книги из ГПНТБ / Крыльцов, Е. И. Современные железобетонные мосты [монография]

обработкой величин толщины клеевых соединений блоков коробча­ того сечения по данным 446 измерений на мосту через р. Москву в Нагатино установлена средняя величина шва, равная 1,47 мм.

Клеи для соединения сборных железобетонных элементов в сты­ ках, обеспечивая сцепление с бетоном, должны обладать следую­ щими свойствами: абсолютной влагостойкостью, длительной проч­ ностью, морозостойкостью, теплостойкостью и устойчивостью про­ тив действия масел, жидкого топлива и кислот. В наибольшей сте­ пени этим требованиям отвечает эпоксидный клей. Соединения на эпоксидных клеях прочны, водостойки, обладают теплостойкостью от —60° до + 100° С.

Взависимости от условий применения и особенностей сборной конструкции используется клей с соответствующей технологической адгезионной жизнедеятельностью.

Современные способы создания предварительного напряжения позволяют надежно стыковать заранее изготовленные элементыблоки сборной конструкции натяжением напрягаемой арматуры (см. § 6) разных видов.

Всборных железобетонных мостовых конструкциях, объединяе­ мых без предварительного напряжения, применяют стыки со свар­ кой специально выпущенных (из бетона блоков) закладных частей

иарматуры, а также стальные жесткие стыки на сварке или на бол­ тах, стыки стаканного типа, петлевые и т. д.

Получили широкое распространение стыки сборных железобе­ тонных конструкций с перепуском (в швах) арматуры в виде пря­ мых или петлевых стержней. Стыки эти просты по технологии осу­ ществления и для них требуется мало дополнительного расхода металла, их обычно заполняют бетонной смесью для более полного омоноличивания конструкции. Бетонированием свободных выпу­ сков арматуры периодического профиля стыкуют плиты проезжей части автодорожных и городских мостов. Петлевые стыки Г. П. Передерия применяют в растянутых элементах и в растянутой зоне

изгибаемых конструкций мостов.

Соединение элементов сборных конструкций стыком стаканного типа широко распространено в опорах путепроводов, в надфундаментной части опор средних и больших мостов, в надарочном строении и т. п. Стык основан на принципе заделки одного из соединяемых железобетонных элементов меньшего сечения в ста­ кан другого элемента большего сечения. Для обеспечения работы сборного элемента на изгиб конец его заводят в стакан на глубину не менее 1,1 от наибольшего размера поперечного сечения. Глуби­ на заделки в растянутых элементах должна быть не меньше длины анкеровки в бетоне стержней соединяемых элементов. Реже приме­ няют конструкции, в которых передача усилия с одного элемента к другому обеспечивается путем обетонирования в стакане выпу­ сков арматуры.

Для объединения элементов сборных пролетных строений и опор арматурные выпуски в швах сваривают. В этом случае стыки можно располагать горизонтально, наклонно и вертикально.

40

В заводских условиях наиболее целесообразно стыкование ра­ бочей арматуры в швах контактной сваркой методом оплавления с последующей продольной зачисткой шва или заранее зачищенны­

устраняются концентраторы и тогда не требуется повторная за­ чистка швов.

Для соединения арматуры в швах сборных конструкций при монтаже применяют ванные стыки с удлиненной или короткой под­ кладками в зависимости от характера работы конструкции. Ванные стыки располагают не ближе 20 см от торца стыкуемого элемента, чтобы защитить бетон от воздействия сварки, а также уменьшить влияние температурного расширения сваренного стержня на торце элемента.

Зазор между свариваемыми стержнями не должен превышать 16—20 мм, допуская манипулирование электродом. Эксцен­ триситет между свариваемыми стержнями должен быть не более 10% от диаметра свариваемых стержней.

В особых случаях для элементов, слабо подверженных воздейст­ виям переменных нагрузок, допускается ванный стык двойных или тройных стержней.

Наряду с ванными стыками применяют стыки арматуры с пар­ ными смещенными накладками в швах сборных конструкций.

