CC BY
40
УДК 624.94.012.45
КАЗАКОВА Е.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ трубобетонных конструкций при строительстве мостов
Kazakova E.V., Senior Lecturer (DRTI)
Analysis of pipe-concrete structures in the construction of bridges
Актуальность темы
Современные технологии в сфере строительства мостов позволяют не только увеличить их надежность, но и значительно ускорить темпы строительства. Сейчас во многих странах получил распространение такой вид монолитных железобетонных конструкций, как трубобетон, его использование позволяет увеличить сейсмостойкость мостов в несколько раз. Трубобетонные конструкции экономичны. Их применение уменьшает вес сооружений в 2-3 раза, трудозатраты в 4-5 раз, стоимость в 2-3 раза по сравнению с железобетонными. По сравнению с металлическими конструкциями при незначительном увеличении веса достигается
существенное снижение стоимости (до 40%) и уменьшение расхода стали (в 2-3 раза). Несмотря на это, использование трубобетонных конструкций
сдерживалось тем, что была недостаточно исследована работа конструкций при внецентренном сжатии, усадке и ползучести бетона в трубе, длительном загружении и др., был мало изучен процесс заполнения труб бетоном и др.
Цель работы
Теория и практика строительства применения трубобетона в зарубежных
странах свидетельствует о том, что трубобетон помимо высокой силы сжатия, легкости, устойчивости к нагрузкам, ударостойкости обладает еще следующими преимуществами:
- стальные трубы уже самой своей геометрической формой обеспечивают экономить на стройматериалах для опалубки, а также использовать передовые методы заливки бетона с помощью насосов;
- стальные трубы уже сами по себе являются арматурой, принимая на себя как продольные, так и поперечные нагрузки. Изготовление стальных труб по сравнению с изготовлением стальной арматуры экономичней как по затратам стали, так и по трудоемкости.
- объем сварных работ со стальными трубами неизмеримо меньше объема работ по сварке обычной арматуры, что дает возможность упростить технологию и сократить сроки строительных работ, уменьшить количество строительных лесов, уменьшить площадь производства работ. В северных районах в зимнее время можно вести сварку стальных труб, а их заливку бетоном производить весной, что дает возможность вести строительство круглый год без какой-либо сезонности.
Хотя прочность трубобетона изучалась многими исследователями на протяжении десятков лет,
существующие методы расчета
существенно отличаются друг от друга. В них не учитываются в комплексе свойства материалов, неполно отражаются основные особенности и специфика сопротивления трубобетона деформированию в зависимости от характера действующей нагрузки.
Кроме того, открывается перспектива использования в трубобетонных конструкциях
высокопрочных бетонов, что так же позволит существенно снизить размеры поперечных сечений конструкций, а, следовательно, и общие затраты на строительство [3].
Основной материал
Началом широкого развития трубобетонных конструкций следует считать появление монотрубной системы. В 40-х годах проф. В.Л. Росновский предложил использовать в качестве конструктивного элемента мостов одну тонкостенную стальную трубу, заполненную бетоном, и в ряде проектов [1] показал ее преимущества по сравнению с обычными решениями. Им были предложены различные конструкции мостов с применением такого решения, а впоследствии по одному из этих предложений был построен железнодорожный мост через р. Исеть вблизи г.Каменск-Уральского (рисунок 1).
Рис. 1. Трубобетонный мост через р. Исеть
Главный речной пролет моста перекрыт сквозной аркой пролетом 140
м и стрелой подъема 22 м. Высота арочных ферм на среднем участке - от 1Д до 3Д пролета - одинакова и равна 6 м. На концевых участках пояса очерчены по двум параболам, сближающимся к опорным узлам. Расстояние между арочными фермами составляет 7 м, т. е. 1-го пролета. Длина панелей арки 6,083 м.
Пояса арок выполнены из труб диаметром 820Х Х13 мм, изготовленных из стали марки СтЗ, заполненных бетоном марки В 350. Трубы имеют в стыках фланцевые соединения на ботах. Элементы решетки, т.е. раскосы и стойки, металлические двутаврового сечения. Продольные горизонтальные связи расположены в плоскостях верхнего и нижнего поясов арки. Поперечные связи имеются лишь в пределах высоты ферм и расположены через панель в плоскостях над арочных стоек.
