CC BY
75
Пастушков Валерий Геннадьевич
Белорусский национальный технический университет доцент кафедры «Мосты и тоннели» Кандидат технических наук, доцент Pastushkov Valery Gennadevich Belarusian national technical university associate professor "Bridges and tunnels" E-Mail: valpast@inbox.ru
Вайтович Александр Николаевич
Белорусский национальный технический университет магистр кафедры «Мосты и тоннели» Vaitovich Aleksandr Nikolaevich Belarusian national technical university Magistr "Bridges and tunnels" E-Mail: aa4387-7@mail.ru
Янковский Леонид Вацлавович
Yankovsky Leonid Vatslavovich
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
доцент кафедры «Автомобили и технологические машины»
Кандидат технических наук, доцент FGBOU VPO "Perm National Research Polytechnical University" associate professor "Cars and technological cars" E-Mail: yanekperm@yandex.ru
Строительные материалы и изделия
Сборно-монолитная плита проезжей части с контактным соединением
специального профиля
Precast-monolithic deck slab with contact connections layers by a special profile
Аннотация: Проектным институтом «Белгипродор» и Белорусским национальным техническим университетом (БНТУ) предложено новое конструктивное решение сборномонолитной конструкции плиты проезжей части, состоящей из двух бетонных слоев, соединенных между собой при помощи шпонок специального профиля. Проведение специальных экспериментальных исследований обусловлено необходимостью проверки запатентованного неразъемного соединения сборно-монолитной железобетонной конструкции.
Abstract: Design institute "Belgiprodor" and Belarusian National Technical University proposed new design precast-monolithic deck slab roadway, consisting of two concrete layers bonded together by a special profile keys.
Conducting special experimental researches due to need for verification patented permanent connection of precast-monolithic concrete structure.
Ключевые слова: Сборно-монолитная конструкция, бетонная плита, неразъемные соединения, железобетон.
Keywords: Combined and monolithic design, concrete plate, one-piece connections, reinforced concrete.
Введение
В отечественной и зарубежной практике широко используются сборно-монолитные конструкции мостовых сооружений [1, 2]. Так как дефекты и повреждения мостового полотна и плиты проезжей части часто определяют долговечность мостового сооружения в целом, то вопросам проектирования и правильной эксплуатации элементов проезжей части должно уделяться особое внимание [3-7]. Необходимо отказаться от многочисленных продольных и поперечных швов между сборными балками и плитами пролетного строения и обеспечить надежную работу плиты проезжей части автодорожных мостов с учетом требований нормативных документов [8-10].
Основная часть
Сборно-монолитные ребристые пролетные строения составляют из сборных элементов - ребер, представляющих собой балки с консолями, и монолитной или сборно-монолитной плиты проезжей части. В поперечном сечении пролетных строений мостовых сооружений сборные балки устанавливают с шагом 1-3 м.
Поперечную арматуру (хомуты) в главных балках выполняют из ненапрягаемой арматуры с выпусками в монолитную плиту проезжей части. После подвески опалубки и установки несущего арматурного каркаса плиты проезжей части производится бетонирование плиты.
Часто в качестве опалубки верхней монолитной плиты применяют несущий армированный элемент, располагаемый на сборных ребрах. Традиционно соединение между сборными элементами пролетного строения устраивают в виде соединения арматурных выпусков из плит проезжей части с последующим омоноличиванием продольных швов (рис. 1).
На заводе железобетонных мостовых конструкций (ЗЖБМК) ОАО «Дорстройиндустрия» (пос. Фаниполь) был изготовлен опытный образец фрагмента плиты проезжей части пролетного строения.
а)
б)
в)
Рис. 1. Схемы соединения балок пролетных строений между собой
а) стык арматурных выпусков внахлестку, для объединения по ширине в пролетное строение балки имеют Г-образные горизонтальные выпуски поперечных стержней верхней и нижней сеток плиты проезжей части; б) сварной стык арматурных выпусков; в) петлевой стык -
позволяет избежать сварочных работ
15а
555?
