Расчетно-теоретическое обоснование конструктивных предложений по восстановлению потребительских свойств пролетных строений железобетонных мостов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат наук Лазарев Игорь Витальевич

• Лазарев Игорь Витальевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Лазарев Игорь Витальевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ С КАРКАСНОЙ АРМАТУРОЙ

1.1 Пролетные строения по выпуску 56-Дополнения

1.2 Пролетные строения по выпуску 1 типовых проектов

серии

1.3 Пролетные строения по выпуску 5 типовыхпроектовсерии3

1.4 Пролетные строения по типовому проекту серии

1.5 Замечания по разделу

1.6 Оценка ресурса грузоподъемности ребристых пролетных строений с каркасной арматурой

2 ОЦЕНКА ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОСТОВ

2.1 Прогноз изменения прочности бетона

2.1.1 Прогноз изменения прочности бетона на основе данных предшествующих и настоящих испытаний

2.1.2 Прогноз изменения прочности бетона на основе регламентируемых параметров деградационного процесса

М*

2.1.3 Адаптация функции износа бетона вида М = М^в к реальным

средовым воздействиям на сооружение

2.2 Характеристика деградационных процессов в арматуре

2.2.1 Определение сроков карбонизации бетона защитных слоев

2.2.2 Определение износа арматуры

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ МОСТОВ С УЧЕТОМ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В БЕТОНЕ И АРМАТУРЕ

3.1 Постановка задачи

3.2 Несущая способность нормальных сечений балки

3.3 Учет нелинейной модели деформирования бетона в оценке напряженно-деформированного состояния нормальных сечений железобетонных

изгибаемых элементов

3.3.1 Прямоугольное сечение

3.4 Несущая способность наклонных сечений балок

3.5 Несущая способность плиты проезжей части

3.6 Оценка достаточности продольной арматуры в обеспечении несущей способности и трещиностойкости поперечных сечений плиты проезда

3.7 Об адекватности конструктивного содержания и функционального назначения армоэлементов поперечной арматуры в обеспечении требований норм и правил в наклонных сечениях железобетонных балок пролетных строений с каркасной арматурой

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ДОПУСТИМОЙ К ПРОПУСКУ ПО ПРОЛЕТНОМУ СТРОЕНИЮ ВРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ

4.1 Определение усилий от постоянных нагрузок

4.2 Теоретическая оценка пространственной работы пролетного строения

4.3 Определение КПУ в пролетном строении как решение неразрезной балки на упруго оседающих опорах

4.4 Оценка пространственной работы пролетного строения при наложении ограничений на вертикальные перемещения опорных узлов балок

4.5 Определение усилий от временной нагрузки

4.6 Определение допустимой к пропуску по пролетному строению временной нагрузки

5 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО УСИЛЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

5.1 Известные решения. Общая характеристика

5.2 Конструктивные предложения по уширению и усилению пролетных строений

5.3 Предложения по компоновке узлов объединения элементов пролетного строения

5.4 Замечание по реализации предложенного способа модернизации пролетного строения

5.5 Усиление плиты проезда подкреплением ее продольной балкой, встроенной в продольный шов омоноличивания

5.6 Повышение несущей способности тавровых балок пролетных строений железобетонных мостов при их реконструкции путем применения бетона повышенной прочности для омоноличивания продольных швов

5.7 Усиление пролетных строений посредством внедренияв их структуру дублирующих элементов

5.8 Эксплуатация по временной схеме часторебристых пролетных строений

при производстве ремонтных работ

6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

6.1 Испытания реального железобетонного пролетного строения

6.1.1 Теоретическая оценка результатов испытаний

6.2 Исследование работы пролетных строений на моделях

6.3 Конструкции опытных образцов

6.3.1 Конструкция стендов для испытания моделей пролетных строений

6.3.2 Результаты испытаний моделей балочных ростверков

6.3.2.1 Шестибалочный ростверк

6.3.2.2 Пятибалочный ростверк

6.3.3 Особенности обработки результатов испытаний

6.3.4 Испытания балочного ростверка усиленного накладной плитой

6.3.5 Испытания балочного ростверка усиленного дублирующим элементом

6.3.6 Выводы по результатам экспериментальных исследований балочных

ростверков с элементами усиления

6.3.7 Выводы по разделу

7 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-теоретическое обоснование конструктивных предложений по восстановлению потребительских свойств пролетных строений железобетонных мостов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Утвержденная Минтрансом «Концепция улучшения состояния мостовых сооружений на федеральной сети автомобильных дорог России» (далее Концепция) [1] отмечает недопустимо короткий срок работоспособного периода часторебристых пролетных строений с каркасной арматурой длиной 12, 15, 18м, запроектированных и построенных по типовым проектам первых поколений.

Вместе с тем Концепция приводит статистические данные, которые говорят, что суммарное количество пролетов указанной длины составляет более 60%, а их общая протяженность около 200 км.

В интересующем плане следует отметить, что расчетные положения типовых проектов первых поколений были ориентированы на метод расчета по допускаемым напряжениям. И, пожалуй, именно это обстоятельство является главенствующим условием, учет которого в экспериментально-теоретических исследованиях последнего времени, базирующихся на расчете по методу предельных состояний, вскрывает сохранившиеся и довольно значительные ресурсы грузоподъемности в железобетонных пролетных строениях с каркасной арматурой.

Таким образом, определенно напрашивается вывод о том, что состояние значительной части парка железобетонных мостов определяется состоянием железобетонных пролетных строений длиной 12, 15, 18 м, а их реконструкция с целью сохранения и продления в работоспособном состоянии при обеспечении потребительских свойств отвечает основным задачам Концепции, нуждам дорожно-мостового хозяйства и задачам построения пространственной модели страны, обозначенной президентом России В. В. Путиным в его Послании Федеральному собранию.

Уместно будет отметить следующее обстоятельство. Бережное отношение к объектам мостового строительства по проектам первых поколений, также как активные меры по их сохранению и содержанию

способствуют накоплению информации по сути уникального и масштабного эксперимента в целом с ответом на вопросы:

1) Об обоснованности и состоятельности расчетных положений, использованных в проектах первых поколений;

2) Об эффективности метода расчета по предельным состояниям в сравнении с расчетом по допускаемым напряжениям, в железобетонных конструкциях;

3) Об эффективности и конкурентоспособности различных вариантов решений усиления пролетных строений и их реализации;

4) О реальных ресурсах железобетонных конструкций пролетных строений;

5) Об адекватности моделей прогноза изменения прочности бетона, реальному характеру износа бетона под влиянием эксплуатационных и временных факторов.

Решение задачи с определением остаточного ресурса грузоподъемности как решение конкретной задачи для конкретного пролетного строения с учетом его состояния требует информации о составе расчетных сечений несущих конструкций. В связи с этим представляется совершенно необходимой конструктивно-технологическая характеристика как объектов исследования пролетных строений по типовым проектам серии 3.503-14 вып. 1, 5, т. п. серии 3.503.1-73 вып. 0, 1, типовому проекту 56Д, [2, 3, 4, 5]. В рамках решения вопросов настоящего исследования, направленных на восстановление функциональных параметров и модернизацию железобетонных пролетных строений часторебристой структуры, необходима оценка потенциала указанных пролетных строений в отношении возможности их использования в мостовых сооружениях под нагрузки А14, Н14.

Затронутые в диссертации, в части установления сохранившихся ресурсов несущей способности в конструкциях эксплуатируемых мостов и их использование с максимальной эффективностью в прежних структурах пролетных строений в освоении программы их модернизации

в концептуальном плане согласуются с доводами Васильева А. И. [6], находят отражения в работах инженерной направленности с практическим выходом [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18].

В работах расчетно-теоретического характера [19, 20] раскрывающих интересующие вопросы с учетом вероятностных методов в оценке степени износа материалов железобетонных конструкций, в работах Бокарева С. А., ориентированных на использование композитных материалов для усиления железобетонных конструкций автодорожных мотов [21].

Объект и предмет исследования. С учетом обозначенных границ объектов внимания в качестве объекта исследования рассматриваются ребристые железобетонные пролетные строения с каркасной арматурой длиной 12, 15, 18 м техническое состояние которых во многом определяет состояние значительной части парка железобетонных мостов.

Предмет исследования формируют вопросы, решению которых сопутствует реализация конструктивных предложений по восстановлению потребительских свойств пролетных строений, отнесенных к объектам исследования и вопросы, раскрывающие техническую суть конструктивных предложений и определяющие их рациональные параметры.

Цель и задачи исследования. В качестве цели рассматривается оценка остаточного ресурса грузоподъемности эксплуатируемых пролетных строений и в связи с этим выработка конструктивных предложений по возрождению их потребительских свойств, функциональных параметров при максимально эффективной реализации остаточных ресурсов. В отмеченной связи для освоения обозначенной цели перед исследованием поставлен ряд задач конструктивного и теоретического плана, наиболее значимые из которых затрагивают следующие вопросы.

1. Исследование пространственной работы пролетного строения как балочного ростверка, в котором соответствующее задание изгибной

жесткости отдельным балкам в сочетании с наложением ограничений на вертикальные перемещения опорных узлов балок позволяет получить картину распределения усилий, необходимую для обеспечения требуемой грузоподъемности вновь создаваемой несущей структуры пролетного строения с заданным габаритом проезжей части, назначенным в рамках программы модернизации сооружения.

2. Повышение несущей способности ребер балок и плиты проезда с сохранением прежней структуры пролетного строения при обеспечении минимума затрат на реконструкционные работы и возможности их проведения без перерыва движения.

3. Адаптация известной функции износа бетона сооружения

Л*

М^ = М^ в с учетом данных его обследований, разнесенных во времени.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- расчетным путем получены данные по остаточному ресурсу грузоподъемности пролетных строений с каркасным армированием в пролетах длиной 12, 15, 18 м находящихся под влиянием средовых и силовых воздействий по типовым проектам первых поколений;

- разработаны конструктивные предложения представляющие совокупность мер, реализация которых позволяет с максимальной эффективностью использовать остаточные ресурсы эксплуатируемых сооружений при восстановлении их потребительских свойств;

- показана техническая эффективность реализации предложенных мер в комплексе на основе эволюционирования и органичного синтеза отдельных решений в освоении программы реновации железобетонных пролетных строений.

Достоверность результатов подтверждается сопоставлением и хорошей сходимостью экспериментальных данных, решений МКЭ и аналитических решений в замкнутой форме.

Практическая значимость заключается в установлении того, что значительная часть парка автодорожных мостов ребристой структуры с

каркасной арматурой, построенных по типовым проектам первых поколений, сохраняет значительные ресурсы грузоподъемности и они могут рассматриваться как объекты реальной реконструкции в освоении программы их реновации, требуемой решением основной задачи Концепции, отвечающей запросам дорожно-мостовой отрасли и интересам построения пространственной модели страны.

Практическую значимость несут предложения конструктивного плана, внедрение которых в прежнюю структуру пролетных строений эксплуатируемых мостов способствует восстановлению их потребительских свойств и функциональных параметров при сравнительно скромных инвестициях в реконструкцию с учетом предложений автора.

Безусловно представляет практический интерес и заслуживает внимания в плане широкого внедрения в практику реконструкции железобетонных мостов ребристой структуры комплексный подход синтезирующий такие приемы модернизации пролетных строений как внедрение предложенных автором дублирующих элементов, управление распределением временной нагрузки в балочном ростверке с использованием податливых опорных частей заданной жесткости.

Методы исследования базируются на методах строительной механики, максимально адаптированных к решению практических задач в методе конечных элементов.

Личный вклад автора состоит в подготовке и проведении экспериментальных исследований, получении теоретических результатов и сопоставлении экспериментальных данных с аналитическими и численными решениями моделей лабораторных образцов в виде моделей балочных ростверков и реального железобетонного пролетного строения ребристой структуры.

В построении и реализации конечно-элементных моделей, отражающих все наиболее характерные стороны работы пролетного строения модернизированной структуры для каждого конкретного приема усиления, в проведении аналитических расчетов по установлению класса

нагрузок, допустимых к пропуску по пролетным строениям исходной и модернизированной структур.