Монтажные стыки арматуры располагают так, чтобы обеспечи­ вались условия для высококачественного выполнения сварных швов с плавным выводом сварки на стыкуемые стержни.

В процессе сварки арматуры в стержнях возникают реактивные напряжения как результат усадки разогретого металла в стеснен­ ных условиях. Распределение реактивных напряжений в стыке зависит от длины стыка, количества отдельных или групп стерж­ ней, свариваемых за один прием, последовательности сварки, диа­ метра стержней, податливости монтажных элементов. Для сниже­ ния реактивных напряжений должны быть обеспечены специальные мероприятия.

Для объединения полых железобетонных элементов между со­ бой или с ригелями, ростверками фундаментов и другими элемен­ тами получили распространение фланцевые сварные и болтовые стыковые соединения. Фланцевый болтовой стык наиболее универ­ сален, особенно для фундаментов мостовых опор, так как позволяет не только соединять секции оболочек, но и прикреплять на оболоч­ ке вибропогружатель, а затем снимать его. Такой стык применим для соединения элементов пролетных строений из центрифугиро­ ванного железобетона. Фланцы готовят сварными или литыми. Для точного совпадения стыкуемых конструкций по арматуре применя­ ют кондукторы. Особое внимание обращают на исключение эксцентриситета при протекании усилий в стыках и связанных с ним местных напряжений, влияющих на долговечность конструк­ ции стыка.

41

§ 5. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Основное направление в проектировании сборных и предвари­ тельно напряженных железобетонных конструкций — дальнейшее приближение проектных разработок с применением новых методов проектирования к действительным условиям работы конструкций с одновременным улучшением технико-экономических показателей сооружения за счет более полного использования свойств его основных материалов.

Современные железобетонные конструкции мостов обычно про­ ектируют из тяжелого бетона на плотных заполнителях и цемент­ ном вяжущем с прочностью на сжатие, соответствующей маркам

150, 200, 300, 400, 500, 600, 700 и 800; при специальном обосновании допустимы марки 250, 350, 450 и 550. Другими признаками для назначения марки служат прочность на осевое растяжение, морозо­ стойкость (Мрз) и водонепроницаемость (В).

В США, ФРГ и некоторых других странах при установлении прочности бетона принимают так называемый браковочный мини­ мум. Это вызывает необходимость подбирать состав бетона с проч­ ностью контрольных образцов, превышающих проектную марку.

Минимальные марки бетона по прочности и необходимые по морозостойкости и водонепроницаемости для мостовых конструк­ ций в СССР устанавливают в зависимости от назначения конст­ рукций, а также от условий возведения и эксплуатации. Предвари­ тельно напряженные конструкции, как и другие, эксплуатируемые под многократно повторяющимися нагрузками, проектируют из бетона более высокой прочности, а для конструкций, подвергаю­ щихся попеременному замораживанию и оттаиванию в условиях водонасыщения, кроме того, применяют повышенные марки по мо­

чина предела прочности образцов 20X20X20 см\ нормативное со­

Расчетные сопротивления в зависимости от марки бетона име­ ют следующие значения:

Сопротивления Rnv и Rp умножают на коэффициенты (переход­ ные и условий работы), учитывающие специфику данной конструк­ ции: длительность действия нагрузок, условия изготовления, назна­ чение конструкции (пролетное строение, фундаменты, опоры и т. д.), особенности эксплуатации (климатический район, много-

42

кратное повторение нагрузок) и др. За рубежом этими коэффици­ ентами, как правило, учитывают также рост прочности бетона во времени по отношению к 28-дневному возрасту. Так, по рекоменда­ циям Европейского комитета по бетону для тяжелых бетонов на портландцементах 90-дневного возраста можно вводить коэффи­ циент 1,2, а для 360-дневного — 1,35.

