Какой класс высокопрочных болтов подходит для мостовых проектов?

Почему для мостовых проектов требуется точный подбор высокопрочных болтов

Структурные последствия недостаточной или избыточной спецификации прочности болтов

Выбор неподходящего класса прочности на растяжение для компонентов моста может серьезно повредить конструкционную целостность как сразу, так и в перспективе. Когда инженеры выбирают болты с заниженными техническими характеристиками, возрастает реальный риск усталостных трещин при нормальных эксплуатационных нагрузках от движения транспорта по мосту, что может привести к последовательному разрушению соединений. С другой стороны, применение болтов класса прочности 12.9 вместо достаточных по требованиям болтов класса 10.9 также вызывает проблемы. Избыточная жесткость провоцирует образование трещин в соседних стальных элементах со временем. Исследования показывают, что при затяжке таких завышенных по классу болтов превышение 80 % предела текучести болта — явление довольно распространенное; такая практика усугубляет проблемы коррозионного растрескивания под напряжением в три раза сильнее в прибрежных районах. Анализ фактических данных недавних проектов модернизации ферменных мостов в 2023 году выявляет еще один важный факт: даже незначительные ошибки имеют значение. Всего лишь ошибка в 0,1 мм при установке требуемого момента затяжки болтов сокращает расчетный срок службы соединений примерно на 15 %. Подобные детали действительно имеют решающее значение при строительстве сооружений, рассчитанных на десятилетия эксплуатации.

Как динамические нагрузки, циклы усталости и коэффициенты запаса прочности определяют выбор класса болтов

Мосты подвергаются циклическим напряжениям от движения транспорта, ветровых нагрузок и теплового расширения — что требует расчёта обоснованных запасов прочности на основе критериев эксплуатационных характеристик.

• Зоны, критичные с точки зрения усталости , такие как компенсаторы температурного расширения, требуют болтов класса 10.9 с ударной вязкостью по Шарпи (V-образный надрез) не менее 27 Дж при температуре –40 °C для выдерживания более двух миллионов циклов напряжений.
• Сейсмоопасные регионы выигрывают от повышенной пластичности болтов класса 8.8 (удлинение 12–15 %), обеспечивающей управляемое поглощение энергии деформации без хрупкого разрушения.
• Запасы прочности сокращаются по мере роста непредсказуемости нагрузок: для городских мостов, согласно исследованиям Федерального управления шоссейных дорог США (FHWA) по вибрационным воздействиям (2022 г.), требуются коэффициенты запаса, на 1,8× превышающие аналогичные значения для сельских пролётов.

AASHTO предписывает протоколы ускоренных испытаний на усталость, исключающие из рассмотрения болты недостаточного размера — что наглядно демонстрирует, почему технические требования, сформулированные как «приблизительно подходящие», чреваты катастрофическими отказами.

Американские стандарты: ASTM F3125 — высокопрочные болты для мостовых конструкций

F3125 Тип 1 (углеродистая/легированная сталь) по сравнению с Типом 3 (погодостойкая сталь) — коррозионная стойкость и сохранение предварительного натяга в реальных условиях эксплуатации мостов

Мостам требуются прочные болты, способные противостоять воздействию факторов, разрушающих металл, особенно в присутствии солей, используемых для обработки дорог, и постоянной влажности воздуха. Болты ASTM F3125 Типа 1 из углеродистой или легированной стали дешевле при первоначальной закупке, однако для защиты от коррозии им необходимы специальные покрытия. Проблема заключается в том, что такие покрытия со временем изнашиваются, ослабляя способность болтов сохранять заданный уровень затяжки в течение многих лет. Болты Типа 3 из погодостойкой стали образуют собственный слой ржавчины, который фактически защищает лежащий под ним металл. Согласно исследованию компании Ponemon, проведённому в прошлом году, эта естественная защита снижает скорость коррозии примерно вдвое по сравнению с обычными болтами Типа 1 без какого-либо покрытия. На практике это означает, что мосты, построенные с использованием таких болтов из погодостойкой стали, дольше сохраняют свою прочность и не требуют дорогостоящего ремонта в будущем.