Апробация работы:

1. Четырнадцатая Сибирская международная конференция по железобетону, Новосибирск, 16-18 февраля 2016 г.

2. Международная научно-практическая конференция «Инновационные факторы развития транспорта. Теория и практика», Новосибирск, 18-20 октября 2017г.

3. Международная научно-практическая конференция «Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплекса». Хабаровск, 2015, 2016, 2017 гг.

На защиту выносятся полученные в диссертации:

- результаты оценки остаточного ресурса грузоподъемности ребристых пролетных строений с каркасным армированием длиной 12, 15, 18 м. Полученные результаты явились основанием для утверждения того, что указанные пролетные строения, составляющие значительную часть парка автодорожных мостов могут рассматриваться в качестве объектов реальной реконструкции с целью восстановления потребительских свойств эксплуатируемых мостов и реализации программы их реновации;

- защищенные патентом конструктивные предложения, направленные на усиление элементов ребристых пролетных строений и способствующие эффективной реализации остаточных ресурсов их несущей способности;

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 16 научных статьях, из них 6 статей в ведущих рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы. Объем основного текста составляет 290 страниц, включая 84 рисунка, 70 таблиц и 4 приложения.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ С КАРКАСНОЙ АРМАТУРОЙ

В настоящей главе представлена информация, способствующая пониманию этапа становления и развития типовых пролетных строений, приведены ссылки на нормативно-техническую литературу как основание проектных решений, приведены данные о материалах, предъявляемых к ним требованиях, технологических особенностях, конструктивно-компоновочных решениях.

Приведенные данные позволяют предметно подойти к оценке деградационных процессов в бетоне, степени износа арматуры, к нахождению значений предельных усилий, к определению остаточного ресурса грузоподъемности эксплуатируемых железобетонных пролетных строений.

Принятая к рассмотрению выборка проектных решений достаточно широко представлена в практике мостового строительства. Охватывая довольно широкий временной интервал внедрения, мостовые сооружения обозначенной выборки нередко имеют стаж эксплуатации и техническое состояние, которые позволяют рассматривать их как объекты реконструкции с реальной возможностью улучшения их транспортно-эксплуатационных показателей и функционально-потребительских свойств.

Выборку типовых проектных решений в настоящей работе представляют:

- пролетные строения по выпуску 56-Дополнения [2];

- пролетные строения по выпуску 1 типовых проектовсерии3.503-14 [3];

- пролетные строения по выпуску 5 типовых проектов серии 3.504-14 [4];

- пролетные строения по типовому проекту серии 3.503.1-73 [5];

По каждому из объектов в соответствующем пункте далее дана информация о геометрических размерах, составе расчетных сечений балок в среднем сечении пролета и на опоре.

1.1 Пролетные строения по выпуску 56-Дополнения

Представляемые конструкции пролетных строений, разработанные в соответствии с приказом зам. министра транспортного строительства от 27 января 1962г. №С-324 и технического задания Главстройпрома Минтрансстроя от 27 января 1962г. №28/04, характеризуют период становления сборно-монолитных железобетонных мостов, в которых нашли отражение этапы совершенствования монтажных элементов, с обеспечением простоты и надежности узлов их объединения, создание плиты проезда без разрывов.

В проектные решения института "Союздорпроект" по выпуску 56-Дополнение включены железобетонные сборные пролетные строения без диафрагм с каркасной сварной арматурой периодического профиля для пролетов полной длины 8,66; 11,36; 14,06; 16,76 м с расчетным пролетом 8,40; 11,10; 13,70; 16,30м при расстоянии между осями опор 8,70; 11,40; 14,10; 16,80 м соответственно.

Очертание балок для разработанных пролетных строений без диафрагм получено на основе существующей металлической опалубки диафрагменных пролетных строений за счет поворота ее боковых щитов относительно днища до горизонтального положения нижней поверхности плиты.

Пролетные строения запроектированы применительно к "Правилам и указаниям по проектированию железобетонных, металлических и каменных искусственных сооружений на автомобильных дорогах", Союздорпроект, изд. 1948г. В качестве нормативной вертикальной

нагрузки приняты Н-13 и НГ-60, Н-18 и НК-80 по "Нормам вертикальных подвижных нагрузок для расчета искусственных сооружений на автомобильных дорогах", Н-106-58.

Габариты проезжей части Г-6, Г-7 и Г-8 при ширине тротуаров 0,75 и 1,5 м назначены по "Нормам габаритов приближения конструкций для мостов на автомобильных дорогах" Н-112-53. Переход на другие габариты возможен за счет соответствующего увеличения количества балок.

Для балок пролетных строений под нагрузки Н-13 и НГ-60 принят бетон М-250, под нагрузки Н-18 и НК-80 - бетон М-300.

В соответствии с "Предложениями Союздорнии по дальнейшему применению железобетонных пролетных строений с каркасной арматурой в автодорожных мостах" для уменьшения влияния усадки на развитие трещин были рекомендованы следующие меры технологического характера:

а) подбор хорошего состава бетона, для чего удалить из заполнителей пылеватые частицы песка крупностью 0,1 мм и принять оптимальный фракционный состав заполнителей, крупность которых не должна превышать 15 мм;

-5

б) минимальный расход цемента - не более 350 кг/м ;

в) минимальное водоцементное отношение бетона - не более

0,5;

г) тщательное вибрирование бетона;

д) недопущение быстрого обезвоживания бетона балок ветром или солнечными лучами.

Для армирования пролетных строений использованы:

-в ребрах балок - сварные каркасы из арматуры периодического профиля по ГОСТ 5781-58[22] из стали Ст.5 по ГОСТ 380-57 [23];

-в стенках балок - сварные сетки, образованные хомутами и противоусадочной продольной арматурой из стержней периодического

профиля;

-в плите проезжей части - сварные сетки из арматуры периодического профиля для рабочих стержней и круглой по ГОСТ 2590 - 58 из Ст.3 для распределительных стержней.

К арматуре предъявлялось требование свариваемости.

В поперечном сечении пролетных строений балки располагаются на взаимном расстоянии 1,66 м в количестве, зависящим от габарита проезжей части и тротуаров. Поперечное сечение пролетного строения представляют промежуточные балки и крайние, отличающиеся от промежуточных уширенной плитой с внешней стороны.

В пространственную структуру балки объединяются по плите проезжей части посредством омоноличивания в продольных швах выпусков рабочей арматуры с прямыми крюками на концах; устанавливаемая в швах продольная арматура соединяется с армовыпусками посредством сварки или вязальной проволокой.

Армирование балок под нагрузки Н-13, НГ-60 отличается меньшей площадью рабочей арматуры ребра по сравнению с балками под нагрузки Н-18, НК-80. Армирование плит принято одинаковым для обоих сочетаний временных нагрузок.

Составы расчетных сечений балок пролетных строений в середине пролета для расчета по изгибающему моменту и в опорном сечении для расчета по поперечной силе представлены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 - Состав расчетного сечения в середине пролета под нагрузки Н-18, НК-80

2 ей Нормальное сечение

Н « ч о Состав арматуры Параметры сечения

С а X Нижняя в растянутой зоне Верхняя в сжатой зоне

к л « Профиль, класс стали Площадь А^ 2 см Профиль, класс стали Площадь А^, 2 см ^ , см a/s, см

8,66 6032 A-П 48,25 2032 A-II 16,08 62,1 5,5

11,36 8032 A-П 64,34 2032 A-II 16,08 70,4 5,5

Окончание таблицы 1.1

Длина пролета, м Нормальное сечение

Состав арматуры Параметры сечения

Нижняя в растянутой зоне Верхняя в сжатой зоне

Профиль, класс стали Площадь As, 2 см Профиль, класс стали Площадь As, 2 см h0 , см a/s, см

14,06 12032 A-II 96,51 2032 A-II 16,08 70,3 5,5

16,76 12032 A-II 100,53 2032 A-II 16,08 83,5 5,5

2016 A-II

Таблица 1.2 - Состав расчетного сечения на опоре под нагрузки Н-18, НК-80

Наклонное сечение

Состав арматуры

Отгибы Хомуты

Профиль, класс Угол наклона, Площадь Профиль, класс Площадь

арматуры град Asi, см арматуры Asw, см

4032 A-II 45,1 32,17 3x208 A-I 3,02

4032 A-II 45,2 32,17 3x208 A-I 3,02

4032 A-II 45,0 32,17 3x208 A-I 3,02

4032 A-II 45.2 32,17 4x208 A-I 4,02

1.2 Пролетные строения по выпуску 1 типовых проектов

серии 3.503-14

В состав настоящего выпуска типового проекта автодорожных мостов вошли рабочие чертежи пролетных строений без диафрагм из цельноперевозимых балок длиной 12, 15 и 18м, армированных каркасной арматурой класса А-П, выполненные в соответствии с планом типового проектирования Госстроя на 1968 г. и по протоколу технического совещания при Главном инженере управления капитального строительства Минавтошосдора РСФСР от 19 апреля 1968г. №94, утвержденному заместителем министра автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР 2 июля 1968 г.

Конструкция пролетных строений была предназначена для строительства и эксплуатации в местности с расчетной температурной минус 40°С и выше.

При назначении генеральных размеров мостов приняты в проекте: полная длина пролетного строения - 12; 15; 18 м, расчетный пролет -11,4; 14,4; 17,4 м и соответствующее расстояние между осями опор -12,05; 15,05; 18,05м.

Пролетные строения запроектированы в соответствии с техническими условиями СН 200-62 [24] и указаниями по проектированию СН 365-67[25].

Временная расчетная нагрузка принята Н-30 и НК-80, толпа на

Л

тротуарах 400 кгс/м в сочетании с нагрузкой Н-30.

Габариты проезжей части мостов и путепроводов предусмотрены Г-7, Г-8, Г-9 и Г-10,5 при ширине тротуаров 1,0 и 1,5 м.

Для изготовления балок пролетных строений был установлен гидротехнический бетон по ГОСТ 4795-68 [26] марки 300, Мрз 300. Условия приготовления бетона были предусмотрены по группе А в соответствии с СН 365-67. Для районов строительства с климатическими условиями, соответствующими среднемесячной температуре наиболее холодного месяца минус 15 °С и выше, марка бетона по морозостойкости предусматривалась не ниже Мрз 200.

При подборе состава бетона и укладке бетонной смеси было обращено особое внимание на получение высокой плотности бетона в зоне расположения каркаса нижнего пояса.

Бетон должен был изготавливаться на цементе с небольшой осадкой,

расходом не более 450 кг/м3, удовлетворяющим требованиям ГОСТ

* _

10178-62 [27] и п.5.54 СНиП П-Д.2-62 [28].

В качестве крупного заполнителя был рекомендован промытый щебень из прочных и морозостойких изверженных и осадочных горных

пород не ниже марки 1000, состоящий из фракций 5-10 мм и 10-20 мм, дозируемых в бетонную смесь раздельно. Содержание глинистых, илистых и пылевидных частиц в щебне но должно было превышать 1% по весу.

Для мелкого заполнителя следовало применять промытый крупнозернистый и среднезернистый песок с содержанием пылевидных и глинистых (илистых) частиц не более 3% по весу.

Подбор состава бетона был подчинен требованию повышения жесткости бетонной смеси, а в качестве ограничения принималась во внимание только возможность обеспечения высококачественной укладки плотного бетона в конструкции.

С учетом принятых способов укладки и уплотнения бетонной смеси для балок, как правило, принимался бетон с осадкой конуса не более 4.

При подборе состава бетона следовало ограничивать водоцементное отношение величиной порядка 0,4. Выдержку свежесформованной балки на посту с раскрывающейся опалубкой следовало производить без применения искусственного обогрева (паровые рубашки и др.) Пропаривание балок нужно было выполнять по мягкому режиму, при максимальной температуре 60- 70 °С, скорости подъема температуры и остывания 3-6 градусов в час.

