CC BY
4УДК 624.275
Л. К. Дьяченко, Н. А. Лабутин, А. В. Ланг
Оценка возможности применения пролетных строений с жестким армированием на железных дорогах
Поступила Рецензирование Принята к печати
15.06.2019 02.08.2019 26.09.2019
Одним из наиболее распространенных типов искусственных сооружений на сети Российских железных дорог являются малые мосты, количество которых в зависимости от вида местности может достигать до 250 на 1 000 км трассы. Большинство этих сооружений построены по различным типовым проектам с использованием железобетонных пролетных строений. На сегодняшний день одной из наиболее устойчивых тенденций в практике мостостроения является применение многокомпонентных решений, в частности использование элементов жесткого армирования. Цель данной работы заключается в оценке возможности использования пролетных строений с жестким армированием на сети железных дорог России и определении области их эффективного применения.
В процессе исследования был проведен анализ конструктивных решений с учетом зарубежного опыта проектирования и эксплуатации и изучением соответствующих нормативных документов. Также в ходе работы было выполнено сравнение стоимостных показателей жесткоармированных пролетных строений и существующих типовых проектов пролетных строений железобетонных и металлических мостов.
Результаты исследования представлены сформированным перечнем основных достоинств и недостатков пролетных строений с жестким армированием и определением области их наиболее эффективного применения. Практическая значимость работы обусловлена тем, что сталебетонные пролетные строения с жестким армированием являются наиболее эффективным решением для перекрытия пролетов малых мостов длиной до 15 м как с технической, эксплуатационной, так и с экономической стороны. Предлагаемое решение позволяет снизить ресурсоемкость сооружения и трудозатраты на его строительство и содержание.
Ключевые слова: мост, малые мосты, искусственные сооружения, армирование, типовые проекты, железные дороги.
Введение
Малые мосты - один из наиболее распространенных типов искусственных сооружений на железных дорогах. В зависимости от рельефа местности число малых мостов на 1 000 км составляет от 100 в равнинных районах до 250 в горных [1]. Сооружения длиной до 25 м устраиваются при пересечениях постоянных и временных водотоков, автомобильных и железных дорог и других препятствиях. Как правило, на территории Российской Федерации такие мосты строятся по типовым проектам с применением железобетонных пролетных строений.
Современное развитие строительной отрасли определяет четкую тенденцию к применению многокомпонентных материалов и конструкций (в том числе и сталебетонных) [2]. Данные решения позволяют снижать материалоемкость и стоимость сооружений без уменьшения несущей способности. Одно из наиболее прогрессивных решений в практике зарубежного мостостроения - использование сталебетонных пролетных строений с размещением в сечении различных прокатных профилей (жесткого армирования) [3]. Принци-
пиальная схема поперечного сечения данной конструкции приведена на рис. 1.
Применение за рубежом
Первые мостовые сооружения с применением в качестве элементов армирования прокатных балок появились во Франции в конце XIX в. [4, 5]. Основными достоинствами данной конструкции являлись высокая жесткость и относительная простота сооружения. Необходимо отметить, что, вероятно, использование жесткого армирования было обусловлено уровнем развития технических средств, а не необходимостью обеспечения высокой жесткости конструкции.
К использованию в железобетоне прокатных профилей в качестве арматуры стали прибегать в 70-х гг. ХХ в., когда на железных дорогах Европы были разработаны соответствующие нормы и правила проектирования и был построен ряд сооружений данной конструкции [5]. Европейскими государствами [6] и Международным союзом железных дорог (ШС) [7] была подтверждена эффективность данного конструктивного решения, и в последствии часть существующих норм и пра-
Рис. 1. Схема поперечного сечения прол
вил была включена в общеевропейские нормы проектирования Eurocode [8].
Пролетные строения с жестким армированием получили широкое распространение на сети железных дорог Европы (от 20 до 25 % от общего числа мостов). Лидерами по их количеству являются Германия (26 %), Италия (24 %) и Франция (20 %) [3].
В качестве элементов армирования наибольшее распространение получили широкополочные двутавровые балки, выполненные по европейскому сортаменту EU 53-62 из сталей S235-355. Поперечное армирование выполняется, как правило, только в растянутой зоне арматурными стержнями, пропущенными через отверстия в стенке проката.
Толщина слоя бетона над элементами жесткого армирования определяется из следующих условий:
- минимальная толщина 7 см (защитный слой, распределение усилий на элементы армирования, предотвращение коробления и кручения балок армирования);
- толщина не должна превышать 1/3 полной высоты сечения.
