CC BY
17
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2021, №3, Том 13 / 2021, No 3, Vol 13 https://esj.today/issue-3 -2021.html URL статьи: https://esj.today/PDF/20SAVN321.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Малышкина А.В., Овчинников И.И. Современные конструкции дорожных одежд на мостовых сооружениях с железобетонной плитой проезжей части // Вестник Евразийской науки, 2021 №3, https://esj.today/PDF/20SAVN321.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Malyshkina A.V., Ovchinnikov I.I. (2021). Modern pavement structures on bridge structures with a reinforced concrete slab of the roadway. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(13). Available at: https://esj.today/PDF/20SAVN321 .pdf (in Russian)
Малышкина Александра Викторовна
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», Тюмень, Россия
Строительный институт Магистрант базовой кафедры АО «Мостострой-11» E-mail: alex.malyshkina2013@yandex.ru
Овчинников Илья Игоревич
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», Тюмень, Россия
Строительный институт Доцент базовой кафедры АО «Мостострой-11» Кандидат технических наук, доцент E-mail: bridgeart@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8370-297X РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id= 177132
Современные конструкции дорожных одежд на мостовых сооружениях с железобетонной плитой проезжей части
Аннотация. В данной статье описывается проблема неудовлетворительного состояния конструкций дорожных одежд, что приводит к сокращению срока службы покрытия на мостовых сооружениях.
В процессе работы рассмотрены основные причины разрушения дорожных одеж, а также описываются основные требования к конструктивным слоям и самой дорожной одежде в целом. Рассмотрены несколько вариантов дорожных одежд, применяемых за рубежом, а также конструкции, предлагаемые нашим сводом правил.
В ходе работы были проанализированы научные работы других авторов, в которых указывается, что несущая способность пролетного строения уменьшается на 10-30 % без учета совместной работы покрытия, а при совместной их работе повышается жесткость, равномерно распределяются усилия и уменьшается воздействие крутящих усилий.
При помощи программного комплекса Lira САПР смоделирована модель пролетного строения, при помощи расчетного сочетания нагрузок определены изменения максимально изгибающих моментов по предложенным вариантам.
В статье также рассматривается расчет плиты на постоянные и временные нагрузки по трем случаям загружения: одним колесом и двумя колесами нагрузки А14, нагрузкой Н14.
В конце данной работы предложен наиболее оптимальный и выгодный вариант конструкции дорожной одежды, который обеспечит безопасность дорожного движения, повысит срок службы покрытия и обеспечит защиту ниже лежащих слоев. Таким вариантом является та конструкция, в которой присутствует хотя бы один слой из литого асфальтобетона на основе полимер-битумных вяжущих, данный материал обладает рядом преимуществ, главное из которых это снижение толщины дорожной одежды и собственного веса покрытия.
Ключевые слова: дорожная одежда; мостовые сооружения; железобетонная плита проезжей части; асфальтобетон; щебеночно-мастичный асфальтобетон; гидроизоляция; сталефибробетон; литой асфальтобетон
Введение
Мостовые сооружения - сложные инженерные объекты, надёжность которых зависит от правильной конструкции и выбора материала. Безопасность движения по мостовым сооружения обеспечивает качественное покрытие. К сокращению срока службы и разрушению конструктивных элементов мостового сооружения приводят ряд причин, одной из которых является неудовлетворительное состояние дорожной одежды. Вследствие этого происходит разрушение нижележащих конструктивных элементов.
Срок службы дорожной одежды может составлять около 20 лет, но в связи с тем, что при устройстве дорожной одежды на железобетонную или ортотропную плиту проезжей части моста применяется технология строительства дорожной одежды как на традиционном грунтовом основании, не обращая внимания на значительные отличия в жесткостных характеристиках данных оснований, ремонт приходиться производить через каждые 3-5 лет [1]. Результат в виде срока службы 15-20 лет можно достичь за счет проектирования новых составов асфальтобетонной смеси. При проектировании учитываются перепады температуры в условиях эксплуатации (максимальная и минимальная), динамические напряжения, возникающие в асфальтобетоне, его упругость и пластические свойства. Проектирование самого состава также осуществляется по специально разработанной методике. Для таких дорожных одежд принимаются особенные режимы эксплуатации и требования к уровню их содержания.