Для арматуры несущих каркасов, рабочей арматуры плиты и продольной противоусадочной арматуры использованы стержни периодического профиля из углеродистой горячекатаной стали класса А-II по ГОСТ 5781-61 [29] марки Ст. 5 сп мартеновской выплавки по ГОСТ 380-60* [30].

При диаметрах до 28 мм разрешалось применение стали марки Ст. 5сп конверторной выплавки по ГОСТ 380-60*.

Для прочей арматуры использовались круглые стержни из углеродистой горячекатаной стали класса A-I по ГОСТ 5781-61 марок

ВМСт. 3 сп, ВК Ст. 3 сп по ГОСТ 380-60*.

Составы расчетных сечений балок пролетных строений в середине пролета для расчета по изгибающему моменту и в опорном сечении для расчета по поперечной силе представлены в таблицах 1.3 и 1.4.

Таблица 1.3 - Состав расчетного сечения в середине пролета балок по вып. 1 т.п. серии 3.503-14

Длина пролета, м Нормальное сечение

Состав арматуры Параметры сечения

Нижняя в растянутой зоне Верхняя в сжатой зоне

Профиль, класс стали Площадь Ая, 2 см Профиль, класс стали Площадь Ая, см см а/я, см

12,00 8032 A-II 2 014 A-II 67,42 2 0 32 А-11 16,08 80,3 4,7

15,00 10 032 A-II 2 0 14 A-II 83,50 2 0 32 А-11 16,08 80,0 4,7

18,00 14 032 A-II 2 0 14 A-II 115,67 2 0 32 А-11 16,08 91,9 4,7

Таблица 1.4 - Состав расчетного сечения на опоре балок по вып. 1 т.п. серии 3.503-14

Наклонное сечение

Длина Состав арматуры

пролета, Отгибы Хомуты

м Профиль, класс арматуры Угол наклона, град 2 Площадь Аа, см Профиль, класс арматуры Площадь Asw, 2 см

12,00 2032А-П 30 16,08 4х208А-1 4,02

15,00 2032А-П 30 16,08 4х208А-1 4,02

18,00 2032А-П 30 16,08 5х208А-1 5,03

1.3 Пролетные строения по выпуску 5 типовых проектов серии

3.503-14

Пролетные строения по представляемому проекту разработаны по плану типового проектирования на 1974г., утвержденному постановлением Госстроя СССР от 21 ноября 1973 г., в соответствии с заданием Министерства строительства и эксплуатации автомобильных дорог РСФСР от 4.04.74г.

В настоящем проекте, при сохранении опалубочных размеров по выпуску 1, предусмотрено применение конструкций как в нормальных климатических условиях, так и в Северной строительно-климатической зоне. Пролетные строения применимы для района строительства с сейсмичностью до 6 баллов.

Армирование балок разработано в вариантах с использованием стали классов A-III и A-II в сварных и вязаных каркасах.

Пролетные строения запроектированы с соблюдением требований следующих нормативных документов:

1. Строительных норм и правил СНиП II-Д. 5-72 [31] и СНиП-Д. 7-62* [32] с учетом изменений по постановлению Госстроя СССР от 20/VII -1971г., №112.

2. Технических условий СН 200-62 [24].

3. Указаний по проектированию СН365-67[25].

4. Указаний по проектированию и строительству железобетонных конструкций автодорожных и городских мостов и труб, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур (северное исполнение)ВСН 155-69 [33].

5. Рекомендаций по применению углеродистой стержневой полуспокойной стали классов A-I и A-II в железобетонных конструкциях автодорожных и городских мостов ЦНИИС Минтрансстроя 1973г.

Для изготовления балок и омоноличивания пролетных строений принят бетон марки 300 при условии приготовления по группе А, в соответствии с СН 365-67, п. 1.13, Примечание 1.

Проектная марка бетона по морозостойкости принята не ниже

- при ^ минус 15 °С и выше - Мрз 200

- при ^ ниже минус 15 °С - Мрз 300, где ^ - среднемесячная температура воздуха наиболее холодного месяца в районе строительства.

При укладке бетонной смеси обращалось особое внимание на получение высокой плотности бетона, особенно в зоне расположения арматуры. Осадку конуса бетонной смеси следовало, как правило, принимать не более 8 см, а водоцементное отношение - ограничивать

-5

величиной порядка 0,45 при расходе цемента не более 450 кг/м .

Цемент и заполнители для бетона должны были удовлетворять блоку требований, представленных в таблице 1.5.

Для армирования балок пролетных строений в качестве основой принята арматура класса А-111. Арматура класса А-11 в соответствии с указаниями настоящего выпуска проекта применялась в исключительных случаях при отсутствии арматуры класса АШ. Условия применения арматурных сталей в балках пролетных строений определялись требованиями в соответствии с таблицей 1.6.

Конструктивно-компоновочные решения по рассматриваемому проекту представляют следующие данные.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лазарев Игорь Витальевич, 2019 год

// гз

Я' I

Г тз \

/ =--2--0,5Я /а = я ,

48Е п I пр 2 2 2

I

V 48Е п I Пр

— 0,5а1

(4.71)

После подстановки 1 по (4.65), 1 по (4.66), 1 по (4.71), условия (4.69), (4.70) совместно с условием равновесия

2(0,5Р1 ) = 2Я/1 (4.72)

формируют систему, решением которой являются неизвестные реакции балок при кососимметричной схеме нагружения, а сумма реакций балок по симметричной и кососимметричной схемам отнесенная к величине нагрузки Р дает значение КПУ [80].

кпу\ =(Я + Я/)/ Р (4.73)

4.5 Определение усилий от временной нагрузки

В связи с неоднозначностью соотношения предельных и расчетных усилий в крайних и промежуточных балках пролетного строения по причине разной степени их износа, при решении задачи настоящего раздела для более всесторонней оценки грузоподъемности пролетного строения признана необходимой характеристика его пространственной работы при всех схемах загружения временной нагрузкой, предусмотренных действующими нормативными документами.

В соответствии с СП 35.13330.2011 [40] нагружение пролетного строения временной нагрузкой предусматривается по следующим вариантам:

- вариант 1 предусматривает движение транспортных средств и пешеходов без каких-либо ограничений при условии:

• что число полос нагрузки, размещаемой на пролетном строении, не должно превышать установленного числа полос движения;

• полосы нагрузки размещаются в пределах проезжей части (не включающей полосы безопасности) вдоль направления движения на расстоянии не менее 1,5 м от края проезжей части до оси полосы нагрузки, при этом расстояние между осями смежных полос должно быть не менее 3,0 м;

• при наличии на мосту разделительной полосы без ограждений шириной не менее 3 м следует учитывать использование ее для движения;

- вариант 2 предусматривает нагружение в виде двух полос, размещаемых в наиболее опасном положении по всей ширине ездового полотна при расположении полос нагрузки не ближе 1,5 м от ограждения;

- вариант 3 предусматривает нагружение пролетного строения нагрузкой по схеме НК, располагаемой в пределах проезжей части без заезда на полосы безопасности при отсутствии на мосту других временных

нагрузок. Варианты расположения временной нагрузки показаны на рисунке 4.8.

а. Вариант 1 схемы нагружения пролетного строения транспортными средствами и пешеходами

Т Г Т

П 1,5

3,0

" А1

^ | А2 \

П - п олоса безопасности

1 1 2 1 3 1 1 1 1 1

б. Вариант 2 схемы нагружения пролетного строения транспортными средствами

Г

1,5

3,0

П*

| А1 | | А2 |

Л!

в. Вариант 3 схемы нагружения пролетного строения одиночной нагрузкой НК

Г

П

П1

2,7

£1

т

1

2

3

1

2

3

Рисунок 4.8 - Варианты расположения временной нагрузки на пролетном строении

Вместе с тем, измененная редакция СП 35.13330.2011 от 3 декабря 2016 года внесла коррективы в п. 6.12, уточнив положения по вариантам загружения пролетного строения:

«По ширине моста можно располагать любое число полос нагрузки АК при условии, что расстояние от оси крайней полосы до ограждения должно составлять не менее 1,5 м, а расстояние между осями смежных полос - не менее 3 м. Если нагрузка от пешеходов на тротуары создает неблагоприятное воздействие, ее следует учитывать совместно с нагрузкой АК».

Данные положения измененной редакции п. 6.12 от части впитывают в себя основные позиции предыдущей версии пункта указывая на то, что определяющим вариантом в загружении пролетного строения всегда был второй вариант установки нагрузки АК с максимальным смещением полос к барьерному ограждению.

Оценка пространственной работы пролетного строения является одним из наиболее значимых этапов в определении усилий и может быть проведена на основе решений с конечными результатами в виде коэффициентов поперечной установки. Подобное представление пространственной работы является оперативным для анализа влияния жесткостных параметров элементов пролетного строения на характер распределения временной нагрузки. Кроме того, информация о работе пролетного строения в форме системы коэффициентов поперечной установки является удобной для конкретных расчетов, при выполнении которых к действию колонн подвижной нагрузки вводятся различные по значению коэффициенты надежности, сочетаний и динамические коэффициенты, отличные при оценке воздействия на балку пролетного строения и плиту проезда.

По-прежнему эффективным и широко используемым остается метод упруго оседающих опор. Реализация оценки пространственной работы пролетного строения представлена коэффициентами поперечной установки в форме таблице 4.8.

Таблица 4.8 - Значение коэффициентов поперечной установки

Варианты нагружения Нагрузка Номер балки

1 2 1

Вариант 1 АК А1 К1А1 К2А1 КiА1

А2 К1А2 К2А2 КiА2

Пешеходы Кц К2Т Кг

Вариант 2 АК А1 К1А1 К2А1 КiА1

А2 К1А2 К2А2 КiА2

Вариант 3 НК К1нк К2НК Кiнк

При определении расчетных значений усилий от временных нагрузок учитываются:

- коэффициенты надежности для распределенной составляющей у^ и давления на ось у/р автомобильной нагрузки АК, для пешеходной нагрузки ур, для одиночной нагрузки ущК по схеме НК;

- динамические коэффициенты (1+р);

- коэффициенты сочетаний 81.

Коэффициенты у, (1+/л) определяются по пп. 2.22, 2.23 СНиП 2.05.0384* (при сохранении действия этих норм) или по пп. 6.22, 6.23 СП 35.13330.2011, коэффициенты сочетаний принимается по п.2.14 СНиП или по п. 6.1 4 свода правил СП.

Нормативную нагрузку от пешеходов на тротуары принимают по п. 2.21 СНиП 2.05.03-84* или по п. 6.21 СП 35.13330.2011.

На примере рассмотрения нагружения пролетного строения автомобильной нагрузкой АК по первому случаю (рисунок 4.8, а) выражение для изгибающего момента в /-й балке будет иметь вид

М1вр = ^Ы (К1А\ + )У/и(1 + +

(4.74)

+Р(£Ум ) (КЛ1 + 81К1Л2 )гР (1 + м) + ЧТК1Т^МУТ■

С учетом того, что распределенная составляющая нагрузки АК численно равна v=0,1P и в связи с этим проведенным преобразованием в выражении (4.74), получено

MAKI = MlAKlP + MlT, (4.75)

где MiAki = 0,1®m ( KiA\ + slKiA2 kfvi1 + м) + ( KiA1 + s1KiA2 )Уfp i1 + M)! Ум! (4.76)

Mit = ЧтКт&мУр. (4.77)

С учетом подобных преобразований получены выражения: для изгибающих моментов от нагрузки АК по второму случаю и нагрузки НК

MiAK2 = MiAK2P, (4.78)

MlHK = М1ИКЯэкв, (4.79)

где: Miak 2 - выражение аналогично (4.76) с подстановкой

коэффициентов поперечной установки Kai, Ka2 по второму случаю нагрузки АК (таблица 4.3);

MiHK = ®мкшкУ/ (l + м), (4.80)

для поперечных сил от нагрузки АК по 1-му, 2-му случаю и нагрузки НК

QiAKi QiAKiP + QiT, (4.81)

QrAK 2 = QiAKiP, (482)

QiHK = Qi.НКЯэкв , (4.83)

гдеQiAKl = 0,l®Q (KlAl + slKlA2)yfv (l + м) + (KlAl + slKiA2)УjP (l + м)!Уа ;(4.84) QiAK 2 - выражение аналогично (4.84) с подстановкой коэффициентов поперечной установки KiA1, KiA2 по второму случаю нагрузки АК (таблица4.3);

QiHK = ®QKiHKyf (l+м) ; (4.85)

QlT = ЧтК1Т™МУТ . (4.86)

Таким образом, проведенные преобразования позволили получить для

оценки изгибающих моментов выражения (4.75), (4.78), (4.79) и для оценки поперечных сил выражения (4.81), (4.82), (4.83), в каждом из которых единственным неизвестным остается величина давления на ось Р двухосной тележки автомобильной нагрузки по схеме АК или эквивалентной нагрузки дэкв.

