Conception et technologie de construction clé de l'acier

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6626 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Cet article présente un nouveau type de pylône composite acier-béton qui a été appliqué au pont du cinquième fleuve Yangtze de Nanjing (un pont à haubans à trois pylônes avec une travée principale de 600 m). Pour ce nouveau type de pylône, les coques en acier sont reliées au béton via des connecteurs et des goujons de cisaillement PBL, et les coques intérieures en acier sont reliées aux coques extérieures en acier par des cornières. L'analyse numérique et les tests sur modèle grandeur nature montrent que la structure du pylône présente d'excellentes propriétés mécaniques et performances de construction. L'application de la technologie BIM, la recherche et le développement d'épandeurs spéciaux et de plates-formes de construction garantissent une installation précise des structures. L'assemblage modulaire hautement fabriqué en usine de la structure de coque en acier renforcé peut réduire efficacement l'intensité et la difficulté des opérations sur site et améliorer la qualité du projet, avec de faibles risques de construction. Considérant que l'application réussie de ce pylône composite sandwich acier-béton-acier marque la formation d'un ensemble complet de technologies de construction de pylône composite sandwich acier-béton-acier, qui peut être largement utilisé dans des ponts similaires.

Les pylônes sont les composants porteurs critiques des ponts soutenus par des câbles, chargés de transmettre les charges des câbles aux fondations du pont. La stabilité des ponts dépend donc de la stabilité et de la rigidité des pylônes. La recherche et le développement d'une structure de pylône présentant des propriétés mécaniques améliorées, une préfabrication industrielle, un montage plus rapide et une qualité fiable sont primordiaux pour l'ingénierie des ponts.

Traditionnellement, les pylônes des ponts supportés par câbles sont fabriqués à partir de pylônes à structure en acier ou de pylônes à structure en béton1. Bien que les pylônes à structure en acier présentent les avantages de la préfabrication en usine et des constructions modulaires, leur application est bien moindre que celle des pylônes en béton en raison de leur coût élevé. En raison des exigences élevées de rigidité du pylône, les pylônes doivent avoir une section transversale plus grande, et donc plus d'acier est utilisé, ce qui entraîne un coût de construction environ trois fois supérieur à celui d'un pylône en béton. Le pylône en béton présente les avantages d’une rigidité élevée, d’une bonne stabilité et de coûts de construction inférieurs. Pourtant, sa méthode de construction comporte une série d'étapes complexes, à savoir l'installation du squelette rigide, la fixation des barres d'armature, l'installation et l'ajustement du coffrage et le coulage du béton. Les opérations de construction reposent principalement sur un travail manuel avec une faible standardisation et une faible préfabrication, ce qui entraîne de longues périodes de construction, une intensité d'exploitation élevée sur le chantier, des risques élevés et des cycles d'occupation des équipements prolongés.

Les pylônes composites acier-béton présentent de nombreux avantages par rapport aux pylônes en acier et en béton. La structure en acier permet de gagner beaucoup de temps grâce à la préfabrication en usine et à l'installation modulaire. En même temps, il peut également être utilisé comme gabarit pour le coulage du béton. La structure en acier contraint le béton, améliorant encore sa capacité portante. La combinaison de l'acier et du béton hérite également des avantages des grandes rigidités du pylône en béton.

Les pylônes composites acier-béton sont principalement utilisés dans les pylônes aux formes géométriques complexes. Par exemple, en raison de la géométrie complexe du pont à haubans d'Alamillo, la conception originale du pylône en béton armé a été modifiée en une structure composite afin de réduire le temps nécessaire à la construction. Par conséquent, une enveloppe métallique extérieure reliée au béton a remplacé de nombreuses barres d’acier, dont l’installation aurait pris beaucoup plus de temps2. L'action composite est obtenue par des goujons directement soudés dans les plaques d'acier principales formant l'enveloppe extérieure et les raidisseurs horizontaux des plaques principales qui ont également été pris en compte dans la transmission de la force de cisaillement entre l'acier et le béton. Hsu et coll. ont étudié le comportement observé de colonnes de boîtes sandwich constituées de tubes d'acier à double paroi mince avec du béton entre eux soumis à une flexion et à un chargement axial combinés. Les résultats montrent que les performances des éléments sandwich sont supérieures à celles de leurs éléments tubulaires remplis de béton correspondants. L'amélioration de la résistance a atteint jusqu'à 45 pour cent pour les sections sandwich avec des tubes extérieurs non compacts3. La colonne supérieure du pylône du pont Stonecutters adopte une structure composite acier-béton. La structure en acier est en acier inoxydable et seuls des goujons soudés sont utilisés pour relier l'acier et le béton6. Tao et coll. a étudié la résistance et la rigidité de poteaux tubulaires en acier remplis de béton avec des raidisseurs longitudinaux soudés intérieurs ou extérieurs sous compression axiale4. Xie et coll. a étudié une forme innovante de construction sandwich acier-béton-acier, dans laquelle les deux plaques d'acier sont reliées entre elles par une série de connecteurs à barres transversales simultanément soudés par friction aux deux extrémités5. Zeng et coll. conçu et produit cinq spécimens avec des connecteurs à plaques perforées et cinq spécimens avec des connecteurs à goujons soudés pour étudier le comportement observé d'un pylône composite acier-béton à double peau sous charge axiale et charge axiale constante combinée avec charge latérale cyclique, respectivement7. Leng WH a étudié la méthode de calcul de la capacité portante des connecteurs de cisaillement PBL du pylône courbe composite acier-béton précontraint du pont de Lichuan et les facteurs affectant le retrait et le fluage du béton dans la coque en acier8. JY Richard Liew et al. a étudié les performances d'une structure composite sandwich innovante avec des connecteurs à crochets en J, y compris des poutres composites sandwich, des plaques composites sandwich et des murs sandwich composites soumis aux charges de souffle, d'impact, de fatigue et statiques9. Wei et coll. étudié le mécanisme de transmission d'effort d'un pylône composite acier-béton avec un pylône supérieur en acier et un pylône inférieur en béton à la jonction de l'acier et du béton par un essai sur modèle réduit10. Wang et coll. a étudié les effets de différentes formes de section transversale et de connecteurs de cisaillement sur le pylône composite acier-béton, et les résultats ont montré que, par rapport à la section rectangulaire, la section rectangulaire avec chanfreins a une plus grande capacité à résister au flambage local, et les connecteurs de cisaillement peuvent augmenter considérablement la capacité portante et la ductilité du pylône composite acier-béton1.