимизации механизмов напряжений, что позволяет композитным конструкциям перейти от теоретических исследований к масштабному применению.

Синхронное проектирование материалов имеет основополагающее значение для повышения эксплуатационных характеристик конструкций. Регулируя содержание стального волокна в UHPC (обычно 1,5–2% по объему) и водоцементное отношение (менее 0,2), можно добиться прочности на сжатие более 150 МПа, одновременно формируя прочную межслойную связь со стальной основой. Отраслевые испытания показывают, что оптимизированная балка из композита стали и сверхвысокопрочного бетона выдерживает нагрузку на растрескивание более чем в два раза выше, чем у обычных композитных балок из стали и бетона, а ширина трещины может контролироваться в пределах 0,05 мм при нормальной эксплуатации, полностью решая проблему растрескивания традиционных композитных конструкций. Однако современные технологии по-прежнему сталкиваются с трудностями: скоординированный контроль усадочной деформации на ранней стадии набора прочности сверхвысокопрочного бетона и ограничения прочности стали требует комбинированного подхода с использованием расширяющих агентов и технологии предварительного напряжения.

Инновационные усовершенствования сдвиговых соединителей дополнительно повышают эффективность передачи усилия. Новый стальной композитный соединитель типа «шпилька-швеллер» снижает проскальзывание в интерфейсе более чем на 60% за счет увеличения площади контакта и пути сдвига, обеспечивая почти жесткое синергетическое распределение напряжений между двумя материалами. Детальное моделирование с использованием конечноэлементного программного обеспечения, такого как ABAQUS, позволяет точно рассчитать распределение напряжений в соединителе под различными нагрузками, контролируя коэффициент концентрации напряжений с точностью до 1,3. Этот технологический подход «оптимизация материалов + инновационные соединители + цифровое моделирование» обуславливает массовое применение композитных балок из стали и сверхвысокопрочного поликарбоната в таких сценариях, как мосты через реки и эстакады.