4.6 Определение допустимой к пропуску по пролетному строению

временной нагрузки

Весовые параметры временной нагрузки Р и дэкв определяются из условия, что их величина при расположении транспортных средств по схемам в соответствии с нормативными документами не нарушает условий прочности ни нормальных, ни наклонных сечений в любой из балок при реальной постоянной нагрузке с учетом регламентируемой вероятности ее превышения и безопасном пропуске пешеходов в виде вертикальной нагрузки.

Таким образом, для решения задачи исходными данными являются:

- результаты определения величины предельных усилий: изгибающего момента Мпред по одному из выражений (3.1), (3.3), (3.5), (3.6) и поперечной силы ^пред по (3.9) с учетом ограничений по (3.10), (3.11);

- усилия от постоянных нагрузок МП, QП (4.2), (4.3);

- усилия от пешеходной нагрузки М/т, Qiт по (4.7), (4.8);

- усилия от временных нагрузок по (4.75), (4.78), (4.79), (4.81), (4.82), (4.83) в виде функции в зависимости от давления на ось Р или эквивалентной нагрузки дэкв.

Порядок определения их величины представлен в форме таблицы4.9.

Представленная форма таблицы 4.9 отражает:

- усилия М/пред, Qinред в зависимости от состояния бетона и арматуры 1 -й, 2-й, ..., /-й балки;

- графу усилий от постоянных усилий, которые могут быть найдены с учетом (4.1) и внесены в таблицу 4.9 в виде М/П, QiП;

- усилия от пешеходной нагрузки М/Т, Qiт и временной подвижной нагрузки М/АК, QiАкMiнк, Qiнк, характеризуя работу пролетного строения как пространственной структуры, дают целостную картину о нагруженности 1-й, 2-й, ..., /-й балки;

- возможность на основе выше обозначенных позиций оценить остаточный ресурс грузоподъемности несущих конструкций и определить допустимые весовые параметры транспортных единиц.

После определения весовых параметров Р и дэкв из расчета нормальных и наклонных сечений в каждой из балок ряда 1, 2, ..., / на основе их минимальных значений в последней графе устанавливается класс нагрузки по схеме АК и вес одиночной нагрузки по схеме НК.

Таблица 4.9 - Порядок определения давления на ось тележки нагрузки АК и эквивалентной нагрузки по схеме НК

Схема Номер Предельные Усилия от Усилия от Усилия от Определение весовых параметров Класс нагрузки

нагрузки балки усилия пост. нагрузок пешеходов нагрузки АК и НК Р5 Цэкв АК, вес НК

Мшред МП Мц Мврем

Ошред Он Он Оврем

1 М1пред МП М1Т М:АК1Р Pim = (М1пред - Мп - М1Т)/М1АК1 к ^ к ^ 8 к ТТ х £ Л о Е ^ °

АК, О1пред Он О1Т О1АК1Р PlQ = (^1пред - Qn - Q1T)/Q1AK1

1-й

случай i Мшред МП М1Т М1АК1Р PiM =(М,пред - Мп - MiT )/ MiAK1 й ей д 33 О ^ со о к о 3 « го л з О * £ Я о Р

Ошред ОП О1Т ОАК^ PiQ = (Qiпред - Qn - QiT У QiAK1

1 М1пред МП — М1АК2Р PlM =(М1пред - Мп У М1АК2 § £ Е а ю о аз о зз к £ Й 2 £ § о ^ о ю 2 ►3 о т £ й

АК, О1пред ОП - О1АК2Р P1Q _ (Q1 пред - Qn VQ1АК2

2-й

случай i Мшред МП — М1АК2Р PiM ЦМ^д - Мп У MiAK2

Ошред ОП - О1АК2Р PiQ _ (Qiпред - Qn V QiAK2

М1ЫкЧ экв / \ /-

1 М1пред МП - ЧъквМ =(М1пред - МП У М1НК Выбор минимального

АК, О1пред ОП - О1НКЧЗКБ q13HeQ _ (Q1пред - Qn У Q1HK значения дэкв и Определение веса НК- Чэкв 80 ^НК-80

1-й

случай i Мшред МП - МШкЧзкв qiзквM = Цпред - МП VMiHK

Ошред Оп - О1НКЧЗКВ qi3KeQ _ (Qiпред - Qn )/ QiHK

П Примечание. В графе весовых параметров величины Рм,дгэквм получены из расчета нормального сечения, величины Ргд,дгэквд - из расчета наклонного сечения 1-й балки.

5 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО УСИЛЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ 5.1 Известные решения. Общая характеристика

Обозначенные вопросы объединены в настоящем разделе в решение единой задачи в соответствии с логикой и с учетом неразрывной связи при их реализации.

Конечно, приемы усиления могут быть рассмотрены отдельно, но в любом случае во взаимосвязи и взаимодействии не только непосредственно с объектом усиления(балка или плита проезда), но и с учетом взаимодействия отдельного объекта усиления с другими подобными объектами в пролетном строении как пространственной структуре.

Не разделяя способы усиления от степени их влияния на отдельные элементы или пролетные строения в целом отметим следующее.

Альбом технических решений, разработанных НПО "РОСДОРНИИ" [81], предлагает варианты усиления ребристых пролетных строений по типовым проектам института "Союздорпроект" выпуска т.п. 56 и 56-Дополнение. Материалы альбома включают варианты усиления балок наклейкой к нижней части ребра стальных профилей с гибкими и жесткими наклонными тягами, варианты усиления балок посредством приварки к рабочей арматуре стальных профилей с гибкими и жесткими наклонными тягами. В схемах усиления использован принцип внешнего армирования с применением стальных профилей как наиболее эффективный для конструкций с каркасной арматурой и доступный для эксплуатационных организаций.

Упоминая о таких способах усиления как внешнее армирование нужно отметить, что ощутимый эффект от их внедрения в традиционной форме можно ожидать лишь тогда когда усилия в элементах усиления

будут формировать ресурс растяжимости бетона нижней зоны балки. Логически обоснованным выходом из этой ситуации может быть увеличение площади и модуля упругости материала элемента усиления, однако думается, что у этой задачи решение не будет результатом одноходовой процедуры, а вероятнее всего потребует итерационного процесса.

В рамках оптимизации каждого из приемлемых вариантов компоновки комбинированного поперечного сечения. Отмеченная ситуация является характерной для случаев когда элементам усиления отводится пассивная роль или та степень участия какая следует из решения внутренне статически неопределимой задачи.

В данном случае из условия совместности деформаций элементов комбинированного сечения с учетом значений модулей упругости их материалов.

Придать активную роль элементам усиления с заданным уровнем влияния их усилий на напряженное состояние объекта усиления можно, передав усилие предварительного напряжения элемента усиления с формированием начальных напряжений сжатия в нижней зоне балки при усилиях растяжения в элементе усиления.

Высказанные предложения нашли отражение в разных вариантах конструктивно - технологических решений представленных в разработках [82], [83], [84]. При этом авторы [84] указывают на такие способы, как установка дополнительной арматуры путем приклеивания ее к нижнему поясу балки при этом отмечают, что рекомендуемые способы не дают возможности использовать нормативные сопротивления арматуры усиления, так как она работает только на временную нагрузку и не снижает напряжения в балке от собственного веса.

Задача по увеличению пространственной жесткости пролетного строения в поперечном направлении в альбоме [81] решается посредством

крепления к ребрам продольных балок пролетного строения поперечных балок усиления из прокатного металла.

Кафедра "Мосты, основания и фундаменты" принимала участие в предсдаточном обследовании ряда объектов в Сахалинской области и Хабаровском крае, где были реализованы в программе реконструкции разработки НПО "РОСДОРНИИ".

Уместно отметить, что даже при качественном исполнении узлов сопряжений участие в работе элементов усиления можно ожидать с начала действия постоянных и временных нагрузок лишь после постановки элементов усиления. При резьбовых соединениях их узлов создание усилий предварительного напряжения маловероятно (а скорее невозможно), при этом очевидно будет снижение эффекта усиления при податливости тяг в местах их закрепления в ребрах балок приопорных зон.

С учетом сказанного, варианту усиления с наклейкой стального профиля к нижней части балки с накоплением стажа эксплуатации, вероятнее всего, будет соответствовать модель балки с затяжкой, во взаимодействии которых имеет место податливость.

Можно определенно полагать, что более эффективным из разработанных НПО "РОСДОРНИИ" является вариант с приваркой стального профиля к продольной рабочей арматуре, прежде всего, за счет большей гарантии сохранения их совместной работы в процессе эксплуатации.

В отношении ранее упомянутых решений по увеличению пространственной жесткости пролетного строения нам представляются недостаточно эффективными предложения НПО "РОСДОРНИИ" с учетом того, что изгибная жесткость собственно поперечных элементов балок из комплекта усиления несоизмеримо меньше изгибной жесткости диафрагм в пролетных строениях по т.п. 56 и изгибной жесткости плиты в пролетных строениях т.п. 56 - Дополнение.

В публикации [82] предложено техническое решение увеличения несущей способности балки пролетного строения за счет создания усилий, противоположных по знаку эксплуатационным. Эффект технического решения достигается электромеханическим способом натяжения внешней арматуры, что при использовании ее повышенной прочности создается ресурс в напряжениях рабочей арматуры.

В отчете [85], вопрос с обеспечением несущей способности решен с использованием предварительно напряженной затяжки (см. приложение А), усилия в которой, найдено из условия, что силы преднапряжения позволят минимизировать до нуля напряжения в нижней продольной рабочей арматуре ненапряженных балок с каркасной арматурой при действии постоянных нагрузок от собственного веса балок, бетона омоноличивания продольных швов и веса накладной плиты. И таким образом будут сформированы условия эффективного участия элемента усиления и продольной рабочей арматуры в восприятии постоянных и временных нагрузок, при повышении гарантии сохранения целостности структуры бетона в соответствии с требованиями 2-й группы предельных состояний.

Для указанных целей в работе [85] используется предварительно напряженная арматура которая установлена на уровне центра тяжести нижней рабочей арматуры балок с каркасной арматурой.

Слагаемые технологического процесса разработки [85], реализация которых ориентирована на получение ожидаемого эффекта в повышении несущей способности балок пролетного строения и соответствущая им характеристика работы элементов пролетного строения представлены далее последовательностью работ:

- удаление прежней одежды мостового полотна и ограждающих конструкций;

- разборка продольных швов омоноличивания;

- постановкой затяжки в нижней зоне балки и внецентренное обжатие ее усилием, обеспечивающим нулевые напряжения в продольной рабочей арматуре на этапе формирования новой структуры пролетного строения от действия собственного веса балок, бетона швов омоноличивания и накладной плиты.

Реализация последнего технологического этапа при обеспечении совместной работы накладной плиты с прежней структурой балки через продольные швы омоноличивания формирует структуру, в которой после демонтажа затяжки арматура и бетон накладной плиты практически одновременно вступают в работу при действии всей совокупности постоянных и временных нагрузок.

Обозначенные обстоятельства позволяют для вновь созданной структуры принять справедливыми положения расчета по предельным состояниям с традиционным составом сечения, в котором растягивающие усилия воспринимает арматура в нижней зоне балки с площадью, соответствующей решениям пролетных строений по рассматриваемому объекту, а сжимающие усилия воспринимает бетон накладной плиты. Увеличение внутренней пары сил в созданном сечении приводит к увеличению несущей способности.