Испытание опытного образца статическим нагружением было выполнено лабораторией «Мосты и инженерные сооружения» Белорусского национального технического университета (БНТУ).
Размеры объединенной конструкции опытного образца - 2200x200x200 (Ъ) мм. Нижняя (сборная) часть конструкции выполнена высотой 100 мм, высота верхней (монолитной) части конструкции - 100 мм. Исполнительный чертеж объединенной составной (сборно-монолитной) конструкции представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Исполнительный чертеж выполнения сборно-монолитного (составного)
железобетонного элемента
Испытуемая балка армировалась двумя каркасами (по одному на каждый слой).
Нижняя часть составной конструкции армирована тремя стержнями 014 S500 в продольном направлении, являющимися рабочей арматурой балки, которые были сварены поперечными П-образными стержнями 06 S240 с шагом 200 мм.
Верхняя часть составной конструкции армирована двумя стержнями 010 S240 в продольном направлении, соединенных поперечными П-образными стержнями 06 S240 с шагом 200 мм.
Для изготовления двухслойных опытных образцов плиты проезжей части с замковым соединением слоев заводом была изготовлена специальная опалубка.
Подача бетонной смеси, выполненной на бетоносмесительном узле завода, осуществлялась в инвентарной перемещающейся бадье (рисунок 3).
Рис. 3. Бетонирование выполнялось в деревянной опалубке помещенной в инвентарную
металлическую бадью
Для изготовления образцов было предусмотрено использование тяжелого бетона по прочности на сжатие класса С25/30, марки по морозостойкости - F200, по
водонепроницаемости - W6. Бетонирование испытуемой балки параллельно сопровождалась отбором образцов бетона для проведения испытаний в лаборатории завода.
Для изготовления слоев опытного образца применялся тяжелый бетон следующего состава (на 1 м3): цемент М500 - 475 кг; песок - 665 кг; щебень фракции 5-10 - 228 кг; щебень фракции 10-20 - 904 кг; вода 140 л; добавка «Стахемент» - 4,75 кг; добавка «СНВ» - 1,21 кг.
Для увеличения коэффициента сцепления слоев железобетонного элемента искусственно создавался специальный шпоночный профиль на границе контакта.
Уплотнение бетонной смеси осуществлялось на стационарной виброплощадке.
Первые сутки твердение слоев бетона балки осуществлялось в естественных условиях (в цеху завода), затем вторые сутки твердение бетона происходило в стационарной заводской пропарочной камере.
После изготовления первого слоя, находящегося в растянутой зоне составной конструкции, его боковая поверхность была окрашена в желтый цвет (рисунок 4).
Рис. 4. Общий вид изготовленного опытного образца
Целью настоящих исследований является определение прочности, жесткости и трещиностойкости составных сборно-монолитных плит проезжей части, выполненных из тяжелого бетона, с анализом их работы под нагрузкой.
Испытания проводились также с целью изучения работы сборно -монолитного балочного элемента с новым неармированным замковым соединением в лабораторных условиях и проверки соответствия его поведения расчетным предпосылкам.
Испытания проводились в лаборатории испытания строительных конструкций БНТУ с использованием гидравлического пресса ПР-500 (рисунок 5).
Рис. 5. Общий вид испытания опытного образца, установленного на гидравлическом прессе ПР-500
По результатам проведенных испытаний сделан анализ работы экспериментального образца. Порядок проведения испытания опытного изделия выполнялся в соответствии с требованиями ГОСТ 8829-94 [11].
Измерение прогибов испытуемой балки производилось прогибомерами Максимова, установленными в середине и четверти пролета балки.
Для определения деформаций железобетонного элемента использовались механические и электронные мессуры. В качестве электронных мессур использовались вибротензодатчики с блоком обработки хранения и передачи данных по беспроводному соединению WiFi. Полученные данные в режиме реального времени обрабатывались на персональном портативном компьютере с использованием специального программного обеспечения. Измерительная база электронных мессур составляла 130 мм.