Связи представляют собой ромбическую систему с
металлическими элементами крестового сечения. Все соединения металлических элементов пролетного строения электросварные. Над арочные стойки изготовлены из труб, заполненных бетоном. Учитывая большую горизонтальную жесткость проезжей части, поперечные связи между стойками не поставлены. Применение трубобетона в мосту на р. Исеть снизило стоимость строительства на 20% и позволило сэкономить 52% стали [1].
Монотрубобетонные арки успешно используются в автодорожных мостах [1] в качестве поясов подпружных систем (рисунок 2). При ширине проезжей части моста 21 м затрачивается 195 кг стали на 1 м2 ее горизонтальной проекции, т.е. почти столько же, сколько в самых современных железобетонных
предварительно-напряженных мостах, и
в несколько раз меньше, чем в обычных железобетонных мостах аналогичных размеров, масса стали в которых достигает 675 кг/м2.
Рис. 2. Автодорожный трубобетонный мост с вантовой решеткой, с трубобетоном в верхнем поясе
В мостовых фермах [1] для сжатых поясов из стальных труб, заполненных бетоном, нужно в 8 раз меньше стали, чем для обыкновенных стальных. Масса ферм при этом увеличивается лишь на 14 %. Поскольку усилия в поясах от их веса составляют незначительную долю полных расчетных усилий, увеличение последних, вследствие замены части металла бетоном, получается около 3% и им можно пренебречь. Конструкции сжатых поясов из труб, заполненных бетоном, в 5 раз дешевле по сравнению с чисто металлическими. В целом сметное удешевление мостов с пролетным строением в виде свободно опирающихся ферм достигает 20-25%, а экономия стали - 40-60%.
Трубобетонный стержень является комплексной конструкцией, состоящей из стальной трубы и бетонного ядра, работающих совместно. Такая конструкция обладает многими положительными качествами.
Прочность бетонного ядра, стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с первоначальной. Исследованиями [1] установлено, что вместо ожидаемой усадки происходит набухание бетона в трубе и его расширение, сохраняющееся на протяжении многих лет, что создает
благоприятные условия для его работы. Разбухание характерно для бетона, не только заключенного в стальную трубу, но и изолированного любым другим способом от окружающей среды, что подтверждается известными опытами О. Я- Берга с изолированными бетонными образцами [2]. Причиной разбухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой. В упомянутых опытах через 135 дней на одном из образцов была снята изоляция, что вызвало быстрое развитие деформаций усадки, которые стали почти такими же, как и у аналогичных неизолированных образцов. Величины усадочных продольных деформаций изолированного образца весьма незначительны. Это является одним из преимуществ трубобетона в сравнении с железобетоном.
Эксперименты [2] показывают, что в неизолированном бетоне нагрузка вызывает более значительную деструкцию во времени, чем в изолированном. В неизолированном бетоне развитие микротрещин все время прогрессирует, у изолированного бетона при том же напряжении оно полностью прекращается в первые 2-3 дня. В неизолированных образцах нелинейность деформаций ползучести наблюдается в течение 20-30 суток, а в изолированных нелинейность исчезает при аналогичных напряжениях в первые 2-7 суток.
Заполнение стальной трубы бетоном повышает ее противокоррозионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, уменьшает гибкость элементов, увеличивает местную устойчивость стенок трубы, повышает сопротивление оболочки вмятию в узлах сопряжений и при ударных воздействиях во время транспортирования и монтажа.
Наружная поверхность
трубобетонных конструкций примерно
в 2 раза меньше, чем конструкций из профильного проката, вследствие этого у них меньше расходы по окраске и эксплуатации. На цилиндрических поверхностях задерживается меньше пыли и грязи, являющихся активизаторами процессов атмосферной коррозии, поэтому трубобетонные конструкции имеют повышенную коррозионную стойкость.
Использование цилиндрических стержней в сооружениях,
подверженных ветровым нагрузкам, позволяет снизить эти нагрузки за счет улучшения аэродинамических свойств. Стержень круглого сечения является равноустойчивым при одинаковых расчетных длинах. Жесткость на кручение такого стержня значительно выше, чем у стержней открытого профиля. При применении
трубобетонных конструкций не требуется покраски, металлизации или герметизации внутренних поверхностей труб, что необходимо для трубчатых конструкций, не заполненных бетоном.