В железобетонных мостовых конструкциях используют стержне­ вую и проволочную арматуру. Перспективно применение горячека­ таной арматуры класса A-II марки 10ГТ, отличающейся высоким относительным удлинением (не менее 25%) и ударной вязкостью не менее 5 кгс/см2 при температуре минус 60° С, что имеет особое значение для конструкций северного исполнения, а также примене­ ние упрочненной стали класса A-V марки 23Х2Г2Т с высокими тех­ нологическими свойствами при прочностных характеристиках, со­ ответствующих стали 80/105, широко известной за рубежом.1

Проволочную напрягаемую арматуру гладкого и периодическо­ го профиля изготовляют методом холодного волочения. С целью снижения трудозатрат целесообразно объединять на заводах от­ дельные проволоки в мощные арматурные элементы — канаты диаметром 45, 52,5 и 63 мм.

Выбор марки стержневой или проволочной арматурной стали зависит от характера работы сооружения, условий эксплуатации при обычных или особо низких отрицательных температурах и назначения ее в конструкции (расчетная, нерасчетная конструктив­ ная и т. д.).

Для назначения сопротивлений используют данные по прочно­ сти стали на разрыв, пределу упругости и текучести. Пределу упру­ гости обычно соответствуют усилия, вызывающие при растяжении образца пластическую деформацию, равную 0,01%, а пределу теку­ чести— 0,2%- По условиям целесообразного использования выгод­ но иметь эти пределы близкими по величине, так как при работе до предела упругости модуль арматуры £ а постоянен. Напрягае­ мые стали обычно не имеют выраженного предела текучести и ха­ рактеризуются условным. За нормативное сопротивление Дан для стержневой арматуры принимают напряжение, соответствующее остаточному относительному удлинению, равному 0,2%, а для про­

ставляют с соответствующим значением несущей способности кон­ струкции по материалам, а эксплуатационные воздействия — с нор­ мируемыми величинами. Рассматривают две основные группы предельных состояний: 1) по несущей способности, т. е. на проч­ ность (устойчивость) и на выносливость; 2) по деформациям и трещиностойкости.

1 За рубежом через косую дробь показывают предел текучести и предел прочности (в кгс/мм2). В данном случае предел текучести составляет 80 кгс/мм2, а предел прочности — 105 кгс/мм2.

43

В расчетах на прочность при изгибе и внецентренном сжатии для элементов, имеющих сцепление арматуры с бетоном, прини­ мают упрощенную прямоугольную эпюру сжатия в бетоне, под­ твержденную данными исследований. В этом случае считают, что сжимающие напряжения равномерно распределены по всей высоте площади сжатой зоны; в растянутой зоне ограничивают величи­ ну предельного армирования. Необходимо отметить более высокий нормируемый предел насыщения сечения арматурой в СССР по сравнению с нормами зарубежных стран.

Расчет на прочность в США выполняют аналогично по равнове­ сию между сжатой зоной бетона и арматурой без учета сопротив­ ления растянутой зоны бетона, однако высоту сжатой зоны уста­ навливают по эквивалентной площади с учетом марочной прочно­ сти бетона. Нормами установлена также предельная величина сжимаемости бетона в упругой стадии. Так как расчет по прочно­ сти не дает полной оценки напряженного состояния, то для мосто­ вых конструкций нужна дополнительная проверка по первой груп­ пе предельных состояний с учетом неблагоприятного влияния фак­ торов внешней среды. Ряд конструкций в СССР рассчитывают на выносливость в предположении работы в упругой стадии по приве­ денным сечениям, что также позволяет оценить их напряженное эксплуатационное состояние.

Расчет по предельным состояниям второй группы производят по образованию, раскрытию и закрытию трещин и по деформациям в упругой стадии. При проектировании различают три вида тре­ щин: нормальные к продольной оси элемента, наклонные к ней и продольные, т. е. параллельные оси элемента.

Рассматривают три категории мостовых конструкций.

Для первой категории практически не допускается образование трещин при полном расчетном воздействии. К ней относятся пред­ варительно напряженные пролетные строения с проволочной арма­ турой для железнодорожных мостов, поверхности всех мостовых конструкций, подверженные регулярному увлажнению, и стыковые соединения. Сопротивление бетона ограничено величиной Rv. Об­ щим условием для второй и третьей категории конструкций являет­ ся соблюдение неравенства

Пт^ й пр,

где ат— величина раскрытия трещин от нормативных нагрузок без динами­ ческого коэффициента; апр — предельно допустимая величина раскрытия трещин.

