CC BY
85
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Бокарев Сергей Александрович
Bokarev Sergey Aleksandrovich Сибирский государственный университет путей сообщения ул. Д. Ковальчук - 191, 630049, Новосибирск, Россия
Siberian State Railway University д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе, зав. каф. «Мосты» Doctor of technical Science, professor, vice-rector for research, head of department «Bridges»
05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Мурованный Юрий Николаевич
Murovannyy Yriy Nikolaevich Сибирский государственный университет путей сообщения ул. Д. Ковальчук - 191, 630049, Новосибирск, Россия
Siberian State Railway University с.н.с. НИЛ «Мосты» Senior scientist researcher of bridges laboratory 05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Усольцев Андрей Михайлович
Usoltsev Andrey Mikhailovich Сибирский государственный университет путей сообщения ул. Д. Ковальчук - 191, 630049, Новосибирск, Россия
Siberian State Railway University с. н. с. НИЛ «Мосты», Senior scientist researcher of bridges laboratory 05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Мурованный Игорь Юрьевич
Murovannyy Igor Yrievich Сибирский государственный университет путей сообщения ул. Д. Ковальчук - 191, 630049, Новосибирск, Россия
Siberian State Railway University техник НИЛ «Мосты», technically qualified person of bridges laboratory 05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013
Натурные и лабораторные испытания конструкции усиления металлическими накладками
Field and laboratory testing of reinforcing construction with steel plates
Аннотация: Приведены данные о результатах испытания образцов с металлическими накладками, прикрепленными различными способами к бетону. Для конструкции усиления плиты балластного корыта сталежелезобетонных пролетных строений обоснован выбор болто-фрикционного соединения. Представлены результаты натурных испытаний пролетного строения после его усиления указанным способом.
The Abstract: The results of testing experimental prototype with steel plates, which were fasted to the concrete different ways, are presented. The bolted-friction connection explains reinforcing construction of carriageway slab at the steel and concrete span. The results of testing reinforcing span are presented.
Ключевые слова: Металлические накладки, железобетонная плита, болто-фрикционное соединение, испытания, пролетное строение.
Keywords: Steel plates, concrete slab, bolted-friction connection, testing.
***
В статье «О необходимости и способах усиления сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов» [1] был рассмотрен перспективный способ усиления металлическими накладками сталежелезобетонных конструкций с дефектными стыками омоноличивания. В настоящей статье представлена наиболее важная часть проделанной работы, а именно лабораторные испытания различных вариантов крепления несущих металлических накладок.
В план опытно-конструкторских работ вошло исследование двух основных вариантов установки металлических накладок. Первый вариант основывался на креплении накладок к плитам балластного корыта через высокопрочные шпильки, заделанные в бетон на клеевой состав с помощью химических анкеров. На основании предварительных расчетов было установлено, что в данном варианте усиления требуется обеспечить несущую способность каждой шпильки порядка 8 тс. Для определения реальной несущей способности соединений с вклеенными в бетон шпильками была проведена серия испытаний лабораторных образцов. В состав лабораторных испытаний образцов с вклеенными в бетон шпильками входили испытания одиночных соединений и крупномасштабных узлов соединения плиты с накладками усиления. Испытания проводились на прессе ДРБМ-300. Вид образца и результат испытания одиночного соединения показан на рисунке 1. Прохождение первых же испытаний таких соединений со шпильками из обычной стали (Сталь 3) показало их низкие прочностные характеристики: шпильки гнулись даже при небольших уровнях нагружения.
Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013
Рис. 1. Испытание образца с одиночным соединением (слева) и изгиб шпильки из обычной стали (СТ.3) в одиночном соединении (справа)
В связи с этим для дальнейших исследований были изготовлены высокопрочные шпильки из стали 40Х и 30ХГСА. На основе серии испытаний таких образцов с различными диаметрами шпилек и различными составами химических анкеров был сделан вывод о том, что высокопрочные шпильки практически не деформируются при нагружении соединения и разрушение идет по бетону образцов. Характер разрушения образцов с одиночным соединением на высокопрочных шпильках показан на рисунке 2.
