Применение арочных сталефибробетонных малопролетных строений в конструкциях засыпных мостов и возможности их усиления Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 691.115

В.В. БАБКОВ1, д-р техн. наук, Р.Ш. ДИСТАНОВ1, канд. техн. наук; В.А. ИВЛЕВ2, канд. техн. наук, Начальник городской дорожно-строительной лаборатории г. Уфа; И.Б. СТРУГОВЕЦ3, канд. техн. наук, главный инженер; М.Э. НЕСТЕРЕНКО4, инженер-проектировщик

1 Уфимский государственный нефтяной технический университет (450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)

2 МБУ «Служба заказчика и технического надзора по благоустройству городского округа город Уфа Республики Башкортостан» (450006, Республика Башкортостан, г. Уфа, бульвар Ибрагимова, 84)

3 ОАО «Башкиравтодор» (450078, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Кирова, 128а)

4 Проектно-конструкторская фирма «Moshe Pear» (г. Хайфа, Израиль)

Применение арочных сталефибробетонных малопролетных строений в конструкциях засыпных мостов и возможности их усиления

Перспективным направлением в строительстве малых водопропускных сооружений являются малопролетные арочные засыпные мосты, позволяющие заменить водопропускные трубы и малопролетные балочные мосты, обладающие совокупностью достоинств этих сооружений и исключающие их недостатки. Повышение надежности и долговечности конструкций арочных засыпных мостов можно достичь с использованием сталефибробетона, обладающего высокой усталостной выносливостью и ударостойкостью, высокой трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепроницаемостью по сравнению со стандартным бетоном как составляющей железобетона. Одним из наиболее эффективных способов решения задачи усиления железобетона, в том числе и сталефибробетона, повышения эксплутационной надежности и долговечности является усиление криволинейных звеньев арок засыпных мостов углеродными волокнами.

Ключевые слова: сталефибробетонные арочные конструкции, трещины, углеродные волокна.

V.V. BABKOV1, Doctor of Technical Sciences, R.Sh. DISTANOV1, Candidate of Technical Sciences, V.A. IVLEV2, Candidate of Technical Sciences, I.B. STRUGOVETS3, Candidate of Technical Sciences, chief engineer; M.E. NESTERENKO4, design engineer

1 The Ufa State Petroleum Technological University (1 Kosmonavtov street, Ufa, Bashkortostan, 450062, Russian Federation)

2 MBU «Service of the Customer and Technical Supervision on Improvement of the City District the City of Ufa of the Republic of Bashkortostan» (84 Ibragimov Boulevard, Ufa, Bashkortostan, 450006, Russian Federation)

3 OAO «Bashkiravtodor» (128a Kirov street, Ufa, Bashkortostan, 450078, Russian Federation)

4 Design and engineering firm «Moshe Pear» (Haifa, Israel)

The Use of Arched Steel Fiber Reinforced Concrete Short-Span Structures in the Construction of Earthfill Bridges and Available Reinforcement Options

A promising direction in the construction of small culverts are sediment -span arched bridges that allow to replace culverts and -span girder bridges, which have a set of advantages of these structures and excluding their disadvantages. Improving the reliability and durability of structures arched bridges sediment can be achieved with the use of steel fiber reinforced concrete structures having a high fatigue strength and impact resistance, high crack resistance, frost resistance, water resistance compared to standard concrete as a component of concrete. One of the most effective ways to address the objectives of strengthening reinforced concrete, including steel fiber reinforced concrete structures, improve operational reliability and durability is to strengthen the links of curved arches of bridges sediment carbon fibers. Keywords: steel fiber reinforced concrete arch structures, crack, carbon fiber.

В настоящее время в связи с увеличением транспортных нагрузок на инженерные сооружения автомобильных дорог возникла потребность в повышении эксплутационной надежности и долговечности сборных железобетонных конструкций, применяемых при строительстве автомобильных дорог.