Для второй категории допустимо ограниченное по ширине крат­ ковременное раскрытие нормальных и наклонных трещин.

К этой категории относят железнодорожные мосты со стержне­ вой напрягаемой арматурой, автодорожные мосты с проволочной и стержневой арматурой диаметром до 18 мм, сваи и конструкции, расположенные ниже уровня воды, и т. д. Сопротивление бетона для этой категории ограничено величиной 3Rv. Для третьей кате­ гории раскрытие нормальных и наклонных трещин допускается, а раскрытие продольных ограничивается путем введения проверки

44

по нормальным сжимающим напряжениям; допустимую величину трещин устанавливают в зависимости от вида арматуры и условий эксплуатации.

На основании соответствующих исследований в СССР и за ру­ бежом рекомендован дифференцированный подход к назначению величины раскрытия трещин в железобетоне в зависимости от по­ ложения поверхности, на которой она расположена, а также от среды, в которой эксплуатируется мост. Например, в США для же­ лезобетонных конструкций при эксплуатации в обычных условиях с защитой поверхности пленочными покрытиями допустимая вели­ чина раскрытия трещин рекомендована равной 0,25—0,3 мм, при применении химикатов для борьбы с обледенением проезжей части, а также при эксплуатации в зоне морского тропического климата

лена для нижних и вертикальных увлажняемых поверхностей в 0,2 мм, а для наклонных — 0,1 мм.

Опыт эксплуатации железобетонных пролетных строений пока­ зывает, что расчетные трещины в конструкции не снижают ее дол­ говечности, не вызывают усталостного разрушения и коррозии арматуры. Поэтому в последнее время получили распространение конструкции с уменьшенным, т. е. с неполным обжатием бетона, допускающим возможность возникновения в бетоне растягивающих напряжений, соответствующих появлению трещин с ограниченной величиной раскрытия от временных нагрузок.

Усилия натяжения арматуры на бетон с неполным обжатием назначают по условиям трещиностойкости и связанной с ней кор­ розии арматуры в конструкции. В этом случае величина раскрытия трещин от временных нагрузок не превосходит для проволочной арматуры 0,1—0,15 мм. При напрягаемой стержневой арматуре ве­ личина расчетного раскрытия трещин несколько больше.

Однако расчетные данные появления и раскрытия трещин часто не соответствуют действительному напряженному состоянию, зави­ сящему, помимо действующих силовых нагрузок, от состава бето­ на, условий изготовления, его возраста при загружении, характера распределения деформаций и других факторов. Поэтому в некото­ рых зарубежных странах также назначают дополнительно величины напряжений растяжения, которыми регламентируют с опреде­ ленным запасом величину раскрытия трещин. По опытным зару­ бежным данным, в зависимости от характера армирования появле­ ние трещин обычно вызывают растягивающие напряжения от 50 до 70 кгс/см2 (большие значения напряжений соответствуют кон­ струкции с рассредоточенной по сечению арматурой, меньшие — с концентрированной).

Под циклическим воздействием нагрузок в железобетонных кон­ струкциях наблюдаются усталостные явления и связанное с ними снижение несущей способности и трещиностойкости. Ввиду увели­ чения интенсивности движения во многих странах мира возникла

45

необходимость проведения специальных исследований, а также уточнения методов расчета и расчетных сопротивлений. Проф. Абельс (США), учитывая вероятность проявления, рекомендует не допускать трещин в конструкциях от нагрузок, превышающих 1% от расчетных при цикле в 10 млн. загружений. В этом случае кон­ струкции с неполным обжатием надежно работают на переменные нагрузки, так как микротрещины и видимые трещины открываются и закрываются без дальнейшего развития. Это обстоятельство име­ ет особое значение для автодорожных и городских мостовых кон­ струкций, в которых в эксплуатационный период в основном воз­ никают усилия, составляющие небольшую долю от расчетных.