В качестве материала накладной плиты предлагается использовать сталефибробетон, потенциально обладающий большей гарантией сохранения прочности, морозостойкости и водонепроницаемости. Принятая средняя толщина накладной плиты 130 мм аргументирована необходимостью совмещения бетоном накладной плиты гидроизолирующего и несущего слоя и необходимостью армирования накладной плиты поперечно ориентированной арматурой для повышения несущей способности трещиностойкости накладной плиты проезда.

В обосновании параметров регулирования усилий применительно к данному объекту следует сказать, что основной целью регулирования

является создание в нижней зоне балки усилий, при действии которых в совокупности с нагрузками от продольных швов омоноличивания и накладной плиты при их устройстве напряжения в продольной рабочей арматуре балки z ,будут равны нулю.

Расчеты по определению напряжений as проведены с использованием геометрических характеристик приведенных сечений балок в предположении справедливости гипотез сопротивления материалов для структур с ненарушенной целостностью.

В данном случае принят во внимание восстанавливающий эффект усилий регулирования в отношении структуры балок, в нижней зоне которых, как конструкций с каркасной арматурой без предварительного напряжения от эксплуатационных нагрузок, вероятно появление трещин, вполне согласующееся с расчетными положениями в подобных случаях, когда напряженное состояние оценивается от действия нормативных нагрузок.

Таким образом, при определении усилий регулирования в качестве исходной информации приняты:

- нормативные величины нагрузки от собственного веса балок qce6, бетона швов омоноличивания q6o и накладной плиты qmn, которым соответствуют изгибающие моменты ынсе6, ын5о, ыннпл;

- приведенные значения геометрических характеристик собственного сечения балки Ared, Ired (до объединения ее с бетоном продольных швов омоноличивания и накладной плиты) с приведением площади сечения арматуры через отношение модулей упругости арматуры и бетона Es/Eb;

- ординаты центра тяжести рабочей арматуры ys и приложения усилий регулирования yp, отсчитываемые от нейтральной оси приведенного сечения.

С учетом принятой концепции в отношении усилий регулирования и обозначенных позиций приведенного сечения и внешних усилий для напряжений в продольной рабочей арматуре as справедливо выражение

М\ + М" + Мн ) E NpEs NpypysE

_ V свб бо нпл / S р s pS pS s S _ Q

s т F A F T F V5-1/

1 red Eb AredEb 1redEb

Из выражения (5.1) следует усилие регулирования Np в виде

Np =(((МСвб + М1 + МНпл )ys )/Ired )/

А 1 У^ A 1

V red red У

(5.2)

Найденное по (5.2) значение усилия Np не должно нарушать условия трещиностойкости по образованию трещин в соответствии с п. 7.100* [40]. В рассматриваемом случае эта проверка является актуальной для опорного сечения, где изгибающие моменты м^6, м нбо, м ншл практически равны нулю и в связи с этим имеет место максимум сжимающих напряжений в нижних фибрах балки аЬн и растягивающих напряжений в верхних фибрах балки Zbe.

Для опорного сечения с геометрическими характеристиками Ared, оп, Ired, оп, ординатами относительно нейтральной оси нижних, верхних фибр балки и уровнем равнодействующей усилия ^соответственно уЬн,оп, уЬв, оп, ур,оп, требование трещиностойкости по образованию трещин обеспечивается при выполнении условия

N N y yh

р pS p,mSЬн,оп D .

°Ьн -+ ---^ Kb,mc2- (5.3)

red ,оп red ,оп

Для рассматриваемого случая временного создания усилий регулирования на этапе трансформации сечения балки (устройства продольных швов омоноличивания и накладной плиты) признано целесообразным сохранение целостности верхней зоны балки и соблюдения условия п. 3.98* [36], для верхних фибр опорного сечения имеющего вид:

N N у уь ^ = + рУ-опУъ^ < . (5.4)

red,оп red,оп

Если условие (5.3) является определенно обозначенным требованием трещиностойкости [36] по образованию трещин, то условие (5.4) является предложением, с одной стороны, принципиально не противоречащим блоку требований по трещиностойкости нормальных сечений, а с другой стороны направлено на повышение гарантии обеспечения целостности сечения балки.

В соответствии с ранее обозначенными принципиальными позициями увеличение несущей способности пролетного строения обеспечивается регулированием усилий, направленных на снижение напряжений в продольной рабочей арматуре балок в соответствии с условиями (5.1) - (5.4).

Усилия регулирования создаются на стадии работы балки под действием сил собственного веса и приложены в уровне низа ребра балки. Для создания усилий регулирования используется съемное устройство, включающее стержни затяжки с обеих сторон балки и опорное устройство, служащее для закрепления затяжек и передачи усилия регулирования на торец балки. На рисунке 5.1 представлена компоновка съемного устройства.

Общее усилие натяжения в стержнях затяжки на стадии их натяжения составляет А1 Ыр = 36,55 тс при усилии в каждом из стержней А1 Ыр - 9,14 тс. Оставшаяся часть усилия Л2 Мр - 2,15 тс, необходимая для создания требуемого усилия Ыр = 38,7 тс по п. 2.1, формируется за счет эффекта самонатяжения затяжки при загружении балки бетоном продольных швов омоноличивания и накладной плиты.

Вытяжка стержней при создании начальных усилий натяжения составляет А! - 6,3 мм.

Контроль натяжения возможен по указанной величине вытяжки стержня А! - 6,3 мм при контроле деформаций обмятия в местах сопряжения опорной плиты опорного устройства с торцом балки и в других узлах сопряжения.

Большей достоверностью обладает контроль по величине относительных деформаций, составляющих при натяжении стержня на усилие А1 Ыр - 9,14 тс значения:

- для нарезных наконечников диаметром 30 мм .. .е - 6,16 -10-4

- для стержня затяжки диаметром 32 мм............е - 5,41-10-4

Объединение накладной плиты с прежней структурой пролетного

строения, необходимое для увеличения несущей способности балок, рассмотрено на рисунке 5.2. Для этой цели используются петлевые анкеры, одной стороной замоноличенные в продольных швах и другой стороной включающие накладную плиту в совместную работу с балками пролетного строения. Перед укладкой бетона продольных швов омоноличивания и накладной плиты необходима зачистка поверхности плиты и вертикальных граней консолей плиты от пыли, продуктов коррозии бетона для лучшего сцепления старого и молодого бетона.

После набора монолитным бетоном прочности не ниже 85% от прочности, соответствующей классу бетона накладной плиты В30, возможен демонтаж съемного устройства.

В развитие параграфа также приведем пример практического внедрения одного из способов усиления и реконструкции моста, прошедшего проверку в органах главгосэкспертизы. В 2010 году по заданию отдела мостов Хабаровского филиала "Гипродорнии" кафедрой "Мосты основания и фундаменты" ТОГУ был подготовлен проект реконструкции пролетных строений моста через реку Малиновка.

Рисунок 5.1 - Конструкция съемного устройства для создания начальных напряжений

/

777

78

777

014 А-Ш 4 шт

Рисунок 5.2 - Схема объединения накладной плиты с прежней структурой пролетного строения

Основанием для разработки проекта реконструкции послужили: результаты обследования моста, которые установили чрезмерную толщину одежды мостового полотна, более допустимых углы перелома продольного профиля покрытия на мосту над промежуточными опорами, вступивший в силу ГОСТ 52748 установивший в сравнении со СНиП 2.05.03-84* класс, временной нагрузки А-14, Н-14, дополнения СНиП 2.05.03-84*, которые потребовали увеличения толщины защитного слоя бетона для стержней верхних сеток рабочей арматуры плиты проезжей части и в связи с этим увеличения толщины плиты проезда в т.п. серии 3.503.1-81 вып. 0-4 [86] равной 18см по сравнению с плитой толщиной 15см принятой в прежних типовых проектах серии 3.503.1-81 вып. 0-1, 5, 6 [87].

Весомым аргументом в пользу реконструкции с проведением поверочных расчетов было то, что для ряда наклонных сечений пролетных строений по т.п. серии 3.503.1-81 является актуальной проверка по 2-й группе предельных состояний с оценкой главных растягивающих напряжений. Программа реконструкции предусматривала изменение компоновочной схемы, пролетного строения. Модификация структуры пролетного строения предусматривала разборку продольных швов омоноличивания, уменьшение их ширины до 30 см, создание новой структуры в виде семибалочного ростверка, в котором средняя дополнительная балка №4 с шириной плиты 1,4 м выполнена по т.п. серии 3.503.1-81, вып. 0-4, а балки прежней структуры пролетного строения по т.п. серии 3.503.1-81, вып. 0-1, 5-6 формируют левую (балки № 1, 2, 3) и правую (балки № 5, 6, 7) стороны пролетного строения новой структуры, см. рисунок 5.3.

Значимым пунктом программы реконструкции пролетного строения являлось усиление плиты проезжей части слоем сталефибробетона объединенным в совместную работу с прежней структурой пролетного

строения посредством связующих элементов, закрепленных в свою очередь в продольных швах омоноличивания.

Таким образом, на основе представления моделью сложного стержня плиты проезда прежней структуры и слоя сталефибробетона, найдены в них усилия, дана оценка трещиностойкости, результаты которой указали на необходимость дополнения армирования слоя сталефибробетона дискретной арматурой в виде стержневой арматуры по схеме 5012 АШ (верхняя) и 5 012 АШ (нижняя). Порядок определения усилий и расчета плиты проезжей части и слоя сталефибробетона был принят следующим:

- работа плиты по консольной схеме на нагрузки от собственного веса и веса швов омоноличивания;

- работа плиты как балки на шарнирных опорах с нагрузкой от веса слоя сталефибробетона;

- совместная работа плиты и слоя сталефибробетона как ветвей составной балки на шарнирных опорах при действии веса покрытия, элементов мостового полотна и временной нагрузки.

а) Компоновка балок в существующих пролетных строениях

Балки Б1-Б6 несущие конструкции по т.п. серии 3.503.1-81, вып. 0-1, 5, 6 б) Модифицированная структура пролетного строения

Балки Б1-Б3, Б5-Б7 - несущие конструкции по т.п. серии 3.503.1-81, вып. 0-1, 5, 6, балка Б4 - соответствует решениям т.п. серии 3.503.1-81, вып. 0-4.

Рисунок5.3 -Конструктивно-компоновочные решения пролетных строений моста

через р. Малиновка

Действие постоянных и временных нагрузок рассмотрено с учетом их последовательности приложения, неразрезности конструкции и пространственной работы пролетного строения. Местное действие временной нагрузки оценено на средней части и концевом участке пролетного строения, для каждого из которых учтены соответствующие параметры диаграммы распределения нагрузки. Усилия от общих деформаций на средней части пролетного строения при действии подвижных нагрузок определены на основе использования дифференциальной зависимости изгиба. Исходными данными для построения этой зависимости являлись величины прогибов балок по каждой из схем загружения, порядок подобных расчетов изложен в методических указаниях [64].

Распределение усилий между слоем сталефибробетона и плитой балки, как ветвями сложного стержня, выполнено в предположении отсутствия сил сцепления по контакту прежней плиты и слоя сталефибробетона пропорционально их изгибным жесткостям. Состав расчета слоя сталефибробетона включал:

- расчет нормальных сечений по прочности;

- расчет наклонных сечений по прочности;

- расчет трещиностойкости по образованию и раскрытию трещин.

Для выполнения проверок по первой и второй группе предельных

состояний в отношении плиты проезжей части с армированием по ТП 3.503.1-81 вып. 0-1, 0-4 с использованием стали класса А-11, Л-Ш, предусмотрено увеличение толщины слоя сталефибробетона до 13см.

