5. Определение установочного размера деформационного шва

Установочный размер шва  это ширина зазора деформационного шва, которую последний имеет при установке его в мостовое сооружение. Установочный размер шва должен быть равен строго определенной величине, зависящей от температуры пролетных строений в момент установки, иначе расчетный диапазон перемещений пролетных строений может не совпасть с допустимым диапазоном перемещений деформационного шва и выйти за его пределы при минимальной, либо максимальной температуре мостового сооружения (см. п. 2.1.1.). На практике установочный размер определяют с помощью специальных таблиц (прилагающихся к данному типу шва), в которых дается зависимость установочного размера шва от температуры пролетных строений (за которую, как правило, принимается температура окружающего воздуха).

Когда конкретный деформационный шов для данного мостового сооружения уже подобран, при определении его установочного размера следует исходить из того, что середина расчетного диапазона перемещений пролетного строения должна по-возможности соответствовать середине допустимого диапазона перемещений деформационного шва. Практически, нам можно принимать за установочный размер величину зазора деформационного шва, соответствующую температуре окружающего воздуха, равной +10 ^оС [2], при которой зазор деформационного шва приблизительно равен половине расчетного максимального зазора.

3. Пример выполнения Лабораторной работы

Задание:

Мост: разрезной, выполнен по схеме 18+33+18 (рис. 15), габарит проезжей части Г-10.

Пролетное строение: бездиафрагменное каркасное железобетонное при расстоянии между балками 1,7 м, полная ширина моста 12,5 м, расчетная площадь поперечного сечения главных балок 3,15 м², момент инерции сечения 0,0404 м⁴, бетон балок класса В22,5.

Категория дороги: III.

Угол установки деформационного шва по отношению к оси моста φ₁: 0^о.

Угол между направлением движения опорных частей и осью моста φ₂: 0^о.

Срок эксплуатации: 1,5 года.

Район расположения моста: г. Саратов.

Температура в момент установки деформационного шва T_уст: +10^о.

Примечание: расстояние от торцевых сечений до надопорных принимать во всех случаях равным 0,3 м.

Рис. 15.

Цель работы: определить перемещения концов пролетных строений, подобрать тип шва для полученного перемещения.

1. Определим климатические характеристики района строительства. В соответствии с табл. 1 и 2 СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [3], для г. Саратова имеем:

Таблица 7

Абсолютная минимальная температура воздуха, Тmax, °С (табл. 1. [3]).	-37
Абсолютная максимальная температура воздуха, Тmin, °С (табл. 1. [3]).	+41

Расчетный диапазон изменения температур вычисляем согласно (1):

Δt= |Т_max| + |Т_min| = |-37| + |+41| = 78 (°С)

Температура установки деформационного шва T_уст равна +10 ^оС.

2. Вычисляем перемещения концов пролетного строения.

1. Линейные горизонтальные продольные и поперечные пере­мещения сопрягаемых концов пролётных строений, равномерные по длине шва.

   1. От равномерного изменения температуры окружающей среды:

Поскольку пролетные строения железобетонные, действие п. 5.10. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» [6] на них не распространяется. Поэтому расчет ведем по формуле (2):

,

где:

1,2 – коэффициент надежности для температурных воздействий [2];

  коэффициент температурного расширения, равный для бетона _б = 1·10^-5 К^-1;

Δt  расчетный диапазон изменения температуры для данной местности, вычисленный выше, (равен 78 ^оС);

l  расчетная длина «цепи», с которой собираются перемещения (длина части моста, взятой между соседними неподвижными опорными частями) будет равна: l = 18+33 = 51 (м). Третий пролет, длиной 18 м, в расчете не учитываем, поскольку интересующий нас деформационный шов расположен на участке 18+33 м (пролеты 1 и 2) между неподвижными опорными частями, установленными на опорах 0 и 2. Следовательно, перемещения от температурных воздействий для деформационного шва (Д. Ш.) собираются только с пролетов 1 и 2.

Рис. 16.

Тогда:

2. От усадки и ползучести бетона.

Возраст бетона к моменту установки деформационных швов равен 1,5 года. Следовательно, необходимо учитывать ползучесть бетона (так как Т_б = 1,5 года < 10 лет), а также усадку (так как Т_б = 1,5 года < 5 лет для районов с умеренным и холодным климатом, к которым относится г. Саратов).

Поскольку возраст бетона к моменту установки деформационных швов не превышает 2 лет, допустимо пользоваться данными табл. 4, содержащей значения суммарной деформации пролетных строений от действия усадки и ползучести бетона в зависимости от возраста бетона Т_б.