Учет вероятности проявления расчетных нагрузок показывает, что продолжительность раскрытия трещин за период эксплуатации конструкции исчисляется коротким сроком и, следовательно, в обычных атмосферных условиях не влияет на коррозийную стой­ кость арматуры.

В то же время при уменьшенном обжатии снижаются местные напряжения в местах анкеровки арматуры, сокращаются возмож­ ности проявления отдельных дефектов во времени. По мнению не­ которых зарубежных специалистов, предварительно напряженные конструкции с неполным обжатием, обладая меньшей жесткостью, более надежны в работе на динамические нагрузки. Пролетные строения с неполным обжатием построены в ЧССР, ФРГ, Англии, США и некоторых других странах, а также в европейской части

СССР, где изготовлено и установлено около 400 балок автодорож­ ных пролетных строений длиной 16,76; 22,16 и 32,96 м.

Разработанные Киевским филиалом Союздорпроекта на базе типовых конструкций автодорожные пролетные строения пролета­ ми 15—30 м с неполным обжатием бетона позволили сократить расход напрягаемой арматуры на 10—15% с одновременным сни­ жением усилий обжатия. Проведенные испытания этих конструк­ ций показали существенные запасы против образования трещин. При величине испытательной нагрузки, равной 0,9—1,25 от расчет­ ной, вследствие включения дорожного покрытия в совместную работу и повышенной растяжимости бетона при напряжениях поряд­ ка 30—60 кгс/см2 видимых трещин не было обнаружено. Примене­ ние неполного обжатия в балочных конструкциях позволяет сни­ зить строительную высоту, что особенно важно для специфических условий: например, для сооружения путепроводов и эстакад с по­ вышенными архитектурными требованиями или в случае необхо­ димости сохранения существующих габаритов проезда.

Целесообразность применения неполного обжатия возрастает с увеличением пролета. В статически неопределимых системах при наличии минимального М\ и максимального Мг изгибающих момен­ тов от временной нагрузки для случая, исключающего появление расчетного растяжения, необходимо существенное повышение сжи­ мающих напряжений в период создания предварительного напря­ жения для восприятия АМ=Ш2—Mi. Расчеты на прочность в этом случае могут дать завышенные результаты.

46

напряжения в элементе. На этой стадии работы элемента дейст­ вует собственный вес его и предварительное напряжение. Опреде­ ляющим, как правило, является сжатие в бетоне нижней фибры. Эпюра Б соответствует работе элемента под наибольшими экс­ плуатационными нагрузками. В этой стадии геометрию сечения определяют фибровые напряжения в бетоне по верхнему и нижне­ му поясам, а также растяжение в арматуре. В предварительно напряженных железобетонных конструкциях с полным обжатием нижнего пояса растягивающих напряжений на этой стадии не до­ пускается. Эпюры Л и £ соответствуют работе материалов в упру­ гой стадии. Эпюра В — расчетная по прочности при проверке кон­ струкций принятым в СССР методом предельных состояний; с не­ которыми изменениями она используется в отдельных зарубежных странах.

Идентичность расчетных проверок отечественных и зарубежных предварительно напряженных конструкций в стадиях работы, соот­ ветствующих эпюрам А и Б, а также для некоторых случаев

работа бетона на растяжение при эксплуатации. Создание высоких сжимающих напряжений в бетоне при обжатии находится в пря­ мой зависимости от силы предварительного напряжения. Поэтому при одном и том же диапазоне работы бетона для однотипной кон­ струкции расход напрягаемой арматуры тем больше, чем выше за­ данные сжимающие напряжения ее от натяжения.

Так как зависимость пластических деформаций от величины сжимающих напряжений нелинейная, то при высоких значениях предварительного сжатия эффективный диапазон работы бетона от стадии А до стадии Б сокращается.

Один из способов, способствующих повышению эффективности железобетонных мостов, — это сокращение объемов конструкций за счет повышения прочности материалов.

47

Применение тяжелых бетонов высокой прочности марок 600 и 700 позволяет снизить собственный вес конструкции и их строитель­ ную высоту, а также улучшить технологию изготовления.