В результате изменения компоновки поперечного сечения пролетного строения с расстоянием между осями балок 2,1 м при сопряжении балок по т.п. 3.503.1-81 вып. 0-1 и 1,9м - по т.п. серии 3.503.181 вып. 0-4 и включение в работу в продольном направлении слоя сталефибробетона позволили создать благоприятное пространственное

распределение нагрузок между балками и снизить значения возникающих в них усилий. Также как было отмечено выше для увеличения срока службы пролетного строения и сохранения качественной картины пространственного распределения усилий от временных нагрузок предложено решение по объединению слоя сталефибробетона в совместную работу с главными балками по швам омоноличивания при помощи наклонных и петлевых анкеров см. рисунок 5.2.

Представленный вариант реконструкции пролетных строений гарантированно позволил осуществлять пропуск временных нагрузок класса А14, Н14 без нарушения в несущих конструкциях условий первой и второй групп предельных состояний. Стержневое армирование слоя сталефибробетона придает плите проезжей части функции несущего элемента, реализация которых делает возможным эксплуатацию плиты проезда под нагрузками А14,. Н14.

Для продольных швов омоноличивания в качестве бетона омоноличивания нами предлагается сталефибробетон, как конструктивно-технологическое решение прошедшее проверку при устройстве узлов объединения при реконструкции сталежелезобетонных пролетных строений [88, 89].

В отличие от ранее предпосланных вариантов усиления НПО "РОСДОРНИИ" решения [85] позволяют изменить картину надтреснутого бетона в лучшую сторону, по крайней мере на этапе осуществления технического решения.

В последнее время в технической литературе все чаще приводится ссылка на применение композиционных материалов на основе фибры (КМФ) для усиления железобетонных конструкций в том числе и пролетных строений мостов [90, 91].

По нашему мнению в связи с этим заслуживает внимания оценка эффективности подобного способа усиления в том варианте, в каком он

обычно рекомендуется к применению: непосредственная наклейка холста или ламината на поверхность усиливаемой конструкции.

В качестве критерия эффективности примем приращение усилия в совокупном арматурном элементе, которое будет обусловлено включением в работу элемента усиления (холста или ламината), наклеенного на усиливаемую конструкцию. Будем считать справедливым условие совместности деформаций рабочей арматуры и элемента усиления, рассматривая сравнительно не большой участок балки, включающий несколько сечений с трещинами, на котором осредненные величины деформаций подчиняются (или почти подчиняются) обозначенному условию их совместности:

^ , (5.5)

где:вЛ Вф - осредненные величины относительных деформаций рабочей арматуры и элемента усиления на основе КМФ.

С учетом того, что практический интерес представляют деформации рабочей арматуры в интервале напряжений Аа5 от момента наклейки элемента усиления до исчерпания расчетных сопротивлений выражение (5.5) можно представить в виде

Аа8 аф

(5.6)

где: Аа3 - приращение напряжений в рабочей арматуре от уровня их значений, соответствующих этапу ремонта или реконструкции несущей конструкции а3, до уровня расчетных сопротивлений Ао3=К3-о3;оф -напряжения в элементе усиления, соответствующие приращению напряжений Аа„ в рабочей арматуре; Е„,Еф - значение модулей упругости рабочей арматуры и материала элемента усиления.

В постановочном порядке рассмотрим железобетонные пролетные строения длиной 12 - 18 м, которые в настоящее время наиболее часто

представляют интерес как объекты реконструкции или усиления. Предлагаемые балки содержат стальную арматуру класса А11 и АШ. Остаточный ресурс арматуры может составлять 55 - 74% от её расчетных сопротивлений, а в количественном отношении это будет составлять

Л Л

Ао =1500.2000 кгс/см для арматуры класса А11, Да=1950 - 2700 кгс/см для арматуры класса АШ. Тогда в соответствии с выражением (5.6) в волокнах фибры возникнут напряжения

Е

аФ . (5.7)

Если принять во внимание деформативные свойства, к примеру углеродной фибры с модулем упругости Еф=(2,3 - 2,4)х106 кгс/см2 (Еф=230 - 240 ГПа), то в ее волокнах в зависимости от класса (модуля упругости) рабочей арматуры объекта усиления (на примере обозначенных пролетных строений) возникнут напряжения:

оф=168 - 224 МПа - в случае объекта с рабочей арматурой класса А11, оф=230 - 320 МПа - в случае объекта с рабочей арматурой класса АШ. Полученный результат позволяет отметить совершенно незначительный эффект использования прочностных свойств фибры, (при прочности предложенной фибры офпр=4300 - 4900 МПа), а с учетом малой площади поперечного сечения элементов усиления в виде холста или ламината нельзя ожидать существенного увеличения несущей способности конструкции при сохранении расчетных положений и регламента в отношении расчетных сопротивлений рабочей арматуры конструкции.

При использовании композиционных материалов на основе арамидных или стекловолокон с меньшим значением модуля упругости по сравнению с углеродной фиброй напряжения в элементах усиления и в целом эффект их использования будет еще меньше.

Приведенный вывод представляется принципиальным прежде всего в отношении технологической последовательности устройства, закрепления

материалов КМФ и обеспечения их совместной работы с усиливаемой конструкцией на более ранних этапах ее деформирования. Последнее замечание по сути актуализирует тему создания начальных напряжений [92, 93, 94], которые позволят повысить остаточный ресурс в рабочей арматуре Аа3 и реализовать высокие показатели прочности композиционных материалов на основе фибры.

Полученный результат представляется совершенно очевидным и непосредственно следующим из условия совместности деформаций вида 5.5, при ограничениях типа (5.6). Замечания в отношении очевидности полученных результатов не случайно, поскольку при всей и очевидной справедливости полученного результата еще по прежнему и в наши дни много примеров неэффективного без преднапряжения использования композитов с целью усиления конструкций.

Инструкция ВСН 51-88 [90] вопросы уширения и усиления пролетного строения во многих предложениях представляет как решение единой задачи. Безусловно это согласуется с логикой решения задачи в общей постановке, когда улучшение функционально-потребительских свойств следует из программы реконструкции сооружения, или решения локальной задачи, направленного на обеспечение отдельных транспортно-эксплуатационных показателей или функционально-потребительских свойств.

Анализ ситуаций, связанных с улучшением транспортно-эксплуатационных параметров сооружений, позволяет отметить, что состав программы реконструкции чаще обусловлен переводом автомобильной дороги в более высокую категорию в порядке из У-й в IV-ю, 1У-й в 111-ю, из 111-й во 11-ю категорию, и реже, когда требуются радикальные решения.

С учетом реальных величин остаточного ресурса несущей способности пролетных строений разработки института "Союздорпроект" по вып. 56-Д,

вып. 1 и 5 серии 3.503-14, вып. 0, 1 серии 3.503.1-73 [95] увеличение их габарита проезда на необходимые 1,5-2 м возможно на основе прежней несущей структуры, без приставных элементов, без изменения расстояния между крайними балками.

С одной стороны это освобождает от существенной конструктивной корректировки опор. Вместе с тем увеличение габарита, постоянных нагрузок, изменение количественной характеристики пространственной работы пролетного строения, неизбежное влияние эксплуатационных факторов на снижение несущей способности могут потребовать активного вмешательства в компоновочную схему поперечного сечения, обратить внимание на роль условий опирания в распределении усилий между балками пролетного строения.

5.2 Конструктивные предложения по уширению и усилению пролетных строений

Инструкция ВСН 51-88 в конструктивной части обеспечения развитых габаритов проезжей части при сохранении габаритов несущей структуры значимую роль отводит варианту с использованием накладной плиты с обязательным включением ее в совместную работу с прежней структурой.

Ранее, в публикации [91] указывалось на реальные эффекты, которые можно получить в решении задачи увеличения несущей способности пролетного строения за счет придания накладной плите соответствующей геометрии с сосредоточением материала в бортовых элементах, карнизах, в парапетах ограждений. Их совместная работа с прежней структурой пролетного строения определенно будет способствовать формированию ресурса грузоподъемности.

Вместе с тем, изменение характера распределения изгибных жесткостей приведет к перераспределению постоянной, временной

нагрузки между элементами трансформированной структуры пролетного строения. При увеличенных эксцентриситетах временной нагрузки в пределах развитых габаритов вполне очевидно приведет к большему сосредоточению усилий в крайних балках по сравнению с исходной структурой пролетного строения.

В этой связи следует указать на практический интерес в решении вопроса регулирования усилий в несущих элементах пролетного строения путем наложения ограничений на вертикальные перемещения опорных узлов балок, возможности которого вполне реальны с применением слоистых резиновых опорных частей в их комбинации разной высоты.

Очевидно, что в каждом отдельном случае реализации конкретного предложения потребует выбора и обоснования вариантов с рассмотрением в каждом из них всего комплекса вопросов конструирования, оценки пространственной работы, сбора нагрузок, определения усилий и установления достаточности существующих, преобразованных или вновь созданных конструктивных форм в обеспечении требуемой несущей способности.

С учетом конструктивных предложений со стороны инструкции ВСН 51-88, эскизных решений в публикации [91] и высказанных соображений решение задачи настоящего раздела применительно к рассматриваемым пролетным строениям предлагается на основе внедрения в их существующую структуру и объединения с ней дублирующих элементов [96, 97, 98, 99].

Суть предложенного решения отражена на рисунке 5.4, а отдельные фрагменты решения на рисунках 5.5, 5.6. Целесообразность и эффективность его использования обоснованы следующими аргументами:

- предлагаемый вариант конструктивно-компоновочного решения элементов усиления позволяет в широком диапазоне изменять их несущую способность;

- объединение в совместную работу с балками прежней структуры пролетного строения приводит к активной роли элементов усиления в перераспределении и восприятии воздействий временной нагрузки;

- с использованием принципов регулирования усилий при монтаже элементов усиления или после их объединения с балками пролетного строения можно перераспределить усилия от постоянной нагрузки, снизив ее долю воздействия на балки прежней структуры;

- расположение элементов усиления с ориентацией их по продольным швам омоноличивания уменьшает расчетный пролет плиты, уменьшает возникающие в ней усилия, которые как правило, являются определяющими ограничениями в установлении класса нагрузки для сооружения в целом;

- внедрение элементов в пролетное строение согласуется со схемой объединения балок в пространственную структуру, не нарушает логики ее построения при работах по реконструкции, и вместе с тем дополняет ее элементами значительной несущей способности.

Приведенные выше аргументы показывают несомненное преимущество внедрения дублирующих элементов в существующую структуру пролетного строения в сравнении с известными и запатентованными вариантами усиления [100, 101].

Дублирующие элементы могут быть представлены как железобетонными так и металлическими балками. Их варианты показаны на рисунке 5.5.

В первом случае дублирующие элементы изготавливаются из железобетона с каркасной арматурой или из предварительно напряженного железобетона. Формирование конструкций с каркасной арматурой может быть осуществлено в формах для балок реконструируемых пролетных строений или иных формах ребристых пролетных строений с каркасной арматурой с учетом их близкой аналогии. Использование указанных

опалубочных форм позволяет получить дублирующие элементы, максимально адаптированные к прежней структуре и по геометрии поперечного сечения и по схеме армирования.

Состав нижней арматуры элемента усиления определится расчетом на действие усилий от собственного веса и бетона омоноличивания (на стадии монтажа) и усилий от второй части постоянной нагрузки и временных нагрузок с учетом характера их распределения во вновь созданной структуре пролетного строения. Площадь сечения арматуры, вероятно, будет иной по сравнению с балками прежней структуры, однако порядок формирования их армокаркасов может быть сохранен в дублирующих элементах при использовании действующих технологии и технологической оснастки.

Пример усиления и уширения пролетного строения

Рисунок 5.4 - Схема поперечного сечения пролетного строения до реконструкции (а) и после реконструкции (б) с элементами усиления в виде дублирующих элементов из

железобетона и стальных балок

а) Дублирующий элемент из железобетона с каркасной арматурой

б) Дублирующий элемент из железобетона с напрягаемой арматурой

в) Дублирующий элемент из металлопроката

5-5

6

бетон омоноличивания

6-6

дублирующий элемент,

связующие элементы

< %— г-а 3 1 —• • • • • • •

\ -1

г"

г"

Рисунок 5.5 - Узлы объединения дублирующих элементов с плитой проезда пролетного строения

5

Принципиальным является то, что в создаваемой структуре за счет насыщения армокаркасов дублирующих элементов поперечной арматурой (отгибы, хомуты) реально существенное увеличение несущей способности по поперечной силе. Обеспеченность этого, очевидного результата подобным конструктивным оформлением, пожалуй, отличает способ усиления дублирующими элементами от других способов.