Неудовлетворительное состояние покрытия (см. рисунок 1), является одной из причин разрушения бетона находящегося ниже мостового полотна, что приводит к сокращению сроков службы элементов конструкции.
Рисунок 1. Неудовлетворительное состояние развязки Московский тракт г. Тюмень (составлено авторами)
Анализ состояния проблемы
Анализ научно-технической литературы и привлеченных Интернет-источников выявил следующие основные причины разрушения дорожной одежды: ошибки при проектировании; применение устаревших технологий и материалов низкого качества; нарушение технологии и правил работ; неблагоприятные погодные условия; высокие транспортные нагрузки; применение неквалифицированного персонала, не имеющего опыта работы и необходимых навыков; неэффективная система контроля качества; отклонение от проектных решений и нормативных требований, а также при проектировании не учтена совместная работа самого пролетного строения с конструкцией дорожной одежды.
Все эти причины могут привести к образованию различных видов дефектов дорожной одежды, которые повлекут за собой серьезные нарушения конструкции моста в целом.
В статьях [2-3] авторами было выявлено снижение уровня состояния балки пролетного строения в 1-2 раза по отношению к расчетному, так же несущая способность пролетного строения уменьшается на 10-30 % в связи с проведением расчета без учета работы элементов, а также что покрытие под действием временной нагрузки и перепада температуры работает вместе с пролетом и претерпевает те же деформации, что и сам пролет. При совместной работе конструкции дорожной одежды с пролетным строением повышается жесткость, более равномерно распределяются усилия, уменьшатся воздействие крутящихся усилий, а также позволит сократить расход арматуры.
Отметим еще ряд публикаций, имеющих отношение к рассматриваемой проблеме [4-9].
Постановка цели, определение задач и ожидаемые результаты
Целью статьи является исследование эффективности применения различных конструкций дорожных одежд, для повышения срока службы и безопасности движения.
Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи:
1. Изучить требования, предъявляемые к конструктивным слоям, а также к самой конструкции дорожной одежды на железобетонной плите проезжей части.
2. Рассмотреть не менее 3-х вариантов конструкций дорожной одежды и учесть ее влияние на плиту проезжей части и моста в целом на основании типового проекта.
3. Провести сравнительный анализ представленных конструкций, для выявления наиболее оптимального и выгодного варианта.
По итогам выполнения выше перечисленных задач, планируется следующий результат - выявление наиболее оптимального и выгодного варианта конструкции дорожной одежды, обеспечивающего безопасность дорожного движения и защиту ниже лежащих слоев.
Требования, предъявляемые к конструктивным слоям, а также к самой конструкции дорожной одежды
Конструкция дорожной одежды состоит из следующих слоев: выравнивающий слой; гидроизоляция; защитный слой и не посредственного само покрытие.
Требования к защитному и выравнивающему слою.
Перед укладкой выравнивающего слоя необходимо убедиться в том, что на поверхности плиты проезжей части отсутствуют следующие повреждения: раковины; наплывы; трещины; масляные пятна, а также данные повреждения не приемлемы для самого слоя. Поверхность
плиты и выравнивающего слоя должна быть ровной и соответствовать классу шероховатости 2-Ш. Не допускается применять шлифование бетона затирочными машинами. Данное покрытия следует устраивать при температуре от плюс 5 °С до плюс 30 °С при отсутствии
атмосферных осадков. Укладка смеси одушевляется при помощи бетоноукладочных машин со
"12
скользящей системой1'2.
В качестве выравнивающего слоя под гидроизоляцию применяют мелкозернистый бетон класса не ниже В25 и морозостойкостью Б200-Р300 с маркой по водонепроницаемости не ниже W8 толщиной 30 мм3.
Для устройства защитных слоев необходимо применять арматурные сетки при этом, арматурную сетку не допускается укладывать не посредственно на гидроизоляцию, необходимо обеспечить под ними зазор не менее 10 мм. В бетонную смесь допускается вводить пластификаторы и воздухововлекающие добавки. Введение химических добавок - запрещено. Перед укладкой смеси деформационные швы необходимо закрыть металлическими листами или заполнить песком.