*Скорость коррозии в хлоридсодержащих средах (NACE, 2023)
**Полевые данные с мостов Среднего Запада США**

При циклических нагрузках болты типа 3 сохраняют предварительное натяжение на 20–30 % выше по сравнению с другими типами болтов в условиях чередования влажных и сухих термических циклов, которые особенно важны для обеспечения стабильности соединений при вибрационной усталости. Большинство инженеров выбирают болты типа 3 для элементов мостов, подвергающихся прямому воздействию окружающей среды, например, опорных узлов и деформационных швов. Для конструкций, расположенных внутри помещений, где уровень влажности можно контролировать, обычно предпочитают болты типа 1. Все эти типы болтов соответствуют минимальным требованиям стандарта ASTM F3125 к пределу прочности при растяжении — около 150 ksi. Тем не менее, выбор конкретного материала оказывает существенное влияние как на долгосрочные эксплуатационные затраты, так и на безопасность конструкций, особенно в районах, склонных к коррозии.

Мировые эталонные показатели высокопрочных болтов: соответствие метрическим классам прочности 8.8, 10.9 и 12.9 требованиям проектирования мостов

Класс прочности 10.9 как международный «золотой стандарт»: сочетание прочности, пластичности и проверенной надёжности в эксплуатации

Высокопрочный болт класса прочности 10.9 стал своего рода «рабочей лошадкой» в мостостроении по всему миру. Эти болты обладают впечатляющими характеристиками: предел прочности при растяжении составляет 1040 МПа, а предел текучести достигает 940 МПа. Их главное преимущество — способность выдерживать нагрузки без внезапного разрушения: они удлиняются примерно на 9 % перед разрывом, что обеспечивает инженерам спокойствие при проектировании конструкций, подверженных постоянным вибрациям и изменению распределения нагрузок на автомагистралях и мостах. Большинство инженеров-конструкторов выбирают болты класса 10.9 при работе с основными несущими балками или деформационными швами, поскольку в этих зонах недопустимы какие-либо непредвиденные ситуации. Специальные коррозионностойкие версии соответствуют требованиям стандарта ISO 898-1 и сохраняют свои эксплуатационные характеристики как при установке вблизи морского воздуха с высоким содержанием соли, так и в глубине горных долин, где часто наблюдаются экстремальные погодные условия. Лучше всего о реальной надёжности этих болтов говорит статистика их применения в Европе в период с 2019 по 2023 год: из всех тысяч установленных болтов отказала лишь примерно одна единица на 5000. Именно такой безупречный послужной список объясняет, почему в технических спецификациях по-прежнему широко требуются болты класса 10.9 в тех местах, где безопасность имеет первостепенное значение.

Когда обосновано применение болтов класса прочности 12.9 — исключительные требования по срезу, ограниченное пространство или модернизация мостов с учётом сейсмостойкости

Применяйте высокопрочные болты класса прочности 12.9 только для решения специализированных задач при строительстве мостов. Их предел прочности при растяжении 1220 МПа подходит для:

• Зон, критичных по срезу , например, оголовков опор под интенсивным движением;
• Модернизация в условиях ограниченного пространства , где необходимо уменьшить диаметр болтов;
• Сейсмической модернизации , требующей максимальной несущей способности в сейсмоопасных регионах.

Обратите внимание на компромисс: относительное удлинение составляет всего 8 %, что делает болты более хрупкими по сравнению с болтами класса прочности 10.9. Используйте их только при точной калибровке момента затяжки и надёжной защите от коррозии. При проведении сейсмической модернизации мостов в Калифорнии (2021–2023 гг.) болты класса прочности 12.9 продемонстрировали превосходство над альтернативными вариантами в испытаниях на срез на 18 %, однако для предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением требовались строгие протоколы монтажа.

Выбор подходящих высокопрочных болтов: практическая методология принятия решений для инженеров-мостостроителей

Инженеры-мостостроители сталкиваются с принципиальными решениями при выборе высокопрочных болтов. Неправильный выбор может поставить под угрозу конструктивную целостность или привести к неоправданным затратам. Системный подход упрощает этот процесс за счёт оценки четырёх ключевых факторов:

Всегда проводите верификацию выбранных решений с помощью расчётов на прочность и консультируйтесь с ведущими поставщиками в нестандартных ситуациях. Такой подход гарантирует, что запасы прочности соответствуют динамическим нагрузкам и циклам усталости, исключая излишнее проектирование.