Выбор дублирующих элементов из предварительно напряженного железобетона должен быть обоснован с позиции обеспечения требуемой несущей способности нормальных и наклонных сечений в отношении прежних балок и дублирующих элементов с учетом их изгибной жесткости как управляющих параметров в распределении усилий от всей совокупности постоянных и временных нагрузок. Упоминание об изгибной жесткости, в частности дублирующих элементов, акцентирует внимание на том, что реализации предельного состояния 1 -й группы в предварительно напряженной железобетонной конструкции в сравнении с обычным железобетоном сопутствуют большие перемещения и деформации.

В обосновании выбора преднапряженных дублирующих элементов необходимо учесть их структуру армокаркасов, в которой отсутствуют (как правило) отогнутые стержни с четко обозначенной ролью в определении несущей способности по поперечной силе. Создать дублирующий элемент с эквивалентной несущей способностью по нормальным и наклонным сечениям можно на основе комбинированного армирования, сочетающего напрягаемую арматуру и каркас из стержневой арматуры.

Для изготовления предварительно напряженных конструкций дублирующих элементов, вероятно, потребуется индивидуальная опалубка, но возможен вариант использования опалубочных форм для балок без преднапряжения при соответствующем их усилении. В свое время имело место широкое внедрение преднапряженных пролетных строений по вып. 6, 7, 8 т.п. серии 3.503-14 "Пролетные строения автодорожных мостов и путепроводов, ребристые из предварительно-напряженного железобетона пролетами 12, 15 и

18 м", которые были разработаны институтом "ГИПРОДОРНИИ" по плану типового проектирования на 1983 г, утвержденному постановлением Госстроя СССР №1 от 10.01.83 г по Минавтодру РСФСР. Конструктивные решения опалубочных форм - стендов для изготовления этих балок можно рассматривать в качестве технологической оснастки под дублирующие элементы усиления.

При задании строительного подъема опалубочным формам дублирующих элементов необходимо учитывать фактическое высотное положение реконструируемых пролетных строений, частичное восстановление строительного подъема в балках после удаления одежды мостового полотна и разборки бетона продольных швов омоноличивания. Различие высотного положения балок и дублирующих элементов не должно мешать их объединению.

Оценка прогибов балок и дублирующих элементов после их объединения и восстановления одежды мостового полотна очевидно возможна на основе рассмотрения условия совместности перемещений с учетом изменяющихся во времени жесткостных характеристик сопряженных конструкций.

При выборе варианта дублирующих элементов необходимо технико-экономическое обоснование с учетом затрат на их изготовление (вероятно в большом объеме, но скорее не в рамках массового производства) и сопоставимости ресурса работоспособности прежних несущих конструкций и вновь изготовленных дублирующих элементов.

Принимая во внимание всю совокупность затрат, обусловленных конструктивно-технологическими факторами, учитывая характер деформирования объединяемых одним узлом балок прежней структуры и элементов усиления, можно ожидать более простым и экономичным вариант дублирующих элементов с каркасной арматурой.

Верх дублирующих элементов в любом варианте изготовления (с каркасной или напрягаемой) должен быть оформлен связующимими

элементами для объединения их в совместную работу с балками прежней структуры по продольным швам омоноличивания.

Металлические балки как основа для дублирующих элементов могут быть исполнены из прокатных или широкополочных двутавров, номер профиля которых назначается в зависимости от величины возникающих усилий в модернизированной структуре. После объединения по продольным швам омоноличивания с балками прежней структуры дублирующие элементы характеризуются работой объединенных сечений. Сравнительное постоянство их жесткостных характеристик (при относительно небольшой площади железобетона в совместной работе с металлическими балками) создает благоприятные условия для перераспределения усилий от постоянных нагрузок при снижении их доли на балки прежней структуры. Этот эффект может быть усилен при соответствующих последовательности и уровне приложения временного, на период монтажа, предварительного напряжения. Использование металлопроката минимизирует затраты на технологическую оснастку, сокращает работы подготовительного этапа, позволяет достаточно быстро осуществить изготовление дублирующего элемента, а при организации необходимого контроля - выполнить эти работы непосредственно на объекте. Приведенная характеристика предопределяет реальные возможности оперативного внедрения дублирующих элементов из металлопроката.

Таким образом трансформация пролетного строения путем включения в его поперечное сечение дублирующих элементов снижает долю постоянных и временных нагрузок, приходящихся на балки прежней структуры. Это в свою очередь делает реальными предложения по развитию габаритов проезжей части, при котором определенно будет иметь место интенсификация работы крайних балок. В этой ситуации их разгрузка приобретает актуальное значение.

5.3 Предложения по компоновке узлов объединения элементов пролетного строения

Трансформация пролетных строений в соответствии с предлагаемыми решениями в целях обеспечения их эффективности требует объединения дублирующих элементов с прежней структурой. Характер работы новой структуры как пространственной системы в целом, характер работы плиты проезжей части при измененной картине действующих в ней изгибающих моментов, характер взаимодействия дублирующих элементов и прежних балок в узлах их сопряжения указывают на необходимость:

- сохранения рабочей арматуры плиты проезжей части с прежними параметрами взаимной заделки стержней верхней и нижней сеток при соответствии величины заделки требованиям нормативных документов; при раздвижке балок прежней структуры конструктивные требования по величине заделки должны быть обеспечены дополнительными стержнями;

- обеспечения совместной работы сопряженных в узле объединения элементов усиления и прежних балок устройством связующих элементов, выполняющих роль поперечных связей и связей сдвига.

С учетом приведенной характеристики узла объединения в качестве связующих элементов предлагаются решения, представленные на рисунке 5.5.

Связующие элементы в дублирующем элементе из железобетона с каркасной арматурой содержат собственно связующую часть, которая посредством сварки крепится к основе связующих элементов в виде продольных верхних стержней армокаркасов дублирующего элемента и анкерную часть, также прикрепленную к стержням основы и погруженную в бетон дублирующего элемента.

Функционально собственно связующая часть выполняет роль поперечных связей, обеспечивая совместность вертикальных перемещений дублирующего элемента и смежных балок, и работает в качестве связей сдвига, включая дублирующие элементы в совместную работу со смежными балками.

Стержни основы связующих элементов, обладая нормальной и изгибной жесткостью, при восприятии усилий с собственно связующей части и передаче их на бетон дублирующего элемента снимают концентрацию напряжений, повышая сдвиговую жесткость соединения.

Анкерная часть, расположенная в одной плоскости поперечного сечения с собственно связующей частью, увеличивает жесткость стержня основы как элемента в упругой среде и повышает гарантии работоспособности собственно связующей части в качестве поперечной связи.

Связующие элементы в дублирующем элементе при постановке его в верхней зоне стержневой арматуры с передачей ей роли основы под собственно связующую часть будут аналогичными варианту объединения по рисунку 5.5, а. При отсутствии стержневой арматуры связующие элементы могут быть выполнены в виде замкнутых рамочных контуров с их анкерением в дублирующем элементе и бетоне омоноличивания с помощью продольных стержней, расположенных в углах контура (рисунок 5.5, б).

Связующие элементы дублирующих элементов из металлопроката для их объединения в совместную работу с плитой проезда в продольном шве омоноличивания могут быть представлены набором объединительных деталей, известных из сталежелезобетонных конструкций [102, 103, 104]. С учетом необходимости сохранения рабочей арматуры плиты проезда в продольном шве омоноличивания к внедрению могут быть рекомендованы стержневые упоры, петлевые или одиночные анкеры, вертикально расположенные или с наклоном без нарушения шага рабочих стержней плиты (рисунок 5.5, в).

Решение вопроса по обеспечению развитого габарита проезжей части при сохранении габаритных размеров прежней несущей структуры на основе накладной плиты представлено на рисунке 5.6. Традиционным материалом для накладной плиты является цементобетон. При двухслойном армировании накладной плите можно придать функцию несущей конструкции, совместная работа которой с плитой проезда прежней структуры повысит их суммарную грузоподъемность.

Рисунок 5.6 - Компоновочное решение консолиплиты под развитые габариты проезжей части

Совместная работа накладной плиты и прежней плиты обеспечивается их объединением по продольным швам омоноличивания посредством связующих элементов. Тщательная подготовка поверхности прежней плиты с постановкой штыревых упоров повысит эффект совместной работы.

Использование сталефибробетона в сочетании с дискретной арматурой повысит надежность работы накладной плиты и в целом вновь созданной структуры пролетного строения.

Устройству собственно консоли должна предшествовать подготовка консоли крайней балки, удаление бетона разрушенной структуры, обнажение арматуры и удаление продуктов коррозии.

Далее рассмотрим обоснование схемы армирования области силового взаимодействия дублирующего элемента с прежней структурой пролетного строения.

О значимости детализации напряженного состояния в области силового взаимодействия связующего элемента и железобетонной плиты сталежелезобетонной конструкции и о возможности управления напряженным состоянием бетона в области взаимодействия с жестким упором модифицированным продольными стержнями, с закрепленными на них одиночными анкерами, ориентированным по траектории главных растягивающих напряжений было заявлено в публикации [70], принципиальные соображения, обозначенные в [70], нашли подтверждение в численных решениях монографии [105].

На практическую значимость решения вопроса сохранения целостности бетона плиты по траектории ее контакта с несущими балками сталежелезобетонных пролетных строений указывают авторы рекомендаций [106], которые отмечают, что в бетоне плиты в области упоров, расположенных в крайних четвертях сталежелезобетонных пролетов имеют место косые трещины.

Дадим качественную оценку напряженному состоянию плиты в области взаимодействия ее с жестким упором, вычленив из плоскости плиты двумя вертикальными плоскостями 1-1 и 2-2 (рисунку 5.7) продольную полоску, ориентированную над верхним поясом балки и поглощающую жесткие упоры так, что усилия воспринимаемые ими обуславливают напряженное состояние нормальных сечений полоски формируя в них напряжения сжатия или растяжения в зависимости от положения сечения по отношению к опорной пластине жесткого упора вместе с тем, вызывая по боковым продольным граням полоски 1-1 и 2-2 поток касательных напряжений т, совокупность которых представляет поток погонных сил 1

Из условия равновесия элемента а, Ь, с, ё (рисунок 5.7) можно обозначить площадку ш-ш, на нормаль к которой п сумма силовых факторов будет представлять главные растягивающие напряжения в бетоне ошЬ (рисунок 5.7), предопределяя траекторию вероятной трещины, для предупреждения

чрезмерного раскрытия которой предусмотрены армоэлементы по виду одиночных наклонных анкеров.

Рисунок 5.7 - Схема к обоснованию схемы армирования области силового взаимодействия

упора дублирующего элемента и бетона плиты

5.4 Замечание по реализации предложенного способа модернизации пролетного строения

В технологической части устройство элементов усиления предполагает разборку продольных швов омоноличивания, далее в поочередном порядке следует демонтаж балок и установка элементов усиления, их объединение по продольным швам омоноличивания. Вновь созданная структура, обладая большей несущей способностью по сравнению с прежней, является основой для создания развитых габаритов проезда или тротуаров в зависимости от содержания программы ремонта или реконструкции.

Нужно отметить еще немаловажное преимущество элементов усиления в предлагаемом варианте. Возможность варьирования в широком диапазоне их несущей способностью и жесткостью позволяет проводить переустройство или реконструкцию пролетных строений параллельно с эксплуатацией моста по временной схеме.