Возраст бетона равен 1,5 года, или 18 месяцев. Тогда из табл. 4 получим суммарную деформацию для пролетного строения длиной 18 м от действия усадки и ползучести бетона Δ_{б.прод.18} = 0,12 см, а для пролетного строения длиной 33 м  Δ_{б.прод.33} = 0,25 см. Общая ожидаемая в будущем деформация цепи длиной 51 м от действия усадки и ползучести бетона с учетом коэффициента надежности γ=1,1 будет равна:

Δ_б.прод. = 1,1·(Δ_{б.прод.18} + Δ_{б.прод.33}) = 1,1·(0,12+0,25) = 1,1·0,37 = 0,41 (см)

3. От действия тормозной силы и силы тяги транспортных средств.

,

где:

 полная длина пролетного строения. Для пролетного строения 1 , для пролетного строения 2;

Е  модуль упругости материала пролетного строения. Оба пролетных строения изготовлены из бетона класса В22,5, поэтому во всех случаях принимаем Е по табл. 28 СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» [6], в которой бетону класса В22,5 соответствует E = 28,5·10³ МПа = 28,5·10⁹ Па;

F  площадь поперечного сечения пролетного строения;

 усилие от торможения и силы тяги транспортных средств, принимаемое равным 75,46 кН для дороги III категории (согласно п. 2.19*. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» [6] при расчете деформационных швов автодорожных мостов).

Для пролетного строения 1:

Для пролетного строения 2:

Тогда:

Δ^г_{вр.прод (+)} = Δ^г_{вр.прод (+)1} + Δ^г_{вр.прод (+)2} = 0,002 + 0,003 = 0,005 (см)

Δ^г_{вр.прод (-)} = Δ^г_{вр.прод (-)1} + Δ^г_{вр.прод (-)2} =  0,002  0,003 =  0,005 (см)

Суммарное перемещение от действия тормозной силы и силы тяги транспортных средств:

Δ^г_{вр.прод} = | Δ^г_{вр.прод (+)} | + | Δ^г_{вр.прод (-)} | = |0,005| + |-0,005| = 0,01 (см)

Поскольку мост не косой и угол между швом и направлением движения опорной части равен 90°, приведения полученных перемещений пролетных строений к перемещениям деформационного шва не требуется.

2. Линейные вертикальные относительные смещения сопрягаемых концов пролётных строений, одинаковые по длине шва.

1. Перемещения, возникающие при подъеме пролетного строения на опоре.

Поскольку мост имеет пролетные строения с железобетонными бездиафрагменными балками длиной 18 и 33 м, что больше 8,66 но не превышает 33 м при расстоянии между балками 1,7 м, и при габарите Г-10, высота подъема в зоне установки деформационных швов, определенная по табл.5 составляет:

Δ_под.оп. = 2Δ₁ = 2·0,17 = 0,34 (см)

Поскольку пролетные строения разрезные, необходимо учитывать перемещения от действия временных вертикальных нагрузок Δ_верт.

Перемещение от временной нагрузки будет максимальным при загружении пролета 2 временной нагрузкой, причем пролет 1 при этом должен быть незагруженным.

Используя формулу (19) для определения Δ_верт от действия двух полос временной нагрузки (А-11) в случае разрезного балочного пролетного строения, имеем:

,

где:

l_конс  консоль пролетного строения (расстояние от надопорного сечения до торцевого сечения балки), равная по заданию 0,3 м;

l  расстояние между местами установки опорных частей пролетного строения, l = 33  2· l_конс = 33  2·0,3 = 32,4 м;

Е  модуль упругости бетона пролетного строения (бетон класса В22,5), равный E = 28,5·10³ МПа = 28,5·10⁶ кПа;

J  момент инерции сечения, равный по заданию 0,0404 м⁴;

ω, y₁, y₂  площадь и ординаты линии влияния опорной реакции для пролетного строения, определенные из рис. 17:

Рис. 17. Линия влияния и ее загружение для пролетного строения длиной 33 м

Тогда Δ_верт равно для второго пролета:

3. Угловые перемещения в продольной вертикальной плоскости, равномерные по длине шва.

Рассматриваемое угловое перемещение определено выше (выражение для него заключено в скобки в предыдущей формуле). Оно равно: α_верт =0,2536 рад.

4. Угловые перемещения в поперечной вертикальной плоскости, вызывающие неравномерные относительные смещения сопрягаемых пролётных строений.

Угловые перемещения найдем из геометрических соображений, исходя из рис. 18. Поскольку расстояние между осями балок 1,7 м, между осями крайних балок расстояние составит В = 7·1,7 = 11,9 (м). Полная ширина моста по заданию В_п = 12,5 м. Тогда длина консольной части плиты:

l_конс.п.= 0,5·( В_п  В) = 0,5·(12,5  11,9) = 0,3 м = 30 см

Максимальная неравномерность подъема соседних балок на опоре Δ₁ = 0,17 см (табл. 5) при общей неравномерности в пределах 2·Δ₁.