В автодорожном строительстве для пересечения малых и средних водотоков проектируются и возводятся одноочковые, многоочковые трубы и малопролетные балочные мосты. При строительстве балочных мостов под опирание пролетных строений устраиваются береговые опоры, конуса насыпей подходов которых в значительной степени перекрывают отверстие моста, что требует увеличения размеров пролетного строения. Помимо этого, в балочных мостах подвижная динамическая нагрузка воздействует непосредственно на пролетное строение, что совместно с неблагоприятным влиянием сезонных климатических воздействий (температурные перепады, агрессивные противогололедные реагенты, попеременное замораживание и оттаивание, замачивание-осушение, выщелачивание бетона и влияние других негативных факторов) являются основными

причинами преждевременного износа дорожных конструкций. Ситуация усугубляется введением в действие с 01.01.2008 г. повышенных нагрузок от автомобильных средств А14, НК-100 (ГОСТ Р 52748-2007 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения»). В определенной мере решением данной проблемы является устройство засыпных водопропускных сооружений, т. е сооружений, конструкции которых находятся в составе насыпи дорог. В этом случае уменьшается, а при значительных высотах насыпи исключается негативное динамическое воздействие от временных подвижных нагрузок. К таким сооружениям относятся, в частности, одно-, многоочковые водопропускные трубы. Определенным недостатком водопропускных труб является сужение поперечного сечения вертикальными стенками, затрудняющими свободный пропуск воды в условиях ледохода, карчехода.

Перспективным направлением в строительстве малых водопропускных сооружений являются малопролетные арочные засыпные мосты, позволяющие заменить водопропускные трубы и малопролетные балоч-

научно-технический и производственный журнал

Материалы для дорожного строительства

Рис. 1. Возведенные малопролетные засыпные мосты в Республике Башкортостан: а - трехшарнирный арочный мост пролетом 6 м (г. Янаул, лето 2007 г.); б - двухпролетный арочный мост пролетом 2x4 м (г. Бирск, лето 2007 г.)

Продольный разрез по оси моста , 2650 31200 , 2650

йт

Габионные конструкции

)00р

Двухшарнирная'арка -пролетом, 4 м' (27 шт.:)\

2000

-А

^Фундаментный блок

Проектная насыпь (высота по оси / моста ориентировочно 2 м)

Габионные конструкции

26x2030=52780

хПДЗ-16

ПДЗ-16.

Подушка под фундамент из щебня фр. 40-70 11=2 м 4000

Фундаментный блок

Рис. 2. Схема двухшарнирного засыпного арочного моста пролетом 4 м

ные мосты, обладающие совокупностью достоинств этих сооружений и исключающие их недостатки. Арочные конструкции по сравнению с балочными мостами и многоочковыми водопропускными трубами при одинаковом отверстии и одинаковой водопропускной способности имеют пониженную материалоемкость по расходу железобетона до двух раз.

Повышения надежности и долговечности конструкций арочных засыпных мостов можно достичь путем использования сталефибробетона, обладающего высокой усталостной выносливостью и ударостойкостью, высокой трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепроницаемостью по сравнению со стандартным бетоном как составляющей железобетона. Сталефибробетон является композиционным материалом, состоящим из цементно-бетонной матрицы с равномерным (дисперсным) распределением по ее объему ориентированных или хаотично расположенных волокон (стальных фибр) [1, 2].

Звенья малопролетных засыпных арочных мостов работают преимущественно на внецентренное сжатие, что является главной особенностью статики арочных конструкций, а именно, в несущих внецентренно-сжатых элементах — сталефибробетонных арках, растянутая зона сечений арочных конструкций в условиях совместного действия изгибающего момента и продольной сжимающей силы существенно разгружается нормальными напряжениями сжатия от действия продольной сжимающей силы, что позволяет реализовать сталефибробетон как самостоятельный конструкционный материал в сборных элементах малопролетных засыпных арочных мостов.

Экономический эффект при производстве конструкций сталефибробетонных арок достигается в значительной мере за счет снижения трудозатрат на стадии изготовления до 25—30% (исключение затрат на изготовление и установку пространственных арматурных каркасов сложного радиального очертания) и металлоемкости (удельного расхода стали на 10—15% за счет

полного или частичного отказа от использования стержневой арматуры) и по сравнению с аркой в стержневом армировании. Кроме того, исключается брак при налаженной технологии производства сталефибробе-тонных арок по сравнению со стержневым армированием, так как в условиях стандартных режимов виброформования конструкций имеет место смещение гибких арматурных каркасов от проектного положения. Это приводит к существенному занижению толщины защитного слоя бетона, его ускоренному повреждению, коррозии рабочей арматуры и значительному снижению несущей способности, и соответственно, срока службы конструкции.

При стержневом варианте армирования арочных конструкций необходимо двойное радиальное армирование в силу того, что эпюра изгибающих моментов в сечениях конструкции имеет знакопеременный характер. Защитный слой бетона в данном случае составляет 25—30 мм, что при относительно малой толщине арочной конструкции существенно снижает несущую способность сечения и предопределяет повышенный удельный расход стали.

