CC BY
0
УДК 625.12(477)
КАЗАКОВА Е.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
ЩЕРБИНИНА Ю.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ исследования напряжений и деформаций в плитах безбалластного мостового полотна
Kazakova E.V. Senior Lecturer (DRTI) Shcherbinina Y.V. Senior Lecturer (DRTI)
Analysis of the study of stresses and deformations in ballastless bridge deck slabs
Введение
В последние годы резко возросла потребность в укладке безбалластного мостового полотна (БМП) при строительстве или капитальном ремонте железнодорожных мостов с
железобетонными плитами. Однако со значительным расширением
производства плит БМП определилась проблема обеспечения их
трещиностойкости. Во многих плитах, уложенных на мостах, через некоторое время после укладки возникают трещины, которые недопустимы для дальнейшей эксплуатации плит или значительно сокращают срок их службы. В тоже время есть мосты, на которых плиты уложены еще в 70-80-х годах прошлого столетия, и в них трещины не появились до сих пор.
Анализ последних исследований и публикаций
Последние годы эксплуатации железобетонных плит БМП
характеризовались появлением
массовых дефектов как БМП, так и
пролетных строений. В публикациях отмечалось выкрашивание и разрушение прокладного слоя, возникновение продольных трещин в плитах, появление продольных трещин в металлических стенках балок проезжей части, на которые опираются плиты БМП, ослабление натяжения шпилек и, как следствие, нарушение геометрических параметров крепления плит к балкам проезжей части, обрыв шпилек.
Многие авторы предлагали различные технические решения для усовершенствования конструкции БМП с целью повышения его эксплуатационной надежности и удобства укладки плит. Вопросам совершенствования конструкции
опирания плит посвящены работы А.Л. Брика, Ф.Г. Костырко, A.A. Долгой, A.A. Никитина, С.С. Ткаченко, A.M. Уздина, С.А. Шульмана, Е.М. Панина, А.Ю. Симкина, в которых помимо традиционного опирания плит на сплошной бетонной подливке предлагался переход на прокладочный слой с опиранием на дискретные опоры, а также использование податливых опорных элементов из дерева и резины.
Цель работы
Определение дефектов и повреждений, возникающих на стадиях изготовления, транспортировки и монтажа, а также видов трещин, которые могут возникать при действии на железобетонные конструкции нагрузок и всевозможных воздействий.
Проведение исследований для определения причин возникновения трещин в железобетонных плитах БМП и определение факторов влияния на их образование являются целью проделанной работы.
Основная часть
Для определения причин возникновения трещин в данных плитах были проведены исследования, которые включают в себя оценку влияния на возникновение трещин
производственных факторов, в том числе измерение напряжений и прогибов в плитах БМП при их испытании нагружением.
Определимся, какие же дефекты и виды трещин образуются в железобетонных конструкциях.
В железобетонных конструкциях возможны дефекты и повреждения, которые могут возникнуть на этапах производства, транспортировки и укладки.
Эти дефекты и повреждения могут быть вызваны различными причинами, включая технологические трещины, температурно-усадочные повреждения и дефекты бетонирования.
Технологические трещины могут появиться из-за усадочных деформаций или неравномерной осадки бетона.
Температурно-усадочные повреждения могут возникнуть из-за плохой тепловлажной обработки бетона.
Дефекты бетонирования могут включать раковины, каверны, обнажение арматуры и недостаточную толщину защитного слоя.
Другие повреждения включают сколы бетона, трещины из-за непредвиденных воздействий и трещины, возникающие в процессе складирования и транспортировки элементов.
При воздействии нагрузок и внешних факторов на железобетонных конструкциях могут появляться различные виды трещин. Это могут быть силовые трещины в бетоне, которые проходят поперек растянутых элементов и зон изгиба, а также продольные трещины в сжатых элементах. Также могут образовываться косые (наклонные) трещины в стенках балок. Кроме того, могут возникать трещины в местах установки напряжённой арматуры, на опорах и других участках, вызванных местным воздействием нагрузки. Расчеты по трещиностойкости и прочности сжатой зоны бетона позволяют ограничить образование и раскрытие данных трещин.
Рассмотрим схему опирания плиты на специально изготовленном прессе для заводских испытаний шпал на трещиностойкость, которая соответствует эксплуатационному
положению плиты на стальных поперечных балках пролётного строения моста (рис. 1).
Передача испытательной нагрузки осуществляется по схеме на рис. 1(б). Нагрузка передавалась при помощи пресса через измерительные месдозы, которые показывают величину испытательного усилия на рельс (рис. 2). Установленную нагрузку
фиксировали 10 минут, после чего ее снизили до 0 [1]. Всего было выполнено 5 нагружений.
