Estructuras de cuerdas de haz — El período más largo del mundo
Un cable de vigas no es un tronco. Es un sistema de autoequilibrio donde un arco de acero rígido lleva compresión mientras que los cables pretsurridos llevan tensión, unidos por tramos verticales. Este principio estructural logra extensiones que ningún tronco convencional puede alcanzar incluyendo nuestro récord mundial 229 metros.
No es un tronco: cómo una cuerda de haz logra lo que no puede ser un tronco
Un cordón convencional lleva cargas de velocidad a través de la compresión de la cuerda superior y la tensión de la cuerda inferior, con miembros de la red que transfieren el corte entre ellos. A medida que aumenta la velocidad, el cordón superior debe resistir un abrochamiento cada vez mayor, el cordón inferior debe resistir una tensión cada vez mayor y la profundidad del cordón debe crecer proporcionalmente. A 150 m +, el peso propio del cordón se convierte en una fracción significativa de la carga total la estructura está luchando contra su propia masa.
A estructura de cuerdas de haz sustituye el acorde rígido de fondo de una celosía con Cables de alta resistencia pretsurridos. Los cables se tensan durante la construcción para poner el arco rígido superior en compresión y los cables en tensión pura el estado de tensión ideal para cada material. El acero excelle en compresión (cuando se estabiliza contra el acoplamiento por el sistema de estrujo); el cable excelle en tensión (sin ningún problema de acoplamiento en absoluto).
Las trampas verticales entre el arco y el cable no son solo conectores, sino el mecanismo a través del cual el cable proporciona soporte elástico al arco, rompiendo la larga cuerda de compresión en segmentos más cortos y resistentes a la correa.
- Resiste al empuje horizontal del arco (autoequilibrio sin bloques masivos de empuje)
- Proporciona soportes elásticos intermedios para evitar el acoplamiento de los acordes de arco
- Carga la tensión que de otro modo requeriría un miembro de acorde inferior masivo
El resultado: un sistema estructural en el que el consumo de acero disminuye aproximadamente en 30% en comparación con una rejilla o celosía convencional con el mismo espacio, y donde las extensiones de 200 m+ se vuelven estructuralmente y económicamente viables no sólo teóricamente posibles.
El sistema de autoequilibrio de tres componentes
Una estructura de cuerdas de haz se compone de tres elementos estructurales, cada uno desempeñando un papel distinto.
Componente 1: El arco superior rígido
La cuerda superior es un arco de acero rígido típicamente una cuadrícula espacial (esfera enbolzada o esfera soldada) o un tronco de tubería de acero. compresión axial El arco no está diseñado para resistir la flexión está diseñado para llevar compresión a lo largo de su geometría curva.
La relación entre el aumento y la extensión del arco es típicamente de 1/5 a 1/8, optimizada para equilibrar la eficiencia estructural con el espacio interno. una subida más baja maximiza el volumen pero aumenta el empuje horizontal (a lo que el cable debe resistir).
Para nuestro proyecto de Ningxia de 229 metros, el arco superior es un red de esferas de doble capa la rejilla proporciona la profundidad y la triangulación de miembros necesarias para estabilizar el arco contra el encubrimiento entre los puntos de apoyo de la espalda.
Componente 2: El cable pretsensado
El acorde inferior es un Cables de acero pretsurrido de alta resistencia generalmente una cadena de 7 alambres o un conjunto de alambres paralelos con resistencia a la tracción de 1,670 MPa o más. Esto es 34 veces la resistencia de rendimiento del acero estructural (Q355B a 355 MPa), lo que significa que el cable puede llevar la misma fuerza de tensión que un miembro de acero en una fracción del área y peso transversales.
El cable no es un miembro de tensión pasiva. tensión activa Durante la construcción se acopla a una fuerza de prespresión calculada que precarga el arco en compresión antes de que se aplique cualquier carga de servicio. Esta prespresión es la clave del principio de autoequilibrio: crea un estado de fuerza interna en el que el empuje del arco se equilibra por la tensión del cable, y las estradas verticales transfieren las fuerzas de interacción entre ellas.
Componente 3: Las barras verticales
Entre el arco y el cable, las trenzas verticales Los dos sistemas se conectan a intervalos regulares.
- Traslado de carga: Las cargas de gravedad en el arco se transfieren a través de los estribos al cable, que se desvía hacia abajo y aumenta la tensión. El cable luego tira el arco hacia adentro en cada punto de estruto, creando un soporte elástico distribuido que rompe la larga franja de compresión en segmentos más cortos y resistentes a las hebras.