В настоящее время нормативно-техническая документация по сталефибробетону, в том числе и СП 52104—2006 («Сталефибробетонные конструкции») ограничивает применение сталефибробетона в монолитных полах промышленных зданий; дорожных и аэродромных покрытиях; обделках каналов и тоннелей; в производстве сборных водоотводных лотков; покрытиях проезжей части автомобильных дорог и мостов; в несущих конструкциях, работающих на внецентренное сжатие при расположении продольной сжимающей силы в пределах высоты поперечного сечения. При значении эксцентриситета продольной сжимающей силы относительно центра тяжести сечения е0 за пределами поперечного сечения е0>к/2 (к — высота сечения элемента), ста-лефиброармирование рекомендуется применять при соответствующем обосновании. К таким конструкциям, работающим на внецентренное сжатие при е>к/2, от-

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 76 январь/февраль 2014 ~ Л1] ®

Рис. 3. Характер трещинообразования на внутренней поверхности конструкции засыпного арочного моста пролетом 4 м, преимущественно в коньковой части

4000

Сквозная трещина

Внутренняя поверхность звена арки /

Рис. 4. Схема усиления по внутренней поверхности звеньев арок углеполотнами SIKA®CARBOWRAP 530С длиной 1500-2000 мм с их расстановкой при шаге холстов 340 мм

носятся арки малопролетных засыпных железобетонных мостов [3, 4].

Специалистами кафедры «Строительные конструкции» теоретически была доказана возможность применения сталефибробетона как самостоятельного конструкционного материала в арочных конструкциях, работающих на внецентренное сжатие. Была разработана методика расчета внецентренно-сжатых несущих сталефибробетонных конструкций и даны рекомендации по их проектированию и технологии изготовления, что послужило дальнейшему развитию этого направления.

Расширение области применения сталефибробетонных конструкций позволило в период 2003—2008 гг. впервые в России спроектировать, изготовить и испытать сталефибробетонные звенья засыпных арочных мостов пролетом 4 и 6 м. Результаты испытаний на стенде ГУП «БашНИИстрой» (г. Уфа) подтвердили расчетные уровни несущей способности конструкций и позволили реализовать сталефибробетонные арки пролетом 4 и 6 м при толщине стенки 25 см под высоту насыпи до 8 м в дорожном строительстве Республики Башкортостан.

На ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор» по разработанным конструктивным решениям освоено производство звеньев двух- и трехшарнирных арочных мостов пролетом 4 и 6 м в сталефибробетоне и комбинированном армировании.

В 2005—2008 гг. подразделениями ГУП «Башкиравтодор» возведены сталефибробетонные арочные мосты на автодорогах I и II категории в Бакалинском, Бирском, Уфимском, Янаульском районах Республики

Башкортостан (рис. 1). При осмотре этих сооружений после пяти-шести лет эксплуатации не выявлено каких-либо существенных повреждений, что подтверждает хорошее эксплуатационное состояние конструкций.

В период проектирования и строительства (2003— 2008 гг.) засыпного арочного моста пролетом 4 м на автомобильной дороге северного обхода жилого микрорайона Затон (Ленинский р-н, г. Уфа) несущие сталефибробетонные арочные конструкции рассчитывались на действующие в тот момент подвижные нагрузки А11 (двуосная тележка с нагрузкой на ось 11 т) и одиночная НК-80 (четырехосный трейлер общим весом 80 т) согласно требованиям СНиП 2.05.03—84* «Мосты и трубы». Технические характеристики моста приведены в таблице. Схема засыпного арочного моста полетом 4 м приведена на рис. 2.

Позднее в России введены новые нормативные документы ГОСТ Р 52748—2007 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения» (дата введения 01.01.2008) и СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы» (дата введения 20.05.2011), которые повышают требования к грузоподъемности автодорожных мостов до нагрузок А14 и НК-100 [5].