В качестве защитного слоя применяют такой же бетон только класса не ниже В30 с водоцементным отношением не выше 0,42 - толщиной не менее 40 мм3.
Требования к покрытию.
В связи с актуализированными нормативными документами, в частности СП 35.13330.2011, были введены требования к толщине верхних слоев дорожной одежды на железобетонной плите (см. рисунок 2)3.
Рисунок 2. Толщина покрытия в зависимости от типа укладки и применяемого материала (составлено автором)
Устраивать покрытия из щебеночно-мастичной смеси и асфальтобетонной следует при температуре воздуха весной от плюс 5 °С, а осенью не ниже плюс 10 °С при отсутствии
1 СП 72.13330.2016. Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 3.04.03-85. - Введ. 2017-06-17. - М.: Росстандарт, 2017.
2 СТО НОСТРОЙ 2.25.41-2011. Устройство цементобетонных покрытий автомобильных дорог - Введ. 2011-11-21. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2011.
3 СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03.-84*. - Введ. 2011-05-20. - М.: Росстандарт, 2011.
атмосферных осадков и на сухое основание. Коэффициент уплотнения при содержании щебня более 40 % - не ниже 0,99; при содержании щебня менее 40 % - не ниже 0,98. Уплотнение слоя из щебеночно-мастичного асфальтобетона выполняется сразу за выглаживающей плитой, для этого катки двигаются за асфальтоукладчиком как можно более короткими микрозахватками. В процессе уплотнения вальцы катка необходимо смачивать водой или мыльным раствором. Не допускается применение вибрации на мостовых сооружениях.
Покрытия из литого асфальтобетона допускает устраивать при температуре до минус 10 °С по специального технологическому регламенту. Литая смесь при укладке имеет температуру в пределах от 185 °С до 235 °С. Распределение смеси необходимо выполнять одновременно и не прерывно по всей ширине проезжей части мостового сооружения. Герметизацию поперечных и продольных стыков производят с использованием битумной ленты.
Требования к гидроизоляции.
Поверхность, на которую необходимо устраивать гидроизоляцию должна иметь продольные и поперечные уклона, также должна быть ровной и не иметь различных дефектов и соответствовать классу шероховатости 2-Ш. При наличии на проезжей части столбиков барьерного ограждения, каждый столбик необходимо выполнить вокруг всего столбика и с выведением на вертикальную поверхность. Так же гидроизоляция должна быть сопряжена с водоотводными трубами, после устройства гидроизоляции в трубку устанавливают прижимной стакан.
Рисунок 3. Требования к конструкциям дорожной одежды (составлено автором)
Рулонная наплавляемая гидроизоляция укладывается в один слой по поверхности выравнивающего слоя. Укладку выполняют путем раскатывания рулона в продольном направлении, так же возможна поперечная раскатка рулона. На наклейном полотнище гидроизоляции не должно быть складок, морщин и волнистости. Также нужно исключить
попадание масла, бензина, дизельного топлива и других растворителей на гидроизоляцию. Гидроизоляцию необходимо выполнить до наступления низких температур4.
Требования к конструкции дорожной одежды представлены на рисунке 3.
В свою очередь покрытие мостового сооружения должна обеспечивать плавный и безопасный проезд, таким образом покрытие должно область: ровностью; высокой износостойкостью; шероховатостью; прочностью и долговечность1.
Описание конструкций дорожных одежд и влияние их на плиту проезжей части
Рассмотрим следующие конструкции дорожных одежд, применяемых за рубежом, а также конструкции, предлагаемые нашим сводом правил, и сделаем сравнительный анализ данных конструкций (см. таблицу 1).
Для сравнения нам необходима исходная конструкция, которая на сегодняшний день применяется и является предпочитаемой при строительстве мостов. Исходную конструкцию примем на основании проекта «Реконструкция автомобильной дороги Р-402 Тюмень -Ялуторовск - Ишим - Омск, участок км 17+200 - км 28+730, Тюменская область (п. Боровский - р.п. Винзили) Мост через р. Пышма» (см таблицу 2, вар. 1).