Проведение испытания составной балки сопровождалось с исследованием ширины раскрытия трещин на всех этапах загружения. Трещины и величина их раскрытия замерялись с погрешностью до 0,01 мм с помощью измерительной лупы ЛИ-3-10 с десятикратным увеличением, а также с помощью шаблонной линейки для расчета ширины раскрытия трещин.
Для определения фактической кубиковой и призменной прочности, прочности на растяжение при изгибе, модуля упругости, предельной сжимаемости бетона в опытном образце и получения сравнимых данных было изготовлено одновременно с образцом (из одного с ним замеса и по одной технологии) по 6 кубов размерами 100х100х100 мм и две призмы 100х100х400мм для верхнего и три призмы для нижнего слоев. Условия твердения всех образцов бетона были такими же, как и для экспериментальной балки - в пропарочной камере.
Часть образцов бетона была испытана на оборудовании завода и получены данные об их характеристиках, в результате которых установлен класс бетона для монолитной части конструкции С25/30 (В30) и сборной части - С25/30 (В30). При испытании кубов с использованием оборудования кафедры «Мосты и тоннели» в испытательной лаборатории завода производилось определение скорости распространения переднего фронта ультразвуковых импульсов прибором Пульсар 1.2 с целью накопления данных о корреляционной связи между скоростью прохождения ультразвука в бетоне и прочностью его на сжатие для дальнейшего использования на экспериментальном образце. Средняя стандартная прочность бетона испытанных кубов составила: монолитной части конструкции fc,cube=36,32 МПа, а сборной части конструкции fc,cube=34,84 МПа.
Призменная прочность определялась путем испытания призм с размерами 100х100х400 мм, взятых из каждого замеса при бетонировании верхнего и нижнего слоя бетона. Поскольку одновременно на этих призмах производилось определение модуля упругости и других деформативных характеристик. Их нагружение осуществлялось этапами от ожидаемой разрушающей нагрузки в соответствии с нормативными требованиями. Перед началом испытания каждая призма центрировалась в прессе по ее физической оси, лишь после этого производилось нагружение призмы до разрушения. Для измерения продольных деформаций использовались электронные струнные датчики с автоматической записью деформаций. Одновременно с испытанием проводились ультразвуковые наблюдения прибором Пульсар 1.2.
Средняя призменная прочность верхнего бетона составила fc=37,25 МПа.
Средняя призменная прочность нижнего бетона составила fc=36,29 МПа.
Прочность при растяжении определялась путем испытания призм размерами 100х100х400 мм на изгиб (рисунок 6).
До начала проведения испытания балки были исследованы прочностные характеристики материалов на разных участках опытной конструкции.
Для определения прочностных свойств материалов натурного опытного образца применялись также неразрушающие методы определения прочности бетона в соответствии с СТБ 2264-2012 [12].
Методом ударного импульса с помощью прибора ИПС-МГ4.01, оценивались физикомеханические свойства строительных материалов в образцах и изделиях (прочность, твердость, упругопластические свойства), выявлялись неоднородности, зоны плохого уплотнения и др. [10].
Рис. 6. Испытание образца № 6 на изгиб с установленными датчиками измерения деформаций
Для исследования методом упругого отскока применялся склерометр Шмидта (BetonCondtrol).
Определение прочности бетона ультразвуковым методом с помощью прибора Пульсар -1.2 заключалось в регистрации скорости прохождения ультразвуковых (УЗ) волн. По технике проведения испытаний можно выделить сквозное УЗ прозвучивание, когда датчики располагают с разных сторон тестируемого образца, и поверхностное прозвучивание, когда датчики расположены с одной стороны. Метод сквозного УЗ прозвучивания позволяет, в отличие от всех остальных методов неразрушающего контроля прочности, контролировать прочность не только в приповерхностных слоях бетона, но и прочность тела бетона конструкции.