На стадии строительства моста пролетом 4 м на автомобильной дороге северного обхода жилого микрорайона Затон были нарушены требования производства работ по возведению насыпи из песчано-гравийной смеси. Движение строительной техники по данному арочному мосту происходило как на стадии отсыпки насыпи подходов, так и на этапе неполной высоты отсыпанной

научно-технический и производственный журнал jV! ® январь/февраль 2014 77~

Рис. 5. Усиление арочных пролетных строений автодорожного моста фирмы $1КА®

насыпи (высота формирующейся насыпи в период строительства составляла 1,5—2 м от низа арок, а проектная высота насыпи составляет 4,5—5 м), что не обеспечивало равномерного распределения временных нагрузок от строительной техники и стало причиной образования трещин. Кроме того в этот же период через данный арочный засыпной мост проходил маршрут доставки сверхтяжелого груза — 156-тонного трансформатора. Трансформатор был погружен на трейлер (длина автопоезда с тягачом превышала 16 м), а общий вес составил 190 т.

При осмотре арочного моста пролетом 4 м и шириной 54,78 м (27 двухшарнирных арок длиной 2 м) на 23 арках были выявлены трещины с шириной раскрытия до 0,3—0,5 мм. Трещины наблюдались в средней части моста (в области движения строительной техники) в коньковом сечении звеньев арок по прямой или косой линии от торца к торцу арки (рис. 3). На двух крайних звеньях моста со стороны входного и выходного оголовка трещины не обнаружены. Косина трещин в значительной мере предопределялась неравномерностью осадки опор фундаментов и депланацией сечений отдельных звеньев арок, в силу большой абсолютной величины перемещений грунтового основания под опорами.

Одним из наиболее эффективных способов решения задачи усиления железобетона, в том числе и сталефи-бробетона, учитывая стесненные условия производства работ, является усиление криволинейных звеньев арок углеродными волокнами.

В 2010 г. были выполнены работы по структурному усилению звеньев арок системой внешнего армирова-

для пропуска повышенной нормативной нагрузки углеродным волокном

ния, путем установки (наклейки) в зоне повреждений (по внутренней поверхности растянутой зоны арок) высокопрочных, высокомодульных холстов из углеродного волокна фирмы SIKA®. Механические характеристики углеродных волокон SIKA®CARBOWRAP 530С составляют: прочность при растяжении — 4000 МПа, модуль упругости при растяжении 240000 МПа.

Необходимость в усилении конструкций и восстановлении эксплутационной надежности засыпного арочного моста связана с повреждениями (трещинами) по внутренней поверхности звеньев арок, преимущественно в коньковом сечении конструкции.

Производство работ по усилению и ремонту трещин углепластиковыми элементами звеньев засыпного арочного моста было выполнено специализированной организацией ООО «Башстройсервис», имеющей значительный опыт проведения подобного вида работ.

Программа по восстановлению несущей способности, путем усиления сталефибробетонных конструкций углеродными волокнами в целях повышения эксплутационной надежности и долговечности звеньев арок включает следующие основные мероприятия:

1. Зачистка, обеспыливание поверхности в местах усиления конструкции;

2. Воздушная продувка трещин;

3. Закрытие (инъектирование) устья трещин (повреждений) ремонтными составами (низковязкими гидрофильными композициями) на цементной основе с активными химическими добавками;

4. Нанесение на восстановленную поверхность полимерной грунтовки SIКА ЕРОСЕМ МОDUL. Данную операцию следует выполнять после завершения нанесения выравнивающего состава и его высыхания. Для пропитки (обеспыливания) зачищенной поверхности бетона перед наклейкой углегпластиковых холстов следует также использовать состав эпоксидной смолы SIКА ЕРОСЕМ МОDUL.

5. Нанесение адгезионного слоя — эпоксиполиурета-нового клея SIKADUR® - 330.

6. Повышение несущей способности звеньев арок до необходимого уровня путем установки внешнего армирования однослойными сетками из углеродных тканых полотен SIKA®CARBOWRAP 530С в виде локальных лангет (холстов) шириной 300 мм и длиной 1500-2000 мм. Схема усиления углеполотнами SIKA®CARBOWRAP 530С с их расстановкой при шаге холстов 340 мм приведена на рис. 4. После предварительной подготовки наклейка производится в один слой углеткани. Обеспечение совместности деформаций, включения в работу углехолстов и перераспределения нагрузки на элементы усиления (вос-

Категория дороги на участке проектирования I

Габарит моста Г 34,5

Схема моста 1x4 м

Общая длина 10 м

Расчетная скорость на дороге 120 км/ч

Число полос движения 6

Ширина земполотна на мосту 36,5 м

Ширина проезжей части на мосту 31,2 м

Ширина обочин 2,65 м

Продольный уклон проезжей части 0%о

Поперечный уклон проезжей части 20%о

научно-технический и производственный журнал

приятия растягивающих усилий) достигается их качественной приклейкой к основе усиливаемой конструкции (звеньев арок).