а) шпилька 016 с акриловой составляющей б) шпилька 016 с эпоксидной
составляющей
Рис. 2. Вид разрушения образцов с одиночным соединением на высокопрочных шпильках
Несущая способность одиночных соединений с вклеенными шпильками составила для 016 мм - 3 ^ 3,5 тс, а для 022 мм - 4 ^ 5 тс, что оказалось ниже требуемого расчетного уровня несущей способности (8 тс на шпильку).
Кроме испытаний образцов с одиночным соединением на вклеенных шпильках было проведено испытание образца с клеевым соединением на основе двухкомпонентного тиксотропного эпоксидного клея 81каёиг 31. Этот ремонтный клей выполнен на основе комбинации эпоксидной смолы и специально подобранных добавок, обеспечивающих высокую прочность (не менее 30 МПа через сутки после нанесения). Материал имеет консистенцию пасты, поэтому его можно применять на потолочной поверхности. 81каёиг 31 рекомендуется к применению как клеящий, закрепляющий и выравнивающий материал для соединения бетона и стали, в том числе для ремонта бетонных конструкций, заполнения поверхностных трещин, соединения несущих и ремонтируемых бетонных элементов.
Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013
Несущая способность клеевого соединения оказалась значительно выше «шпилечного» соединения. Разрушение опытного образца произошло при уровне нагружения 18 ^ 19 тс, причем не по клеевому составу, а за счет скола поверхностного слоя бетона - см. рисунок 3.
Для дальнейшего исследования прочностных характеристик соединений на основе вклеенных в бетон высокопрочных шпилек была изготовлена серия крупномасштабных железобетонных образцов из бетона класса В30, армированных арматурой класса А111. Армирование образцов было выполнено аналогично плитам балластного корыта сталежелезобетонных пролетных строений инв.№739/11 [2]. По специальному шаблону установкой DD-130 в образцах производилось бурение отверстий для установки анкеров. В качестве анкеров использовались высокопрочные шпильки 016 или 022 мм с конусными гайками. Общий вид образца с вклеенными анкерами показан на рисунке 4.
Рис. 3. Вид разрушения образца с клеевым соединением
Рис. 4. Крупномасштабный образец с вклеенными анкерами
Испытание этих образцов производили на прессе ДРБМ-300 в специально изготовленной металлической обойме, моделирующей узел соединения плиты с накладками усиления - см. рисунок 5. Была проведена серия испытаний крупномасштабных образцов с
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
вклеенными анкерами диаметрами 016 и 022 мм в вариантах односрезного («шахматного») и двухсрезного («сквозного») соединения. В качестве клеевого состава использовались химические капсулы ШЬТ1 марки Н1Т-КЕ500 (с эпоксидной составляющей).
К достоинствам двухсрезных соединений кроме меньшего объема сверления относится возможность проведения бурения только с одной (предпочтительно с нижней) стороны плиты. К недостаткам в этом случае следует отнести проблемы с заполнением и установкой химических анкеров в сквозное отверстие. Устройство односрезных соединений, в свою очередь, не создает проблем с установкой и заполнением химических анкеров, однако при большем (практически в два раза) объеме бурения в этом случае возникают сложности с организацией работ со стороны проезжей части - обеспечении пространства для установки бурильного станка и дополнительная потребность в «окнах» на время бурения.
Рис. 5. Испытания крупномасштабного образца с вклеенными анкерами на прессе ДРБМ-300
Результаты испытаний лабораторных крупномасштабных образцов с вклеенными анкерами показали следующее:
• несущая способность двухсрезных соединений (8 сквозных анкеров в образце) практически не отличается от несущей способности односрезных соединений (16 анкеров с шахматным расположением по 8 шт. с каждой стороны образца);
• как и в случае образцов с одиночными соединениями, несущая способность соединений с анкерами 022 мм оказалась на 20-30% выше, чем с анкерами 016 мм, и составила порядка 40 тс на образец (5 тс на один анкер);
• распределение усилий между отдельными анкерами в соединении происходит неравномерно из-за погрешностей в геометрии сверления отверстий в бетоне и вклейки анкеров. При этом даже использование таких центрирующих приспособлений, как конусные гайки и фаски в отверстиях накладок не обеспечивают требуемую (8 тс) несущую способность и деформативность соединений.