Необходимо отметить возможность производства преднапряженных конструкций с жестким армированием. Наличие преднапряжения
зго строения с жестким армированием
обеспечивает минимальные прогибы от временной нагрузки, что позволяет применять данные пролетные строения на высокоскоростных железнодорожных магистралях [9].
В целях повышения эффективности работы материала в сечении различными исследователями предлагается использование замкнутых элементов [10] и тавров с расположением только в растянутой зоне сечения.
Из всех возможных вариантов исполнения конструкций с применением жесткого армирования наибольшее распространение получила конструкция с жесткой арматурой в виде широкополочного двутавра, расположенного в сжатой и растянутой зонах, и распределением бетона по всей площади поперечного сечения (рис. 2).
Достоинства и недостатки
Анализ существующих пролетных строений с жестким армированием выявляет их следующие достоинства:
- малая строительная высота пролетного строения;
- высокая жесткость пролетного строения;
- меньшая по сравнению с существующими типовыми решениями масса пролетного строения;
- высокая выносливость конструкции;
Рис. 2. Поперечное сечение жесткоармированного пролетного строения длиной 5 м
немецких железных дорог
- разнообразие способов монтажа конструкций;
- высокая скорость изготовления и монтажа;
- возможность эффективной утилизации.
К недостаткам конструкции следует отнести большой расход металла, что может привести к повышенной стоимости сооружения. Однако данный фактор может быть компенсирован за счет уменьшения строительной высоты пролетного строения и снижения высоты насыпей подходов.
Возможная область применения
Опыт таких зарубежных компаний, как Deutsche Bahn [11] и Czech Railways [7], показывает, что данные решения являются наиболее эффективными для перекрытия пролетов величиной от 6 до 20 м [6, 7]. Для сравнения технико-экономических показателей и определения возможной области рационального применения был проведен эскизный расчет ряда пролетных строений с жестким армированием по прочности методом предельного равновесия, согласно методике, приведенной в Eurocode EN 1994-2-2 [8] и UIC [5], под временную нагрузку СК (К = 14) c учетом коэффициентов надежности и условий работы, содержащихся в СП 35.13330-2011 [12].
Момент внутренних усилий Mrd в сечениях данного типа конструкций определяется выражением
MRD = FSCXFSC + FBCXFBC + FSTXFST, (1)
где Fbc, Fsc, Fst - усилия в сжатом бетоне, сжатой и растянутой зонах арматуры соответственно; Xfbc, Xfsc, Xfst - расстояния до вышеуказанных усилий от нейтральной оси.
Расчетное сечение приведено на рис. 3.
Для вычисления величин усилий внутреннего момента необходимо определить площади сжатой и растянутой зон сечения. Определение расстояния между центром тяжести сечения и его нижней гранью производится по формуле
mR,
BH - bt - ta (h -1) , Rstah
+ -
У ab
У a
mRb (B - ta) 2R/ah
(2)
-а/ _у_
УаЪ У ач
где т = 0,9 - коэффициент условий работы для бетона; уаъ = 1,5 - коэффициент надежности для бетона при работе на сжатие; уач = 1,125 -коэффициент надежности для стали; Rs = 295 -расчетное сопротивление стали, МПа; Rъ = = 10,5 - расчетное сопротивление бетона на сжатие, МПа.
Переменные В, Н, Ъ, t, ta, Л приведены на рис. 4.
Плечо момента внутренних усилий для сжатой зоны бетона определяется по (3), для сжатой зоны стали - по (4), для растянутой зоны стали - по (5). Работа растянутого бетона согласно методике, принятой в [8] и [5] при проверке по первой группе предельных состояний, не учитывается.
Рис. 3. Расчетное сечение жесткоармированного пролетного строения
к
н
х =
FBC
В(Н - й)(2 - + —) +1(В - Ь)(к - хв - -) +
Г , (В - га )(к - хв - О2
В(н - хв ) - Ьг - га (к - х0 -1)
X =
FSC
X
га (к - Хв - г)2 + ы(к - Хв - 2) га (к - хв - г)+ы
га (хв - г)2 + Ы(хв - 2)
FSТ
, (4)
(5)
га (хв - г)+Ы
Далее определяются расчетные усилия сопротивлений в соответствующих элементах сечения (по аналогии с определением плеч усилий):
п В(н - хв) - Ы - га (к - г - хв) FBC = -^-^-^, (6)
У
аЬ
FSC =
Я, (Ьг + га (к - г - хв))
FSТ =
У а
^ (Ьг + га (г - хв))
У as
(3)
(7)
(8)
Сравнение и анализ полученных показателей материалоемкости наиболее распространенных существующих типовых железобетонных пролетных строений серии 3.501.1 с показателями пролетных строений с жестким армированием аналогичной длины подтвердили, что данное решение является наиболее экономически эффективным для перекрытия пролетов до 15 м (рис. 5).