Тогда тангенс угла наклона составит:

tan_поп = Δ₁/1,7 = 0,17/1,7 = 0,1

_поп = arctan_поп = 5,711 (рад)

Рис. 18.

В итоге вертикальное перемещение, с учетом полученного углового перемещения, будет равно:

Δ_{верт.угл.} = 2·Δ₁ + l_конс.п· tan_поп = 2·0,17 + 30·0,1 = 3,34 (см)

5. Угловые перемещения в горизонтальной плоскости, как следствие неравномерных линейных деформаций сопрягаемых пролётных строений по длине деформационного шва.

Поскольку мост в плане расположен на прямой, давление ветра и неравномерный по сечению нагрев мы не рассматриваем, указанные перемещения отсутствуют.

3. Суммируем полученные перемещения по трем основным направлениям.

1) Перемещение Δ_прод.

Δ_прод = Δ_т.прод + Δ_б.прод + Δ^г_{вр.прод (+)} + Δ^г_{вр.прод (-)},

где:

Δ_т.прод  температурное перемещение, равное 4,84 см;

Δ_б.прод  перемещения от усадки и ползучести бетона, равные 0,41 см;

Δ^г_{вр.прод (+)}, Δ^г_{вр.прод (-)}  перемещения от торможения (силы тяги) транспорта, направленные на растяжение и сжатие смежных пролетных строений соответственно, равные в сумме Δ^г_{вр.прод} = Δ^г_{вр.прод (+)} + Δ^г_{вр.прод (-)} = 0,01 см.

Тогда:

Δ_прод = 4,84 + 0,41 + 0,01 = 5,26 (см)

2) Перемещение Δ_верт.

Δ_верт = Δ^в_{вр.верт}, (21)

где:

Δ^в_{вр.верт}  сумма вертикальных перемещений от временной подвижной нагрузки Δ_верт = 0,133 см и вертикальных перемещений от подъема пролетного строения на опоре с учетом неравномерности этого подъема Δ_{верт.угл.} = 3,34 см,

Δ_верт = Δ^в_{вр.верт} = Δ_верт + Δ_{верт.угл.} = 0,133 + 3,34 = 3,47 (см)

3) Перемещение Δ_поп.

Горизонтальные поперечные перемещения Δ_поп не учитываются, поскольку мост не косой и угол между направлением движения опорной части равен 0^о.

4. Подбираем деформационный шов. Полученные расчетные перемещения сведем в таблицу (табл. 8):

Таблица 8

Наименование перемещений	Значение, мм
Перемещение Δпрод	52,6
Перемещение Δверт	34,7
Перемещение Δпоп	

Полученным значениям перемещений удовлетворяет деформационный шов фирмы «Maurer Söhne», типа Girder Grid Joints (типоразмер D320) [14]. Его характеристики приведены в табл. 9.

Таблица 9

Параметры шва		Допускаемые перемещения
кол-во балок	тип	Δпрод	Δпоп	Δверт
4	D 320	320	20	40

5. Определяем установочный размер шва.

Установочный размер при температуре + 10 ^оС равен Т_уст =320/2 = 160 (мм).

Выводы:

По результатам работы можно сказать следующее:

1. горизонтальное перемещение от действия температуры оказалось равным 5,26 см, тогда как это перемещение, вычисленное по стандартной формуле меньше: ;

2. Суммарное перемещение от действия тормозной силы и силы тяги транспортных средств, определения которого требует СНиП 2.05.03-84* [6], равно несущественной величине 0,01 см и в случае малых пролетов, видимо, могло бы не учитываться;

3. Вертикальное перемещение от временной подвижной нагрузки составляет всего 0,133 см, а от подъема пролетного строения на опоре  0,34 см, тогда как учет неравномерного подъема сразу дает прибавку еще в 3 см, что заставляет использовать деформационный шов, допустимые горизонтальные перемещения которого больше необходимых в 6 раз. В свете этого, очевидно, использование иной технологии подъема пролетных строений на опоре, обеспечивающей равномерный подъем, либо временный демонтаж шва, либо использование меньшего значения Δ₁, даст существенную выгоду, позволив применить, к примеру, однопрофильный деформационный шов «Maurer Söhne» типоразмера D80, с допускаемым горизонтальным перемещением 80 мм (больше расчетного примерно на 40%), что более рационально. К слову, для данных величин пролетов на практике и применяются как раз такие типоразмеры деформационных швов.