Таблица 1
Варианты конструкций дорожных одежд
Вариант 1
Вариант 3
Вариант 2
Вариант 4
4 СП 42.13330.2013. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 3.06.04-94. - Введ. 2013-01-01. -М.: Росстандарт, 2013.
Страница 6 из 12
20SAVN321
Вестник Евразийской науки 2021, №3, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 3, Vol 13 https://esj.today
Рассчитаем собственный вес дорожной одежды (см. таблицу 2).
Таблица 2
Нагрузка от собственного веса дорожной одежды
№ варианта Собственный вес
Вариант 1 0,367 тс/м3
Вариант 2 0,119 тс/м3
Вариант 3 0,184 тс/м3
Вариант 4 0,280 тс/м3
Таким образом сравнивая нагрузку от собственного веса стандартной конструкции дорожной одежды (1 вариант - 0,367 тс/м3) с нагрузкой 2-ой конструкции (0,119 тс/м3), можно сделать вывод о том, что нагрузка снижается на 67,5 %, а разница между 1-ым вариант и 3-им составила - 49,8 %, а между 1-ой и 4-ой конструкций разница составила 55 %. Если же сравнить 2-ой вариант с 3-им, за счет применения в верхнем слое щебеночно-мастичного асфальтобетона нагрузка увеличится на 35,3 %.
В программном комплексе «ЛИРА» создадим модель одного пролета, для того что бы представить, как будет вести себя пролет с каждым из предложных вариантов, для этого про помощи РСН зададим следующие сочетания нагрузок (см рисунок 4).
" ' _' J-.T-.__LAJL----- --- г_—/ -.1-__/ -.1-
1 ' Расчетные сочетании нагрузок СНиП2.01.07-85" X ~f
N загруж. Наименование Вид Знакоперем. Взаимоискл. \оэФ. надежн. Цолядлтельн Вариант N-1 Вариант N-2 Вариант N-3 Idpiid- N-4 + X
1 1 Щебеночно-мастичный Постоянное(П) 1.1 1.0 5.0 5.0 .0 .0
2 2 Асфальтобетон Постоянное(П) 1.1 1.0 7.0 .0 .0 7.0 ш
3 3 Гидроизоляция [рулон] Постоянное(П) 1.1 1.0 55 .55 0 0
4 4 Гидроизоляция (битумнс Постоянное(П) 1.1 1.0 .0 .0 55 0
5 5 Выравнивающий слой Постоянное(П) и 1.0 3.0 ■0 .0 .0 и
6 6 ЛигойАБ Постоянное(П) и 1.0 .0 4.0 3.0 0
7 7 Сталефибробетон Постоянное(П) 1.1 1.0 .0 .0 .0 10.0
8 8 Посыпка из щебня Постоянное(П) 1.1 1.0 .0 .0 1.0 0 — /
Э Э Л игойАБ защитный Постоянное(П) 1.1 1.0 .0 .0 4.0 .0
[X PI
2 основное Особое (С) Особое (б^С) Добавить 2П+Д А К A (KfH-T) AM Коэффициенты
Рисунок 4. Таблица расчётных сочетаний нагрузок (составлено автором)
Далее соберем максимальные изгибающие моменты в одну таблицу и сравним в нам случае данные моменты возникают в крайней балке (балка №1) (см. рисунок 4, таблицу 3).
Таблица 3
Максимальные изгибающие моменты
№ варианта My, тс*м
Вариант 1 40,4
Вариант 2 13,7
Вариант 3 20,32
Вариант 4 37,09
Таким образом применяя в конструкции литой асфальтобетон, мы не только снизим собственный вес конструкции, но также и уменьшим максимальный изгиб, возникающий в крайних балках.
В процессе работы железобетонная плита проезжей части рассматривалась поперек пролета моста как неразрезная многопролетная балка, опирающаяся на упругие опоры (ребра).