Особенность этой ситуации характеризуется более интенсивной работой балок части пролетного строения, предназначенной для пропуска транспортных средств. Поэтому необходимая грузоподъемность этого фрагмента несущей структуры пролетного строения может быть обеспечена путем придания элементам усиления соответствующей несущей способности за счет геометрических характеристик сечения, прочностных показателей применяемых материалов, создания предварительного напряжения до завершения полной реконструкции.

В расчетной части задача с определением усилий в элементах пролетного строения может быть решена традиционно с оценкой пространственной работы через коэффициент поперечной установки на основе метода упруго оседающих опор с учетом изгибной жесткости, шага постановки балок и элементов усиления новой несущей структуры.

Детализации расчетной схемы с решением вопроса управления распределением постоянной и временной нагрузки будет сопутствовать учет вертикальной податливости опорных частей.

В решении задачи численным методом возможен вариант непосредственной реализации конечно-элементной модели пролетного строения из объемных элементов с интегрированием тем или иным путем арматуры в состав сечения или вариант, в котором плита, представленная объемными или оболочечными элементами, объединена с ребрами балок, в представлении которых используются стержневая аналогия.

Таким образом выдвинутое техническое решение согласуется с основным положением Концепции улучшения состояния мостовых сооружений [1] в решении наиболее важных ее задач обеспечения должной грузоподъемности, повышения безопасности движения, повышения срока службы сооружений.

Принимая во внимание стаж эксплуатации наиболее распространенных железобетонных ребристых пролетных строений с отчетом от времени их интенсивного внедрения на дорогах Дальнего Востока в 70-80х годах прошлого столетия, учитывая сохранившиеся в них ресурсы грузоподъемности и

целесообразность восстановления их работоспособного состояния, учитывая возросшие требования к грузоподъемности пролетных строений с вводом в действие ГОСТ Р 52748-2007, надо полагать востребованность предлагаемых решений в улучшении функционально-потребительских свойств парка железобетонных пролетных строений ребристой структуры, среди которых пролеты длиной 12; 15; 18 м составляют по данной Концепции 12; 24; 26 % соответственно от общего количества пролетов.

Предлагаемые решения были приняты с интересом специалистами Краевого государственного учреждения "Хабаровское управление автомобильных дорог" на региональном научно-практическом семинаре "Современные технологии ремонта, защиты и усиления железобетонных мостов", проходившем 15.04.2010 года в г.Хабаровске.

Принципы предлагаемого варианта усиления нашли отражение в проекте реконструкции железобетонного пролетного строения моста через р. Малиновка на дороге "Уссури" Хабаровск-Владивосток.

5.5 Усиление плиты проезда подкреплением ее продольной балкой, встроенной в продольный шов омоноличивания

Поверочные расчеты по оценке остаточного ресурса работоспособности железобетонных пролетных строений ребристой структуры нередко указывают на то, что определяющим фактором в установлении грузоподъемности пролетного строения является состояние плиты проезжей части и ее несущая способность. Как было показано в публикации [107] в характеристике состояния плиты и в частности в обеспечении целостности ее структуры существенное значение имеет состав и характер армирования плиты проезда продольной арматурой.

Не детализируя тему командных факторов влияния на снижение несущей способности плиты проезда, рассмотрим конструктивное предложение, направленное на снижение влияния действия местной нагрузки на усилия в

плите проезда. При подготовке предложения учтено то, что при увеличении площади сечения и естественно изгибной жесткости, условно выделенного в структуре плиты проезда или пусть встроенного в продольный шов омоноличивания продольно - ориентированного элемента в виде продольной балки, получаемой при бетонировании шва омоноличивания в процессе реконструкции или модернизации пролетного строения в работу на действие колеса будет включаться плита с большей рабочей шириной. Иными словами при развитом по высоте сечении продольного шва омоноличивания как элемента усиления плиты проезда действие колеса будет воспринимать участок плиты с большей протяженностью по сравнению с вариантом плиты проезда без развития сечения продольного шва омоноличивания с целью придания ему роли продольной балки подкрепляющей плиту проезда.

Итак, при развитом сечении продольного шва омоноличивания как элемента усиления плиты проезда действие колеса будет воспринимать участок плиты большей протяженности по сравнению с вариантом плиты проезда без развития сечения продольного шва омоноличивания.

При этом очевидно что величина изгибающего момента Мх-х относительно продольной оси в поперечно ориентированной полоске плиты единичной ширины будет меньше по сравнению с вариантом плиты проезда без развития продольного шва омоноличивания. Нетрудно видеть что предложение этого конструктивно-технологического решения органично вписывается в общую структуру работ по модернизации ребристого пролетного строения к примеру посредством внедрения в его несущую структуру дублирующих элементов [96] и совершенно аналогично структуре поперечных и продольных балок подкрепляющих плиту проезда в монолитных мостах [108] и перекрытиях кессонного типа. Работы по восстановлению продольных швов омоноличивания объединяющих балки прежней структуры и дублирующие элементы аналогичны работам по устройству продольных балок, подкрепляющих плиту проезда. В данном случае в решении задачи уменьшения усилий в плите проезда очевидна реализация принципа концентрации

материала в организации продольного шва омоноличивания с развитой высотой сечения по сравнению с толщиной плиты прежней структуры пролетного строения.

Очевиден и эффект внедрения предлагаемого решения по сравнению с предложениями инструкции ВСН 51-88 по усилению плиты проезда устройством накладной плиты в сборном или сборно-монолитном вариантах, осуществление которых предполагает обеспечение совместной работы бетона новой и прежней плиты на основе проведения мер конструктивного характера в соответствии с п. 3.170 СНиП 2.05.03-84* при обязательном решении вопроса эффективной схемы армирования в монолитной накладной плите с учетом жестких требований по толщине защитных слоев бетона.

Безусловно, представляется важным и то замечание, что внедрение продольной балки подкрепляющей плиту проезда позволит уменьшить размах усилий в плите противоположных знаков, а это снизит остроту расчетов плиты на выносливость.

Для оценки эффекта предлагаемого решения с целью уменьшения усилий в плите проезда в технической части решения задачи предлагается воспользоваться известными решениями балочного ростверка при рассмотрении его пространственной работы в задаче оценки КПУ в его балках, роль которых в данном случае выполняют поперечно ориентированные элементы, взаимодействующие между собой благодаря их объединению продольной балкой и в этом взаимодействии отражающие функцию плиты как несущей структуры в представлении ее элементами балочного ростверка. Таким образом если это взаимодействие адекватно отразить в силовом взаимодействии поперечных элементов и продольной балки, вертикальные перемещения которой равны вертикальным перемещениям поперечных элементов в точках их пересечения с продольной балкой и в такой копии отражена кривая деформированного состояния продольной балки как изгибаемого элемента с изгибной жесткостью Е1пр и характерной для изгибаемого элемента зависимостью

176

1 MnD

гт , (5.8)

P EInp

где p - радиус кривизны кривой деформированного состояния продольной балки; Мпр - изгибающий момент в сечении продольной балки с моментом инерции 1б (см. формулу 5.9) при ее совместной работе с плитой проезда с моментом инерции сечения плиты 1пл (см. формулу (5.10)), формирующих в модели балочного ростверка несущую структуру с суммарным моментом инерции Is (см. формулу (5.11)) и распределяющую временную нагрузку между поперечно-ориентированными элементами которые выполняют роль продольных балок в модели балочного ростверка настоящего предназначения.

Таким образом, если в модели балочного ростверка в котором плита проезда подкреплена продольной балкой, которая в совокупности с прежней плитой участвует в распределении нагрузки между поперечно-ориентированными элементами то жесткость поперечной конструкции в создаваемой модели балочного ростверка будет эквивалентна жесткости поперечной конструкции исходной системы в том случае если приведенная толщина плиты И*пл в создаваемой модели балочного ростверка обеспечит равенство 5.12 - 5.13, структуру модели которого отражает фрагмент плиты проезда на рисунке 5.8.

h3

I6 = b6 h|; (5.9)

h3

I = l h^; (5.10)

пл пр J2

Iz= 1пл + h; (5.11)

- ;l fc)3

I* = I vw_ = I +1 = т ; (5.12)

Vi n Vi - __VI П Л-Ч > 7 v ^

пл пр пл Б 2 ?

7* 1Е-12

Л~ - ^ (5лз)

По сути выражения (5.8) - (5.13) представляют шаги адаптации фрагмента плиты проезда по рисунку 5.8, с продольной балкой подкрепляющей

плиту проезда к структуре модели балочного ростверка, решения которого в отношении характера распределения усилий в элементах балочного ростверка были бы адекватны характеру распределения усилий в элементах его модели которую представляет фрагмент плиты проезда приведенный на рисунке 5.9.

В таблице 5.1 приведены результаты адаптации фрагмента плиты проезда пролетного строения типового проекта серии 3.503-14 вып. 5 с исходными параметрами которые характеризуют: расстояния между балками Ь= 1,66м толщину плиты Ипл=0,15м, ширину продольного шва омоноличивания Ьшв=0,36м высоту сечения продольной балки, встроенной в продольный шов омоноличивания как варьируемый параметр продольной балки рассматриваемой в качестве объекта исследования.

В таблице 5.1 приведено значение приведенной толщины плиты к*пл как конечный результат адаптации фрагмента плиты проезда с продольной балкой встроенной в продольный шов омоноличивания к модели балочного ростверка. Принципиальная схема которого показана на рисунке 5.8 с отражением основных элементов формирующих структуру балочного ростверка и необходимых для адекватного отражения работы элементов плиты проезда в элементах модели балочного ростверка.

Реализация метода упруго оседающих опор при загружении модели балочного ростверка, по схеме, представленной на рисунке 5.8 для вариантов модели отличающихся высотой сечения продольной балки, встроенной в продольный шов омоноличивания, позволила получить значения КПУ, представленные в таблице 5.2.

Данные таблицы 5.2 позволяют отметить очевидный эффект внедрения в продольный шов омоноличивания продольной балки. По крайней мере эффект распределения в случае продольной балки высотой Ьпр=0,4м (вариант 4) более нагляден в сравнении с высотой балки меньшей высоты. Суть конструктивного решения поясняет рисунок 5.8 где показан фрагмент пролетного строения с участком плиты проезда, представленный набором поперечно-

ориентированных элементов, непосредственно воспринимающих действие колес транспортного средства и взаимодействующих между собой

Рисунок 5.8 - Фрагмент пролетного строения с плитой проезда подкрепленной продольной балкой встроенной в продольный шов омоноличивания

Рисунок 5.9 - Компоновка поперечно-ориентированных элементов подчиненная схеме нагружения модели ростверка тележки нагрузки АК

Таблица 5.1 - Исходные параметры принятые для оценки пространственной работы плиты проезда как модели балочного ростверка

Варианты продольной балки Исходные параметры Высота продольной балки как объекта вариации м Параметры модели балочного ростверка

L, м ^л, м ьшв, м Приведенная толщина плиты м Длина пролета балочного ростверка ^ м

1 1,66 0,15 0,36 0,15 0,15 1,66

2 1,66 0,15 0,36 0,25 0,1844 1,66

3 1,66 0,15 0,36 0,35 0,2296 1,66

4 1,66 0,15 0,36 0,45 0,2791 1,66

Таблица 5.2 - Значения КПУ в балках балочного ростверка в оперечно-ориентированных элементах его модели

Вариант модели Номер поперечно-ориентированного элемента как составляющего модели балочного ростверка

1 2 3 4 5 6

1 Кл = 0,15 0,198 0,162 0,140 0,140 0,162 0,198

2 Кпл = 0,1844 0,184 0,164 0,152 0,152 0,164 0,184

3 Кпл = 0,2296 0,176 0,165 0,159 0,159 0,165 0,176

4 Кпл = 0,2791 0,172 0,166 0,162 0,162 0,166 0,172

благодаря их объединению продольно-ориентированным элементом, вовлекающим в работу тем большее количество поперечно-ориентированных элементов, чем больше изгибная жесткость продольной балки, встроенной в продольный шов омоноличивания.

На рисунке 5.10 приведен возможный вариант продольной балки подкрепляющей плиту проезда и компоновка армоэлементов балки и плиты проезда.