Полученные результаты лабораторных испытаний не позволяют рекомендовать соединения с вклеенными шпильками для использования в качестве несущих элементов усиления стыков балластного корыта. Для дальнейшей разработки был принят хорошо зарекомендовавший себя при усилении металлических конструкций вариант болто-фрикционного соединения.
Устройство болто-фрикционного соединения элементов усиления предполагает наклейку в зоне швов специальных металлических накладных пластин, к которым в дальнейшем крепятся несущие листовые элементы. С учетом положительных результатов проведенных испытаний одиночных образцов с клеевым соединением, наклейку накладных
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
пластин предполагается выполнять на тиксотропный эпоксидный клей 81каёиг 31. Бурение отверстий под болты, как и в случае с устройством анкерных соединений выполняется установками алмазного бурения. В качестве перекрывающих швы несущих элементов усиления в этом случае используются плоские металлические накладки. Включение в работу листов усиления производится установкой в сквозные отверстия высокопрочных болтов (шпилек) и затяжкой их на нормативное усилие. При пескоструйной обработке контактных поверхностей металла подстилающих накладных пластин и накладок усиления, расчетная несущая способность одного болтоконтакта составляет для 022 мм Бб = 8,0 тс. Для испытания варианта болто-фрикционного соединения элементов был собран крупномасштабный лабораторный образец узла усиления - см. рисунок 5.
Рис. 5. Вид крупномасштабного образца с болто-фрикционным соединением
Конструкция железобетонной части образца, имитирующей плиту балластного корыта, идентична образцам с вклеенными шпильками. По размеру образца железобетонной плиты были изготовлены парные металлические пластины толщиной 5 мм - рисунок 6а, которые были наклеены с обеих сторон железобетонного образца на двухкомпонентный эпоксидный клей Б1каёиг 31 - рисунок 6б.
а) металлическая пластина для наклейки на образец плиты
б) клей для наклейки пластин к образцу железобетонной плиты
Рис. 6. Сборка крупномасштабного образца с наклеенными пластинами
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Крупномасштабный образец плиты с наклеенными пластинами был помещен в металлическую обойму, имитирующую несущие накладки усиления стыка плит балластного корыта. Соединение образца плиты и металлической обоймы было выполнено на 8 высокопрочных шпильках 022 мм. Перед сборкой поверхности наклеенных пластин и обоймы прошли пескоструйную обработку. Были проведены две серии испытаний крупномасштабных образцов узла усиления с болто-фрикционным соединением: с высокопрочными шпильками заводского изготовления, использующимися для крепления плит безбалластного мостового полотна и высокопрочными шпильками, изготовленными из стали 40Х по спецзаказу на опытном участке. Испытания проводились аналогично образцам с вклеенными шпильками на прессе ДРБМ-300 с контролем сдвиговых деформаций по индикаторам часового типа.
Результаты испытаний образцов с болто-фрикционными соединениями показали, что такой вариант узлов усиления обладает несущей способностью, достаточной для восприятия расчетных нагрузок. В обеих сериях испытаний предельное усилие, при котором наблюдалось начало сдвиговых деформаций пакета, составило 138 тс, что на 8% больше расчетного значения 128 тс [3].
На основании полученных результатов испытаний лабораторных образцов вариант узлов усиления с болто-фрикционными соединениями элементов был принят для дальнейшей разработки, в ходе которой были выполнены необходимые расчеты и разработана конструкция усиления пролетного строения через реку Маревая [1], представленная на рисунке 7.