Ленгипротрансмостом составлено проектное задание опытного железнодорожного пролетного строения длиной 34,2 м из бетона М-700. Пролетное строение в основном повторяет применяемые типовые конструкции — оно двухблочное, предварительно напря­ женное с ездой на балласте и рассчитано под временную нагрузку С-14. За счет применения М-700 удалось снизить строительную вы­ соту на 10%, уменьшить объем бетона на 10—15% и уменьшить массу блока с изоляцией на 8—12%. Для пролетного строения длиной 34,2 м снижение массы блока — весьма существенный фак­ тор, так как дает возможность блоки с уложенной на заводе изо­ ляцией перевозить по железной дороге на открытом подвижном составе как габаритный груз.

Бетоны высокой прочности на легких заполнителях создают предпосылки для снижения веса как всей конструкции, так и от­ дельных сборных монтажных элементов. Получает распростране­ ние керамзитобетон как в обычных, так и предварительно напря­ женных конструкциях.

Керамзитобетонные конструкции могут успешно применяться только при высокой марочной прочности составляющих. При этом керамзитовый гравий должен иметь крупность зерен 10—20 мм, плотность 500—800 кг/м2, в конструкциях с предварительным натя­ жением прочность керамзитобетона должна быть не менее 300—350 кгс/см2 при плотности не более 1,9 т/мг. Легкие бетоны более низких марок целесообразны в конструкциях, работающих

48

на местные нагрузки и не оказывающих существенное влияние на усилия в основных элементах, выполненных из других материалов. К таким конструкциям относятся элементы надарочного строения, плиты проезжей части и тротуаров, подготовка под изоляцию и дорожная одежда. С уменьшением веса конструкции снижаются расход расчетной арматуры, трудоемкость и стоимость изготовле­ ния и монтажа в целом на сооружение.

Комбинированное по материалам балочно-неразрезное предва­ рительно напряженное железобетонное пролетное строение по схе­ ме пролетов 37,6+112,2 + 37,6 м принято по конкурсу в апреле 1970 г. к строительству для трех однотипных мостов в ФРГ. Боко­ вые пролетные строения и участки над промежуточными опорами законструированы из тяжелого бетона, а участок центрального пролета, равный 105,4 м и сооружаемый навесным бетонированием (панелями по 3,4 м), предусмотрен из легкого бетона плотностью 1,9 т/м3 при кубиковой прочности на сжатие до 450 кгс/см2 (среднее

ры на 17%.

Снижение расхода металла в железобетонных мостах можно получать за счет замены рабочей (расчетной) ненапрягаемой ар­ матуры на напрягаемую. Наряду с конструкциями, имеющими рас­ положение напрягаемой арматуры в рабочем направлении, приме­ няется двухплоскостное и объемное предварительное напряжение. Этим достигается создание в конструкции напряженного состояния, при котором как от действия расчетных усилий, так и местных на­ грузок снижается работа бетона на растяжение. Изгибом напря­ гаемых конструкций в рабочей плоскости или специальной верти­ кальной напрягаемой арматурой в вертикальных элементах создают напряжения, не требующие армирования конструкции расчет­ ными хомутами или косыми стержнями. Натяжением горизонталь­ ных конструктивных элементов поперек оси моста обеспечивается необходимая трещиностойкость при работе на местные нагрузки.

Для проектирования экономичных сооружений с максимальным использованием свойств материалов в конструкции нужны доста­ точно точные и всесторонние исследования ее работы на все виды внешних воздействий.

Современные железобетонные мосты, особенно больших проле­ тов, — это сложные статически неопределимые системы со значи­ тельным количеством лишних связей, что требует применения спе­ циальных математических методов (например, матричного аппа­ рата линейной алгебры) и расчетов на электронно-вычислительных машинах (ЭВМ). Разработанные научно-исследовательскими и проектными организациями программы направлены на решение задач, наиболее отвечающих специфике и требованиям отечествен­ ного мостостроения, — пространственным расчетам конструкций высоких свайных ростверков опор и бездиафрагменных пролетных строений.

49