Рис. 4. Схема к определению геометрических характеристик сечения
Рис. 5. Стоимость пролетных строений в зависимости от величины пролета
Заключение
Несмотря на то что использование пролетных строений с жестким армированием требует разработки соответствующих технических условий и методик расчета, они имеют большой потенциал для внедрения на сети Российских
железных дорог. Проведенный анализ конструктивного решения и его технико-экономических показателей свидетельствует о том, что пролетные строения с жестким армированием являются наиболее экономически эффективным решением для перекрытия пролетов до 15 м.
Библиографический список
1. Богданов Г. И. История мостостроения : учеб. пособие. СПб. : Нестор-История, 2013. 168 с.
2. Акопов В. И., Соловьев Л. Ю., Тихомиров С. А. Некоторые направления совершенствования конструкции и технологии сооружения сталежелезобетонных пролетных строений // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2009. Вып. 21. С. 177-182.
3. Obdrobinak J., Bujnak J., Zilka J. Study on short span deck bridges with encased steel beams // Procedia Engineering. 2012. № 40. C. 333-338.
4. Rademacher D., Martin P. Fast and easy dimensioning of filler beam bridges // 19th IABSE Congress. Stockholm, 2016. 8 р.
5. International Union of Railways (UIC). Design tables for filler beam railway bridges. Luxembourg, 1999. 50 р.
6. CD. MVL 511. Bridge guideline - Superstructures of railway bridges with encased steel beams. SZDC Prague, 2005.
7. UIC, SNF and ARBED. Design tables for filler beam railway bridges. Recommendations for design of joist-in-concrete railway bridges. Luxembourg, 1997. 50 р.
8. EN 1994-2 (2004) : Eurocode 4 : Design of composite steel and concrete structures. P. 2. : General rules and rules for bridges. Brusseles, 2005. 93 р.
9. Staquet S., Espion B., Toutlemonde F. Innovation for Railway Bridge Decks: A Prebent Steel-VHPC Beam // Structural Engineering International Journal. 2010. Vol. 2. Р. 134-137.
10. Kvocak V., Dubecky D., SpisakM. The composite section analysis of encased beams with closed shape // Вюник Нацюнального ушверситету «Львiвська полгтехшка». 2013. № 756. С. 135-139.
11. DB Netz. AGBemessungstabellen für Eisenbahnbrücken aus Walzträgern in Beton - 2. Luxembourg, 2016. 288 s.
12. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. М., 2011. 350 с.
L. K. Dyachenko, N. A. Labutin, A. V. Lang
Assessment of Using Spans Possibility with Rigid Reinforcement on Railways
Abstract. The most common types of artificial structures on the Russian Railways network are small bridges, the number of which, depending on the type of terrain, can reach up to 250 per 1,000 km of the route. Most of these structures were built according to various standard designs using reinforced concrete spans. Today, one of the most stable trends in the practice of bridge building is the use of multi-component solutions, in particular the use of elements of rigid reinforcement. The purpose of this work is to assess the possibility of using spans with rigid reinforcement on the Russian railway network and determine the scope of their effective application.
In the course of the study, an analysis of design solutions was carried out taking into account foreign experience in design and operation and the study of relevant regulatory documents. Also, in the course of the work, a comparison was made of the cost indicators of rigidly reinforced spans and existing standard designs for spans of reinforced concrete and metal bridges.
The research results are presented by the formed list of the main advantages and disadvantages of spans with rigid reinforcement and determining the area of their most effective application. The practical significance of the work is due to the fact that steel-concrete spans with rigid reinforcement are the most effective solution for covering spans of small bridges up to 15 m in length, both from the technical, operational, and economic sides. The proposed solution allows reducing the resource consumption of the structure and labour costs for its construction and maintenance.
Key words: bridge; small bridges; artificial structures; reinforcement; standard projects; high speed railways.
Дьяченко Леонид Константинович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Мосты» ПГУПСа. E-mail: leonid_dyachenko@mail.ru
Лабутин Никита Андреевич - аспирант кафедры «Мосты» ПГУПСа. E-mail: n_labutin@outlook.com
Ланг Андрей Владимирович - аспирант кафедры «Мосты» ПГУПСа. E-mail: langandrew@mail.ru