С помощью поправочных коэффициентов определяем изгибающие моменты по формулам (14):
Моп = -0,8М0; Моп = +0,25М0 Мпр = +0,5М0; Мпр = -0,25М0
где М0 - максимальные изгибающие моменты в неразрезной системе.
(1) (2)
Постоянная нагрузка на плиту складывается из собственного веса дорожной одежды (табл. 2) и ее собственного веса - 4,5 кПа. Также плита рассчитывается на временные нагрузки А14 и Н14. Расчетный пролет плиты равен пролету в свету - 1,44 м (см. рисунок 5). В данной работе рассматриваются 3 случая загружения (см. рисунки 5-7).
Рисунок 5. Загружение плиты одним колесом нагрузки А14 (составлено автором)
Рисунок 6. Загружение плиты двумя колесами нагрузки А14 (составлено автором)
Рисунок 7. Загружение плиты нагрузкой Н14 (составлено автором)
Окончательные усилия в неразрезной плите с учетом коэффициентов перевода, влияющих на снижение момента за счет защемления плиты в ребрах (см. таблицу 4).
Таблица 4
Продольные нормальные напряжения в продольных ребрах
№ варианта Моменты в середине пролета, кН*м Моменты на опорах, кН*м Поперечные силы у опор, кН
1 Мпр 19,68 Мпр -9,84 Моп -31,49 Моп 9,84 Q 98,53
Мпр,п 10,61 Мпр,п -5,31 Моп,п -16,98 Моп,п 5,31
2 Мпр 12,04 Мпр -6,02 Моп -19,26 Моп 6,02 Q 98,67
Мпр,п 11,17 Мпр,п -5,59 Моп,п -17,87 Моп,п 5,59
3 Мпр 21,33 Мпр -10,67 Моп -34,14 Моп 10,67 Q 99,39
Мпр,п 11,41 Мпр,п -5,7 Моп,п -18,25 Моп,п 5,7
4 Мпр 19,83 Мпр -9,92 Моп -31,73 Моп 9,92 Q 98,66
Мпр,п 10,65 Мпр,п -5,33 Моп,п -17,04 Моп,п 5,33
За счет использования литого асфальтобетона в слоях дорожной одежды на искусственных сооружениях можно снизить риск появления трещин за счет отличной работы на растяжение при изгибе.
За счет совместной работы слоя щебеночно-мастичного асфальтобетона и слоя литого асфальтобетона получаем конструкцию с одинаковой деформативностью в слоях, это достигается за счет использования в обоих смесях одного и того же полимер битумного вяжущего.
Заключение
В процессе изучения различных конструкций дорожных одежд, в статье было рассмотрено 4 варианта. Сравнительный анализ показал, что более действенной является та конструкция, в которой присутствует хотя бы один слой из литого асфальтобетона на основе полимер-битумных вяжущих.
Строительство конструкций из литого асфальтобетона позволяет уменьшить толщину и вес асфальтобетонного покрытия почти на 33 %; обеспечить высокое сцепление к нижележащим слоям; водо- и паронепроницаемость слоев, отсутствует передвижение влаги через толщу слоя; обладает высокой усталостной трещиностойкостью при сжатиях, растяжениях, изгибах; способен демпфировать колебания; а также отсутствие эффекта коррозии материала, антибактериальная стойкость, солеустойчивость и экологичность.
Проблема покрытий на мостовых сооружения остается актуальной на фоне применяемых стандартных решений, новых технологий и современных строительных материалов. Улучшение конструкций дорожных одежд путем изменения толщины или использования нового материала недостаточно, чтобы исключить дорожную одежду из списка проблемных зон мостов и путепроводов.
Для решения проблемы требуется комплексный подход, включающий не только выбор материалов, но и технологию, но также создание различных опытных участков и лабораторных исследований. А также привлечение мостовых и дорожно-строительных организаций к улучшению качества проезжей части. Создание опытных участков и проведение лабораторных исследований - цель дальнейших исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Дорожная одежда на мостовых сооружения: отечественный и зарубежный опыт // Интернет-журнал «Науковедение» №5, 2014. сентябрь-октябрь. Идентификационный номер статьи в журнале 37КО514.