- Estabilización de los enroques: Sin los estribos, el acorde de arco tendría que resistir el acoplamiento en el espacio completo de 200 m + que requiere tamaños de miembros masivos. Con estribos que proporcionan soporte lateral intermedio a intervalos de 10 20 m, la longitud efectiva de acoplamiento del acorde de arco disminuye en un orden de magnitud, lo que permite miembros mucho más ligeros.
El principio de autoequilibrio
El término "autoequilibrio" significa que la empuja horizontal del arco se resiste por completo por la tensión del cable. reacciones verticales no el enorme empuje horizontal que generaría un arco de pie libre. Esto elimina la necesidad de bloques de empuje masivos, anclajes en el suelo o lazos de tensión a nivel de la base, lo que es una gran ventaja en cuanto a costes para las estructuras de gran luz.
En términos de mecánica estructural, la cuerda de haz es una sistema flexural compuesto pretsensadoEl arco rígido proporciona rigidez de flexión y capacidad de compresión; el cable proporciona capacidad de tensión y precompresión; los estribos proporcionan transferencia de corte y puntos de soporte elásticos. El sistema está diseñado para que, bajo carga de servicio completa, el cable permanezca en tensión (nunca se va desgastando) y el arco permanezca en compresión (nunca se va en tensión en la corona).
229 m de luz: Guodian Ningxia Fangjiazhuang Coal Shed
La estructura más larga del mundo, 4000 toneladas de acero, cero columnas interiores.
Contexto del proyecto
La central eléctrica de Guangxi Fangjiazhuang requería una instalación de almacenamiento de carbón completamente cerrada en su planta de Fangjiazhuang en Ningxia, China. El astillero de carbón tenía que abarcar 229 metros de ancho dictado por el indicador de ferrocarril de la pila y la capacidad de almacenamiento requerida para las reservas operativas de la central eléctrica. Cualquier columna interior bloquearía el movimiento de las máquinas y reduciría la capacidad de almacenamiento efectiva en un 1520%.
A 229 m, las redes de esferas con perforación convencionales habían alcanzado su límite de eficiencia estructural. El peso propio de una red pura en este espacio habría requerido miembros de acordes superiores tan grandes que la propia masa de la red dominaría el caso de carga una espiral autodestructiva de aumento de peso que requiere aumentar los tamaños de miembros que requieren un aumento de peso.
Nuestra solución
Hemos desplegado un sistema híbrido de cuerdas de hazEl cable de la red de acero se ha convertido en una red de doble capa para la cuerda superior y los miembros de la red, emparejado con cables de alta resistencia pretsurridos que reemplazan a toda la cuerda inferior. 4.000 toneladas aproximadamente un 30% menos que la que habría requerido una red convencional en el mismo período.
La estructura fue modelada en software estructural 3D con cargas de carga que incluyen:
- Carga muerta + carga viva + carga de nieve (Ningxia: 0,30 kN/m2)
- Carga del viento (presión del viento básica 0,55 kN/m2, con coeficientes de presión interna para los recinto parcialmente abiertos)
- Carga sísmica (intensidad 8, por GB 50011)
- Diferencial de temperatura (± 30 °C para estructuras cerradas de acero)
- Fuerza de prespresión del cable + carga de secuencia de construcción
Método de construcción
La cuerda de haz fue construida utilizando un método de deslizamiento/tensión acumulado:
-
1
Asamblea de la rejilla en tierra
El arco superior de la rejilla se montó a nivel del suelo en segmentos, utilizando conexiones de esfera envolcada para la precisión. -
2
Las estribas de elevación y posición
Se instalaron estribas verticales entre el arco y los puntos de anclaje del cable, posicionando el cable en la profundidad de diseño de la sag. -
3
Instalación de cables
Los cables de alta resistencia se ensadenaron a través de soquetas de anclaje de acero fundido en cada extremo del arco y se conectaron a las bases de la espalda. -
4
Tensión por presión previa
Los accesorios hidráulicos tensaban los cables en una secuencia controlada, tirando el cable tensado y precargando el arco en compresión. -
5
Verificación
La geometría construida se analizó con el modelo 3D. Las tensiones de los cables se verificaron con los valores de diseño.
220 m de luz: Shanxi Zhongdian Shentou Coal Shed de generación de energía
Un segundo cobertizo de carbón de cuerdas de vigas a 220 m de distancia clara confirman que el récord de 229 m no fue un logro único sino una capacidad de ingeniería repetible.
La unidad de generación de energía de Shanxi Zhongdian Shentou requirió un cobertizo cerrado de carbón con una extensión clara de 220 m. Aunque 9 metros más corto que el récord de Ningxia, este proyecto demostró que el sistema de cuerdas de haz es un sistema de energía de gran alcance. tecnología repetible y escalable no es una estructura experimental que alguna vez funcionó en condiciones únicas.