Теоретические расчеты сборно-монолитного экспериментального образца выполнялись в соответствии с требованиями ТКП 45-5.03-97-2009, ТКП 45-3.03-232-2011, ТКП EN 1992-22009 [8-10].
В расчетах прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента, в соответствии с ТКП 45-5.03-97-2009, используют:
• уравнения равновесия моментов и продольных сил;
• уравнения распределения относительных продольных деформаций в пределах составного сечения.
Для общего случая расчета должно соблюдаться условие равновесия в матричной
форме:
' ^ ■ «1,1 ^1,2 1 ,3 оТ
,х > = «2,1 «2,2 «2,3 кх
М3<1,у _ _ «3.1 «3,2 «з,з _ ку,
или
{^} = ЩПЯ • {Щ^Ш,
где {^} = {Nsd,z,Msd,x,Msd,y}т — вектор-столбец внутренних усилий, вызванных внешними воздействиями, действующих по направлению соответствующих осей в сечении, нормальном к продольной оси элемента;
{Ц({Р}^)} = ^,кх,ку}т— вектор-столбец относительных деформаций, являющихся функцией внутренних усилий и геометрических параметров сечения S;
Sz — продольная относительная деформация на уровне выбранной продольной оси
кх, ку— изменения кривизны в плоскостях, совпадающих с осями х и у.
— матрица мгновенных жесткостей для составного сечения, элементы которой рекомендуется определять из системы уравнений.
С Эпюра 0 ■ ' ■ ■ ■ Аэ2
1 ' ////
\ . ■' Аз1
Рис. 7. Эпюра напряжений и деформаций в сечении при действии расчетного момента Ыкй
расчет выполнен по деформационной модели
В результате расчета момент трещинообразования МСг=6,0 кН м при относительной кривизне элемента 1/г=3,097 10-6, расчетный момент сечения Ыкд= 28,5 кНм.
Разрушающая сосредоточенная нагрузка на балку составила ¥и= 85 кН,
соответствующий разрушающий момент в середине пролета составил Ми = 42,25 кН м. Соотношение разрушающего момента Ми и расчетного Мкй составляет Ми/Мкс= 42,25/28,5=1,48 >С=1.3 (табл. Б1 ГОСТ 8829-94).
Расчетное сопротивление сдвигу на единице площади шпоночного контакта определялось по формуле:
тяф- = с/м + МОы ,
но не более 0,5у/ы,
где с — коэффициент, значения которого принято 0,9;
/сгй — расчетное сопротивление бетона растяжению;
М — коэффициент трения, значения которого принято 0,5;
I, '
v = 0,6 •
ск
250
оы — нормальные напряжения, действующие на единицу площади контакта от минимальной внешней силы, перпендикулярной к его плоскости, принимаются со знаком «плюс» при сжатии, но не более 0,6/С^,и со знаком «минус» — при растяжении.
В результате расчета заложенного в ТКП 45-5.03-97-2009 по проектированию прочности контакта при выполнении шпоночного соединения разрушение соединения (контакта) составного сечения двух элементов наступает при достижении усилий Уяс= 25 кН, однако соединение, выполненное с применением шпонок запатентованной формы [9], показало надежную работу контакта. Даже после разрушения никаких следов разъединения двух элементов выявлено не было.
Определение несущей способности на действие поперечной силы выполнялось в соответствии с требованиями ТКП EN 1992-2-2009 по формуле:
^яй,с = СКй,с • к • (100 • р1 • [ск)1/3 • Ъы^й;
где Сяс1,с= 0,18/ус
к — 1 + у200/^, но не более 2,0;
р, — ——, но не более 0,02. ът-а’
Характер разрушения изделия по наклонной трещине от среза сжатой зоны произошел при действии поперечной силы равной Уи=42,25 кН. Теоретическая поперечная сила, полученная при расчете прочности элемента по наклонному сечению, составила Уя^=25,9 кН. Соотношение разрушающей поперечной силы Уи и расчетной Укй составляет У/Ум=42,25/25,9=1,63>С=1,6 (табл. Б2, ГОСТ 8829-94).