2. Финкельштейн И.А. Исследования влияния элементов мостового полотна на работу пролетного строения / И.А. Финкельштейн // Труды Союздорнии. - М., 1987.
3. Лукин Н.П. Совместная работа слоев дорожной одежды проезжей части мостов с железобетонными пролетными строениями / Н.П. Лукин, О.И. Безбабиева // Совершенствование технологии строительства, повышение качества и долговечности конструкций автодорожных мостовых сооружений: Труды Союздорнии. - М., 1987.
4. Актуганов И.З. Оценка долговечности бетонного покрытия автодорожного моста без оклеечной гидроизоляции / И.З. Актуганов // Совершенствование технологии строительства, повышение качества и долговечности конструкций автодорожных мостовых сооружений: Труды Союздорнии. - М., 1987.
5. Иванов Н.Н. Инструкция по расчету и конструированию дорожных одежд в городских условиях (проект) / Н.Н. Иванов, В.И. Барздо. - М.: МАДИ; Гипрокоммундортранс, 1965.
6. Лукин Н.П. Долговечность железобетонных автодорожных мостов / Н.П. Лукин,
A.С. Лозинский, С.В. Семенов // Совершенствование технологии строительства, повышение качества и долговечности конструкций автодорожных мостовых сооружений: Труды Союздорнии. - М., 1987.
7. Штильман Е.И. Совместная работа слоя мостового полотна с несущими конструкциями пролетных строений / Е.И. Штильман, Е.И. Эдельман,
B.П. Барсуков // Транспортное строительство. - 1981. - №1.
8. Тетерук Е.Г. Новый городской мост в г. Днепропетровске / Е.Г. Тетерук, И.А. Финкельштейн // Промышленное строительство и инженерные сооружения. - 1968. - №3.
9. Штильман Е.И. Объединение балок мостов напрягаемыми стержнями / Е.И. Штильман, В.И. Березецкий. - М.: Транспорт, 1968.
10. Овчинников И.Г., Овчинников И.И., Телегин М.А., Хохлов С.В., Применение асфальтобетонных покрытий на мостах (иностранный опыт) / интернет журнал «Науковедение» выпуск №5 - 2014.
Malyshkina Alexandra Viktorovna
Tyumen industrial university, Tyumen, Russia Construction institute E-mail: alex.malyshkina2013@yandex.ru
Ovchinnikov Ilya Igorevich
Saratov state technical university named after Y. Gagarin, Saratov, Russia
Tyumen industrial university, Tyumen, Russia Construction institute E-mail: bridgeart@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8370-297X PHH^ https://elibrary.ru/author_profile. asp?id= 177132
Modern pavement structures on bridge structures with a reinforced concrete slab of the roadway
Abstract. This article describes the problem of the poor condition of pavement structures.
In the course of the work, the main reasons for the destruction of pavements were considered, and the main requirements for the structural layers and the pavement itself in general were described. Several options for road pavements used abroad, as well as designs offered by our set of rules, are considered.
In the course of the work, the scientific works of other authors were analyzed, which indicate that the bearing capacity of the superstructure decreases by 10-30 % without taking into account the joint work of the coating, and when they work together, the rigidity increases, the forces are evenly distributed and the effect of torsional forces decreases.
With the help of the Lira CAD software package, a model of the superstructure was modeled, with the help of a calculated combination of loads, changes in the maximum bending moments were determined according to the proposed options.
The article also discusses the calculation of the plate for permanent and temporary loads for three cases of loading: one wheel and two wheels A14 load, H14 load.
At the end of this work, the most optimal and profitable design of the road pavement is proposed, which will ensure road safety, increase the service life of the pavement and provide protection for the underlying layers. Such an option is the design in which there is at least one layer of cast asphalt concrete based on polymer-bituminous binders, this material has a number of advantages, the main one of which is to reduce the thickness of the pavement and the own weight of the pavement.
Keywords: road clothes; bridge structures; reinforced concrete slab of the roadway; asphalt concrete; crushed stone mastic asphalt concrete; waterproofing; steel fiber concrete; cast asphalt concrete