El proyecto Shanxi utilizó el mismo principio de la cuerda de viga cuerda superior de arco de acero rígida + cuerda inferior de cable pretsurrido + estribo vertical pero con ajuste específico del proyecto para el entorno de carga local. La intensidad sísmica y las condiciones del viento de Shanxi difieren de las de Ningxia, requiriendo diferentes valores de pretsurrido de cable, arreglos de estribo y optimización de geometría de arco.
Los dos proyectos establecen juntos a Permanent Steel como el único fabricante en China con dos cobertizos de carbón de cuerdas de vigas completados en extensiones de más de 220 mLos conocimientos de ingeniería, los procedimientos de fabricación y los métodos de construcción desarrollados en estos proyectos son ahora prácticas estándar en nuestra capacidad de fabricación de cuerdas de haz.
¿Por qué el rayo de vigas supera el trasero convencional a más de 150 m de luz?
Por debajo de los 150 m, una red convencional o una celosía suele ser la opción más económica.
| Parámetro (a 200 m de distancia) | Las redes convencionales | Cuerdas de vigas |
|---|---|---|
| Tipo de acorde inferior | Membro de acero rígido (Q355B) | Cables pretsurridos (1,670 MPa) |
| Peso del miembro de tensión | Pesado (sección grande para acero de 355 MPa) | ~25% de la pieza de acero equivalente |
| Duración de la hebilla del arco | La extensión completa (200 m) requiere un acorde superior masivo | Distancia entre las piernas (~ 15 m) acorde superior ligero |
| Pulsamiento horizontal en la base | Significativo (requiere bloques de empuje) | Auto-equilibrado (impulso mínimo de la fundación) |
| Consumo de acero (100 m de luz) | 2535 kg/m2 | 2025 kg/m2 |
| Consumo de acero (200 m de luz) | 5070 kg/m2 (ineficiente) | 3040 kg/m2 (~30% menos) |
| Complejidad de la construcción | Moderado (montaje de red estándar) | Alto (requiere experiencia en tensión de cables) |
| Topo práctico de extensión | ~ 150 m (antes de que el peso propio domine) | 250 m+ (demonstrado a 229 m) |
El punto de cruce es aproximadamente 150m- Por debajo de esta franja, la complejidad añadida de la tensión de los cables no está justificada por el ahorro de acero; por encima de los 150 m, el ahorro de acero del 30% y la eficiencia estructural del principio de autoequilibrio hacen de la cuerda de vigas la elección clara. Para extensiones que se acercan a 200 m, la cuerda de haz no solo es más eficiente puede ser el único sistema estructuralmente viable. Comparar con nuestras capacidades de red de esferas en perforación
Anclar el cable, apretar y los desafíos que resolvimos
Construir una cuerda de vigas no es sólo fabricar piezas de acero, sino que requiere una tecnología especializada para el anclaje de cables, el control de la presión y la secuenciación de la construcción que los fabricantes de redes convencionales no poseen.
Anclas de cable de acero fundido
El anclaje de cable es el componente más crítico en una estructura de cuerdas de haz. Es el punto en el que el cable de 1.670 MPa se encuentra con el arco de acero estructural de 355 MPa una concentración de fuerza que requiere un elemento de transición diseñado específicamente.
Usamos Sockets de anclaje de acero fundido (generalmente ZG 270-500 o ZG 340-550 acero fundido, o aleaciones de grado superior para anclajes de carga extrema) que están diseñados para distribuir la fuerza del cable en la estructura del arco a través de una trayectoria de carga gradualmente ampliada.
Cada ancla fundida se prueba por ultrasonido para detectar defectos internos y se carga con prueba a 1,2× de tensión de diseño antes de la instalación. Ningún ancla entra en un proyecto sin certificación de material documentada, autorización de NDT y registros de prueba de prueba.
Control de la secuencia de preregestión
El cable no puede ser tensado en un solo paso. La tensión de un cable cambia la geometría del arco, lo que cambia la distribución de la fuerza en los cables adyacentes. secuencia de tensión se calcula mediante un software de análisis estructural para garantizar que en cada paso del proceso no se sobreponga ningún miembro y que la geometría permanezca dentro de la tolerancia.