а)
б)
Рис. 1. Схема специального испытательного пресса (а) и схема нагружения плиты при
испытаниях (б)
Измерение прогибов выполнили с помощью двух специальных
измерительных приборов, которые закрепляли на боковых гранях с двух сторон плиты, фиксируя прогиб с помощью индикаторов часового типа 1 и 2 (рис. 2). Прибор состоит из горизонтальной легкой пустотелой дюралюминевой планки квадратного профиля длиной 2,5 м сечением 2х2 см, установленной на двух дюбелях, вклеенных в просверленные отверстия в точке пересечения нейтральной оси плиты с вертикальной осью над проложенным слоем. На планке прикреплен индикатор перемещений часового типа (цена деления 0,01 мм), подвижный стержень которого
упирается в упорный столик под планкой. При таком закреплении индикатора прогиб посередине плиты превращался в перемещение между горизонтальной планкой и упорным столиком, передавая величину прогиба через подвижный стержень индикатора на его часовой механизм.
Измерение напряжений сжатия и растяжения выполняли с помощью датчиков (проволочных тензометров сопротивления), расположенных как на рис. 3. Деформации датчиков регистрировали с помощью
тензостанции на 15 датчиков, что предварительно тарировали с помощью стандартной стальной балки.
Рис. 2. Измерительный электронный мост тензостанции для измерения напряжений
Рис. 3 - Схема расположения датчиков тензометра
В соответствии с полученными результатами, были построены графики изменения напряжений в зависимости от стадии нагружения. Наиболее характерные из них приведены на рис. 4. Анализируя данные графики видно, что наиболее напряжённым является среднее сечение плиты БМП, где сжимающие напряжения составили 3,811 МПа (датчики 3, 5, 6), а средние растягивающие напряжения составили 7-12 МПа (датчик 9-10). Максимальное напряжение сжатия достигнуто величиной 11 МПа (3-го нагружения), а максимальное напряжение растяжения -18,8 МПа (1-го нагружения).
Характерными являются
остаточные напряжения сжатия после
снятия нагрузки по окончанию 1-го и 2-го нагружений. После 3-го, 4-го и 5-го нагружений напряжение сжатия практически приближается к 0. Остаточное напряжение растяжения остаётся только после первого нагружения.
На поверхности плиты, в зоне между шпильками и рельсом, через которую передаются напряжения на шпалу соответственно датчики 1, 2 и 13, а также 7, 8 и 14, возникают значительно меньшие сжимающие напряжения, средняя величина которых составляет 0,2-3 МПа. После снятия нагрузки остаточные напряжения незначительные, изменяются в пределах от 0,2-0,3 МПа (сжимающие) до 0,3-
0,5 МПа (растягивающие). Эти данные свидетельствуют о том, что при нагружении плиты испытательные нагрузки, переданные через рельс (19 т на каждый рельс), переводят схему работы плиты в сгибаемую на двух деревянных опорах (с незначительным защемлением на опорах) с резиновыми прокладками и нагрузкой от рельса от
середины опор, что и приводит к сжатию в местах датчиков 1, 2, и 13. После снятия нагрузки схема плиты изменяется таким образом, что нагрузка от шпилек остается вне опор, это и приводит к резкому уменьшению напряжений на поверхности плиты и появлению растягивающих напряжений (3-го и 5-го нагружений).
3-енагружение (1, 2, 13 датчики)
3-е нагружение (9, 10 датчики)
Стадии нагружения
Стадии нагружения
а 11
10
1
§ с
ин
е 1
яжр ■3
я
3-енагружение (3, 5 ,6 датчики)
*
- -......
Стадии нагружения
а
§
5
яж
6
й X
3-е нагружение (7, 8 ,14 датчики)
1
Щ ]
•
2 > Стадии нагружения
3-е нагружение (15 датчик)
н
е
а
X
Стадии нагружения
Рис. 4. Напряжения в плите в местах размещения датчиков
В месте расположения 15 -го датчика (рядом с рельсом к середине опор) возникают сжимающие напряжения, близкие по величине к напряжениям посередине плиты, что отвечает расчетной схеме (рис. 1).
Проанализируем характер
изменения прогибов при испытательных нагрузках плиты БМП, величины которых приведены на рис. 5 и 6.
Прогибы 1-й датчик
0
-0,2
•0,4
й а
ю" •0,6
и г о р •0,8
Пр
•1
•1.2
л \
♦X ■ < I 11—
1
5 10
Стадии нагружения
15
20
Рис. 5. Изменение прогибов в середине плиты БМП при ее загрузке (1-й датчик-
индикатор)
•0.1
-0.15
а -0.2
а
ю" и г -0 2Ь
о о
Пр -0.3
-0,35
Прогибы 1 -й датчик
12 3 4 5
Нагрузки
Рис. 6. Остаточные прогибы в середине плиты БМП (1-й датчик-индикатор)
Как видим из графика изменения прогибов на 1-м датчике, характер возникновения и исчезновения прогибов при передаче и снятии нагрузки в основном повторяются. Изменения величин прогибов от количества нагрузок не наблюдаются. Вместе с тем, очень четко проявляются возникновение и накопление
остаточных прогибов деформаций.