7. Нанесение «запечатывающего» слоя — эпоксипо-лиуретанового клея SIKADUR® — 330.

Усиленные звенья арок приведены на рис. 5. На данной стадии эксплуатации углеродные волокна не имеют признаков отрыва и отслоения от усиливаемой поверхности бетона арок.

Список литературы

1. Бабков В.В., Струговец И.Б., Недосеко И.В., Диста-нов Р.Ш. и др. Сталефибробетонные конструкции в автодорожном строительстве Республики Башкортостан // Строительные материалы. 2006. № 3. С. 50—53.

2. Бабков В.В., Комохов П.Г., Аминов Ш.Х., Недосеко И.В., Дистанов Р.Ш. и др. Сталефибробетон в производстве и применении конструкций засыпных арочных мостов и водопропускных труб на автодорогах // Строительные материалы. 2008. № 6. С. 64—67.

3. Бабков В.В., Недосеко И.В., Аминов Ш.Х., Дистанов Р.Ш. и др. Водопропускные трубы и малопролетные засыпные арочные мосты на основе сталефибробетона в автодорожном строительстве // Бетон и железобетон. 2009. № 2. С. 4—6.

4. Бабков В.В., Недосеко И.В., Ивлев В.А., Дистанов Р.Ш., Струговец И.Б. Фибробетон в производстве железобетонных изделий (Часть I) // Мир дорог. 2011. № 55. С. 33-36.

5. Бабков В.В., Недосеко И.В., Ивлев В.А., Дис-танов Р.Ш., Струговец И.Б. Автодорожные засыпные арочные мосты на основе сталефибробетона (Часть II) // Мир дорог. 2011. № 56. С. 54-56.

В настоящее время ведется систематическое освидетельствование усиленных сталефибробетонных звеньев действующего арочного моста пролетом 4 м под повышенные автомобильные нагрузки (возраст эксплуатационных арок составляет семь—восемь лет), которое подтверждает высокую эффективность применения углеродного волокна в качестве внешнего усиления поврежденных строительных конструкций и эксплутаци-онную надежность.

References

1. Babkov V.V., Strugovets I.B., Nedoseko I.V., Dista-nov R.Sh. i dr. Steel fiber concrete construction in the road building of the Republic of Bashkortostan. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2006. No. 3. Pp. 50-53 (in Russian).

2. Babkov V.V., Komokhov P.G., Aminov Sh.Kh., Nedoseko I.V., Distanov R.Sh. i dr. Steel fiber concrete in the production and application of structures filling arch bridges and culverts on roads. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2008. No. 6. Pp. 64-67 (in Russian).

3. Babkov V.V., Nedoseko I.V., Aminov Sh.Kh., Dista-nov R.Sh. i dr. Culverts and Sediment-span arch bridges based steel fiber concrete in road construction. Beton i zhelezobeton. 2009. No. 2. Pp. 4-6 (in Russian).

4. Babkov V.V., Nedoseko I.V., Ivlev V.A., Distanov R.Sh., Strugovets I.B. Fiberconcrete in manufacturing concrete products (Part I). Mir dorog. 2011. No. 55. Pp. 33-36 (in Russian).

5. Babkov V.V., Nedoseko I.V., Ivlev V.A., Distanov R.Sh., Strugovets I.B. Road sediment arched bridges based steel fiber concrete (Part II). Mir dorog. 2011. No. 56. Pp. 54-56 (in Russian).

ООО «Ставропольское коммунальное проектирование»

Разработка проектн о-сметной документации для строительства зданий и сооружений, инженерных коммуникаций.

Виды услуг:

- техническое обследование зданий и сооружений;

- разработка комплексной проектной документации

на капитальный ремонт, реконструкцию и новое строительство.

- деятельность в области архитектуры;

• инженерно-техническое проектирование;

- геолого-разведочные и геофизические работы;

- геодезическая и картографическая деятельность;

- деятельность в области стандартизации I

- архитектурная деятельность.

1— Низкие цены, высокое качество

Мы ценим свой имидж.

ООО «Ставропольское коммунальное проектирование», 355029, Ставрополь, Тел.: (8652) 39-03-72. E-mail: [email protected]

артизации и метрологии, э выполненных работ.

Кулакова, 18.

Реклама

rj научно-технический и производственный журнал