Вид сверху
Вид снизу
д т (№5)
жг
Ж
ит
Металлическая Металлические накладка усиления накладные пластины 6=12 мм 5=5 мм
-о о -о о
26
-о о
-О О
-о о
-о о 26
Рис. 7. Конструкция усиления сталежелезобетонного пролетного строения металлическими
накладками
Число несущих накладок усиления на один ремонтируемый стык составляет 16 штук (по восемь парных накладок, закрепленных снизу и сверху стыка). На основании
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
выполненных расчетов для пролетного строения Ьр = 27,0 м необходимая толщина несущих накладок усиления составляет 12 мм. Ширина накладок усиления, исходя из конструктивных особенностей плиты балластного корыта, составляет 260 мм, длина - 940 мм. Диаметр отверстий под высокопрочные болты в несущих накладках составляет 0 28 мм. Для крепления каждой пары накладок требуется 12 высокопрочных болтов 0 22 мм и длиной 260 мм - по 6 штук с каждой стороны стыка. Геометрические размеры подстилающих (наклеиваемых) накладных пластин в плане идентичны размерам несущих накладок, толщина накладных пластин составляет 5 мм, диаметр отверстий под высокопрочные болты - 032 мм. В ходе ремонтных работ требовалось выполнить усиление шести (из восьми) стыков плиты балластного корыта (стыки №2... №7). Два крайних стыка №1 и №8, расположенные у концов пролетного строения, в усилении не нуждаются. Тем не менее, в зоне этих двух стыков требовалось выполнить разборку слабого бетона, выравнивание, оштукатуривание поверхности и устройство новой гидроизоляции.
Для определения характеристик работы пролетного строения до (2010 г.) и после (2012 г.) работ по усилению были проведены его испытания поездной нагрузкой. В качестве испытательной нагрузки до постановки металлических накладок был использован тепловоз 2ТЭ10М (первые 10 осей его головной части в составе грузового поезда). Общий вес испытательной нагрузки составил - 230 т, погонная нагрузка - 8,5 тс/м, осевая нагрузка - 23 тс. Общий вид испытательного состава на мосту во время статического испытания показан на рисунке 8.
Рис. 8. Нагрузка на мосту во время испытаний
После проведения работ по усилению испытания проводились тем же локомотивом только способом динамического нагружения. Относительные деформации металла в поясах балок измерялись с помощью механических деформометров и по датчикам деформаций автоматизированной измерительной системы «Тензор-М». Показания тензодатчиков при проходе подвижного состава по пролетному строению показаны на рисунке 9. В таблицу 1 сведены данные испытаний пролетного строения до и после постановки металлических накладок усиления.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Рис. 9. Показания тензодатчиков при проходе подвижного состава (синий - нижний пояс правой балки; красный - то же левой балки; розовый - верхний пояс правой балки; зеленый -
то же левой балки)
Таблица 1
Осредненные показания тензодатчиков и деформометров от испытательной нагрузки до и после реконструкции пролетного строения
Балка Напряжения в верхнем поясе под швом омоноличивания №4, кгс/см2 Напряжения в нижнем поясе, кг/см2
до усиления после усиления расчетное значение до усиления после усиления расчетное значение
левая -612 -148 -153* 573 396 530*
правая -918 -96 -153* 591 364 530*
*
- без учета динамического коэффициента
Анализ натурных испытаний моста показывает эффективность работы болто-фрикционного узла соединения. Искусственное сооружение находится в исправном состоянии, железобетонная плита полностью включилась в работу сталежелезобетонной конструкции за счет объединения ее в местах стыков металлическими накладками. Пролетное строение полностью восстановило свою проектную несущую способность. Все зафиксированные параметры работы конструкции не превышают своих расчетных значений. В настоящее время на конструкцию данного метода усиления получен патент [4].
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Бокарев С.А., Мурованный И.Ю. О необходимости и способах усиления сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе, 2013. С. 188-196.
2. Типовой проект серия №3.501-49, инв.№739/11. Металлические железнодорожные пролетные строения с ездой поверху на балласте пролетами 18,2; 23,0; 27,0; 33,6 м в обычном и северном исполнении/ Гипротрансмост. -Москва, 1975.
3. Инструкция по применению высокопрочных болтов в эксплуатируемых мостах / МПС России. М: Транспорт, 1995.-76 с.
4. Бокарев С.А., Мурованный Ю.Н., Усольцев А.М., Степанов Д.С. Способ усиления железобетонных плит и сопряжений. Заявка № 2010129088/03(041287). Решение о выдаче патента от 30 августа 2012 г.
Рецензент: Овчинников Игорь Георгиевич, заместитель председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, профессор кафедры «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., д-р. техн. наук, профессор.