Так, на 1-м датчике остаточный прогиб сразу после снятия нагрузки составил -0,3 мм, на следующий день, через сутки, он уменьшился до -0,17 мм.
По показаниям 2-го датчика, прогиб снизился до этой величины (-0,17 мм) после 2-го, а после завершения 3, 4, 5-го нагружений абсолютная величина прогиба существенно увеличивалась, особенно на 2-м датчике, и достигла величины -0,33 мм.
Таким образом, испытания железобетонных плит БМП показали, что в бетоне в сжатой зоне даже за 5 циклов нагружений и разгрузок в железобетонной плите определяются нарастающие с каждым циклом остаточные прогибы. Величины
сжимающих напряжений во всех участках плиты значительно ниже, чем прочность бетона на сжатие и ниже порога микротрещинообразования бетона плиты (30% [2] от прочности), что составляет 15 МПа для бетона плит БМП. При таких напряжениях не может возникнуть разрушение плит по прочности.
В то же время средние напряжения, которые растягивают, в середине плиты достигают 12 МПа, при этом сторона плиты со стороны 9-го датчика перегружена больше, чем в 2 раза по сравнению с зоной со стороны 10-го датчика. Напряжения в зоне 9-го датчика не превышают прочность бетона плиты при растяжении (приблизительно 50 МПа) и свидетельствуют о невозможности возникновения трещин в этой зоне. Напряжения в зоне 10-го датчика (3-5 МПа) также не превышают прочность бетона при растяжении.
Оценим величину раскрытия трещины после ее возникновения в зоне 9-го датчика в соответствии с величиной растяжения арматуры.
Напряжение растяжения арматуры при напряжении в бетоне арБ = 12 МПа составляет
0м = Еа/Еб • <гРБ = 6,5 • 12 = 78 МПа
где Еа/Еб - отношение модулей упругости арматуры и бетона [3].
Деформация растяжения арматуры по длине 2000 см составляет:
М = (78 + 0)/2/200000 ■ 2000 = 0,39 мм
В случае возникновения единой трещины её величина превышает размер трещины 0,2 мм (для железобетонных изделий [3]). В зоне 10-го датчика соответственно
<гРА = 6,5 • 5 = 32,5 МПа,
а деформация растяжения арматуры:
M = (32,5 + 0)/2/200000 ■ 2000 = 0,17 мм
Выводы
Таким образом, вышеизложенные результаты свидетельствуют о том, что наиболее вероятное влияние на возникновение и постепенный рост остаточных прогибов и, соответственно, трещин в плите, придают бетону быстротекучую ползучесть в сжатой зоне, в частности, повторение деформаций (при каждом цикле нагружения).
В свою очередь повторение деформаций быстротекучей ползучести зависит от заводских факторов -свойств материалов, состава бетона, марки цемента и наполнителей, режимов тепловой обработки, расположения арматурного каркаса и др.
Список литературы:
1. ГОСТ 8829-2018 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. / МГС РФ. М.: Стандартинформ, 2019 - 16 с.
2. Высокопрочный бетон. О.Я. Берг и др. - М.: Госстройиздат, 1971. -208 с.
3. ГОСТ 32.72-97. Плиты железобетонные безбалластного мостового полотна для металлических пролетных строений железнодорожных мостов. Общие технические условия. / МПС РФ. М.: Департамент пути и сооружений МПС России, 1997.
Аннотации:
В статье исследованы напряжения и деформации, возникающие на стадиях изготовления, транспортировки и монтажа железобетонных плит БМП, а также виды трещин, которые могут возникать при действии на железобетонные конструкции нагрузок и воздействий.
Проведен анализ полученных результатов при проведении испытаний и определены причины возникновения трещин в плитах БМП. Дана оценка влияния производственных факторов на образование трещин, в том числе измерение напряжений и прогибов в плитах БМП при их испытании нагружением.
Ключевые слова: безбалластное мостовое
полотно, повреждения плиты,
трещинообразование, деформации, напряжения.
The article examines the stresses and deformations that occur at the stages of manufacturing, transportation and installation of reinforced concrete slabs of BMP, as well as the types of cracks that can occur when loads and impacts act on reinforced concrete structures.
The analysis of the results obtained during the tests was carried out and the causes of cracks in the plates of the BMP were determined. The assessment of the influence of production factors on the formation of cracks, including the measurement of stresses and deflections in BMP plates during their loading test, is given.
Keywords: ballastless bridge deck, damage to slabs, cracking, deformations, stresses.