Nuestro procedimiento especifica:
- Orden de tensión (cuál cable se conecta y en qué secuencia)
- Pasos de fuerza incremental (tipo 25%, 50%, 75%, 100% de la prerecisión de diseño)
- Encuesta geométrica interpasada (verifique la forma del arco en cada incremento de carga)
- Verificación de la fuerza mediante células de carga y medición de alargamiento de la cadena
- Verificación final de los asientos de los frutos secos y de los anclajes
Grilla soldada para el cordón superior
El arco de acorde superior en nuestros sistemas de cuerdas de haz utiliza ya sea perforación o red de esferas soldadas En el caso de las instalaciones de carbón en entornos corrosivos con vibración de la máquina, la red soldada es preferida por las mismas razones documentadas en nuestro documento de trabajo. página de la cuadrícula de esfera soldada nodos monolíticos sin mantenimiento del tornillo.
Protección de cables
Los cables están protegidos contra la corrosión por alambre galvanizado + capa de HDPE llena de grasa (sistema de protección triple). los soquetes de anclaje reciben un recubrimiento epoxi adicional. En entornos calificados C4C5 (según ISO 12944), el sistema de cables se especifica con cables exteriores de acero inoxidable o protección adicional de ánodo sacrificial.
Monitoreo en tiempo real
Nuestros proyectos de filamentos incluyen: sistemas de monitoreo de tensión de cable permanente células de carga o medidores de tensión de alambre vibratorio instalados en los puntos de anclaje que transmiten datos de tensión al sistema de monitoreo de salud estructural de la instalación. Esto permite al propietario verificar que las tensiones de los cables permanecen dentro del rango de diseño durante toda la vida útil de la estructura, proporcionando una garantía a largo plazo de que el principio de autoequilibrio está funcionando tal como fue diseñado.
Especificidades técnicas de la estructura de la cuerda de haz
| Sistema estructural | Arco rígido de acero (superficial) + cable pretenso (inferior) + posturas verticales |
| Material de acorde superior | Tubos de acero, topología de la red de esfera en perforación o soldada |
| Tipo de cable | Filamento de alambre pre-estresado o conjunto de alambre paralelo de 7 cables, resistencia a la tracción de 1.670 MPa |
| Protección de cables | Cables galvanizados + cubierta de HDPE llena de grasa (protección triple) |
| Tipo de anclaje | Anclas de soquetas de acero fundido, analizadas por FEM, probadas a prueba a 1,2× carga de diseño |
| Material de la espalda | Tubos de acero Q355B, diseñados para la compresión + transferencia de corte |
| Ratio de aumento a expansión | 1/5 a 1/8 (optimizado por proyecto) |
| Distanciamiento entre las estrutas | 1020m (optimizado para el control de la hebilla de arco) |
| Las extensiones demostradas | 229 m (Ningxia, récord mundial); 220 m (Shanxi) |
| Ahorros de acero frente a la red | ~ 30% en las distancias de más de 200 m |
| Códigos de diseño | GB 50017, JGJ 7, GB 50009, GB 50011, JGJ 257 (estructuras de cable) |
Las especificaciones del sistema de estructura de cuerdas de vigas
| Parámetro | BSS estándar | Registro de BSS |
|---|---|---|
| Rango de extensión | 80 a 150 m | 150 229 m |
| Acorde superior | Arco de caja de acero | Arco de caja de acero (más profundo) |
| Acorde inferior | 13 cables, Φ5585mm | 35 cables, Φ85121mm |
| Fuerza del cable | 1.6701.770 MPa | 1.7701.860 MPa |
| Tipo de cuchillo | Tubos de acero, soldados | Tubos de acero, juntas de acero fundido |
| Fuerza de prerrepresión | 5001,500 kN por cable | 1.500 a 4.000 KN por cable |
| Grado de acero | Q355B | Q355B/Q390B |
| Uso del acero | 3050 kg/m2 | 4070 kg/m2 |
Por qué el Permanent Steel Structure es el récord mundial
El proyecto de extensión de 220 m de Shanxi confirma aún más nuestra capacidad en el extremo de la gama de extensión. Estos proyectos requieren innovaciones en anclaje de acero fundido, secuencias de pretensión de múltiples etapas, monitoreo de tensión en tiempo real y análisis estructural de la construcción que solo un fabricante con más de 50 ingenieros de I + D y más de 100 patentes podría desarrollar. Para proyectos que requieren más de 150 m de luz donde las celosías convencionales se vuelven económicamente y estructuralmente inviables, la tecnología de extensión de la viga de Permanent Steel no es una opción, es la solución.
¿Tiene un proyecto de larga duración?
Si su proyecto requiere un espacio de 150 m, ya sea para un cobertizo de carbón, hangar de aviones o recinto industrial, el sistema de cuerdas de vigas puede ser la única solución estructural y económicamente viable. Nuestro equipo de ingeniería tiene el récord mundial de 229 m. Envíenos su espacio de tiempo, carga y condiciones del sitio para una evaluación de viabilidad dentro de las 24 horas.
Correo electrónico: market@permanentsteelstructure.com