Заключение
1. Методы определения контрольных нагрузок, использованные для оценки
прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонного изделия по результатам его испытания нагружением, приведенные в настоящей статье, основаны на требованиях нормативных документов для проектирования мостовых сооружений, действующих в настоящее время в Республике Беларусь: ТКП ЕN 1991-2-2009 [8]. ТКП ЕN 1992-2-2009 [9]. ТКП 45-3.03-232-2011 [10], а также Межгосударственного стандарта ГОСТ 8829-94 [11].
2. Проверяемый опытный образец признается годным по показателям прочности,
жесткости и трещиностойкости, так как образец выдержал все контрольные показатели предусмотренные ГОСТ 8829-94.
3. Особо следует отметить надежную работу предложенного неразъемного шпоночного контактного соединения двух железобетонных слоев опытного образца плиты проезжей части [13].
4. Учитывая актуальность исследований сборно-монолитных плит проезжей части
и внедрение в мостостроение новых конструктивных решений пролетных строений с их применением, считаем необходимым проведение дальнейших исследований в данном научном направлении.
Исследование проведено при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России из федерального бюджета в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.В37.21.1222.
ЛИТЕРАТУРА
1. Формирование научно-инновационной политики дорожного
хозяйства/А.А. Сухов, С.В. Карпеев, А.В. Кочетков, С.П. Аржанухина // Инновационная деятельность. 2010. № 3. - С. 41-44.
2. Аржанухина С.П., Сухов А.А., Кочетков А.В. Нормативно-методическое обеспечение развития инновационной деятельности в дорожном хозяйстве//Инновации. 2011. № 7. - С. 82-85.
3. Анализ срока службы современных цементных бетонов/П.Б. Рапопорт, А.В. Кочетков, Л.В. Янковский и др. // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. - С. 92-92.
4. Пастушков Г.П., Пастушков В.Г. О переходе на европейские нормы проектирования мостовых конструкций в республике Беларусь//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2011. № 2. С. 113-121.
5. Пастушков В.Г., Пастушков Г.П. Экспериментальные исследования пространственной работы железобетонных бездиафрагменных пролетных строений на крупномасштабных моделях//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2011. № 2. С. 141-151.
6. Стандартизация испытаний строительных, дорожных материалов и изделий/И.Б. Челпанов, В.В. Талалай, А.В. Кочетков и др.//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2011. № 2. - С. 57-68.
7. Аналитическое решение задачи гибки с растяжением/А.В. Кочетков, И.Б. Челпанов, В.Б. Гнитько, В.И. Ермолаев // Вестник машиностроения. 2000. № 7. - С. 46-47.
8. ТКП 45-5.03-97-2009 (02250). Железобетонные сборно-монолитные
конструкции. Правила проектирования. МАиС Республики Беларусь. - Минск. 2009. - 80с.
9. ТКП EN 1992-2-2009 (02250). Еврокод 2. Проектирование железобетонных конструкций. Часть 2. Железобетонные мосты. Правила проектирования и расчета. МАиС Республики Беларусь. - Минск. 2010. - 88с.
10. ТКП 45-3.03-232-2011. Мосты и трубы. Строительные нормы проектирования. МАиС Республики Беларусь. - Минск, 2012. - 296с.
11. ГОСТ 8829-94. Межгосударственный стандарт. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. МНТКС. - Минск. Минстройархитектуры Республики Беларусь, 1997. - 26с.
12. СТБ 2264-2012. Испытание бетона неразрушающий контроль прочности. Госстандарт. - Минск. 2013. - 20с.
13. Патент ВY № 9388 на полезную модель «Сборный элемент для неразъемного соединения с монолитным бетоном».
Рецензент: Кочетков Андрей Викторович, д.т.н., профессор СГТУ, ПНИПУ, начальник отдела РОСДОРНИИ.