Трубобетонные конструкции имеют преимущества по сравнению с железобетонными. Известно, что применение железобетонных
конструкций позволяет экономить сталь на фермы до 40%, на балки до 20%, на колонны 50-70%. Однако при этом стоимость возведения железобетонных конструкций выше, чем стальных: ферм до 40%, подкрановых балок до 55%, колонн до 35% [1].
При широком применении трубобетонных конструкций необходим индустриальный и
высокопроизводительный способ
заполнения труб бетоном,
обеспечивающий высокую прочность и однородность бетонного ядра. Существуют три способа уплотнения бетона в трубах: глубинным вибрированием, штыкованием и внешним вибрированием. Глубинное
вибрирование осуществляется
глубинными вибраторами, вводимыми в бетон, оболочка стержня при этом неподвижна. Способ применяется при больших диаметрах труб ^>100 мм). Штыкование бетона производят вручную стержнями, длина которых больше длины трубы. Оболочка стержня при этом способе также неподвижна, а бетон уплотняется под воздействием перемещаемых стержней. При штыковании получается плохое качество бетона. Наиболее
эффективным и универсальным является внешнее вибрирование, осуществляемое с помощью вибростола с вертикальными гармоническими колебаниями. При этом способе трубы, прочно прикрепленные к вибростолу в вертикальном положении, вибируют вместе с ним. Бетон подается сверху через загрузочные воронки в вибрирующую трубу, заполняет ее и одновременно уплотняется [2].
Выводы
Широкое применение
трубобетонных конструкций при строительстве и реконструкции мостов сдерживается отсутствием нормативных документов по их проектированию и расчету. Несмотря на весьма обстоятельные исследования в этой области, надо признать, что до сих пор нет надежной и приемлемой для практического использования расчетной модели трубобетонного сечения в предельном состоянии, адекватно отражающей его специфические особенности. Это и неудивительно, принимая во внимание серьезные и многочисленные трудности,
обусловленные сложностью самой системы "ядро-оболочка", работающей в условиях объемного сжатия, и сложностью описания процессов
перераспределения усилий между компонентами системы в этих условиях.
Поэтому можно полагать, что дальнейшие исследования в этой области необходимы, полезны и перспективны [4].
Список литературы:
1. Кикин А. И., Санжаровский Р. С, Трулль В. А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. М., Стройиздат, - 1974.
2. Лукша Л.К. Прочность трубобетона. Минск: Высшая школа, -1977.
3. Иир://ёо цепё. ги/ёосБ/тёех-403383.html
4. КйрБ ://паикоуеёете. т/РРР/02 TVN116.pdf
Аннотации:
Трубобетон обладает исключительно высокой несущей способностью при небольших поперечных сечениях, являясь прекрасным примером сочетания выдающихся способностей металла и бетона. При этом стальные трубы выполняют роль несъемной опалубки при бетонировании, обеспечивая как продольное, так и поперечное армирование бетона. Бетон в трубобетоне находится в условиях всестороннего сжатия и в таком состоянии выдерживает напряжение, существенно
превышающее его призменную прочность. По сравнению с железобетонными конструкциями трубобетонные позволяют в 1,5 - 2 раза уменьшить расход металла и бетона, в 2 - 3 раза массу конструкции и, примерно, вдвое затраты труда в связи с радикальным уменьшением арматурных, сварочных работ и работ по монтажу опалубки. Особенно эффективны трубобетонные конструкции при больших напряжениях с относительно малыми эксцентриситетами.
Ключевые слова: трубобетон,
тубобетонные конструкции, строительство мостов, стальная труба, бетонное ядро.
Pipe-concrete has an exceptionally high load-bearing capacity with small cross sections, being an excellent example of a combination of the outstanding capabilities of metal and concrete. At the same time, steel pipes serve as a fixed formwork for concreting, providing both longitudinal and transverse reinforcement of concrete. Concrete in the pipe-concrete is under conditions of all-round compression and in such a state withstands a stress substantially exceeding its prismatic strength. Compared with jelly-concrete structures, pipe-concrete constructions allow to reduce the consumption of metal and concrete by a factor of 1.5 to 2, 2 to 3 times the mass of the structure and, for example, double the labor costs due to the radical reduction of reinforcing, welding and works on the installation of formwork. Especially effective are pipe-concrete structures at high voltages with relatively small eccentricities.
Key words: pipe-concrete, tuber-concrete structures, construction of bridges, steel pipe, concrete core.
