Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эволюция конструкций сталежелезобетонных пролетных строений за последние 50 лет 12
1.1. Краткий общий обзор конструктивных решений 12
1.2. Опыт строительства мостов со сталежелезобетонными пролетными строениями в Швейцарии 21
1.3. Опыт строительства мостов со сталежелезобетонными пролетными строениями шпренгельной системы в Германии 30
1.4. Особенности предварительного напряжения и регулирования сталежелезобетонных пролетных строений 35
1.5. Конструкции деталей объединения железобетонной плиты со стальными балками 42
1.6. Выводы, цель и задачи диссертационной работы 49
Глава 2. Новое конструктивное решение сталежелезобетонных пролетных строений мостов шпренгельной системы 51
2.1. Предлагаемая конструкция шпренгельной системы 51
2.2. Опытное проектирование сталежелезобетонного пролетного строения со шпренгелем 56
2.3. Исследование статической работы пролетных строений шпренгельной системы 64
2.3.1. Зарубежные исследования 64
2.3.2. Исследование предлагаемой шпренгельной системы 69
2.4. Учет влияния ползучести бетона и изменения температуры на работу шпренгельной системы 78
2.5. Выводы 83
Глава 3. Новая конструкция деталей объединения бетона и стали 85
3.1. Новейшие зарубежные конструкции деталей 85
3.2. Предлагаемая конструкция деталей 90
3.3. Поперечное сопротивление арматуры при взаимодействии стальной балки и железобетонной плиты 100
3.4. Нормативный метод расчета новой конструкции объединения бетона (плиты) и стальной балки. Результаты расчетов 108
3.5. Выводы 114
Глава 4. Возможности применения высокопрочных материалов в стале-железобетонных пролетных строениях шпренгельной системы 115
4.1. Высокопрочные бетоны 115
4.2. Высокопрочные стали 118
4.3. Устойчивость стенок бистальных балок. Нормативный метод расчета 122
4.4. Выводы 128
Общие выводы и предложения 129
Список литературы 131
Приложения:
- Опыт строительства мостов со сталежелезобетонными пролетными строениями в Швейцарии
- Учет влияния ползучести бетона и изменения температуры на работу шпренгельной системы
- Поперечное сопротивление арматуры при взаимодействии стальной балки и железобетонной плиты
- Устойчивость стенок бистальных балок. Нормативный метод расчета
Опыт строительства мостов со сталежелезобетонными пролетными строениями в Швейцарии
Конструкции пролетных строений мостов балочной системы (со сплошной стенкой) к настоящему времени достигли известной степени совершенства в рамках применяемых материалов и технологий и дальнейший прогресс связывают с поиском новых конструктивных форм, применением высокопрочных материалов, новыми технологиями изготовления и монтажа.
В отношении железобетонных преднапряженных балочных пролетных строений следует зафиксировать максимальную длину пролета, при которой железобетон эффективен в применении и при этом обеспечиваются эксплуатационные требования в смысле сохранения продольного профиля (отсутствие нерасчетных перемещений вследствие ползучести и нелинейных деформаций бетона и арматуры).
Нормы МГСН 5.02-99 ограничивают сжимающие напряжения в бетоне сечения балочных систем от нормативных постоянных нагрузок и воздействий значением 50% от нормативных сопротивлений. Такое требование основано на результатах наблюдений за железобетонными мостами (как сборными, так и монолитными) в нашей стране и за рубежом, получившими в процессе эксплуатации значительные остаточные прогибы.
Стальные пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части являются достаточно совершенной конструктивной формой, однако трудоемкость их изготовления остается весьма высокой, а покрытие проезжей части по стальному листу уступает по эксплуатационным показателям покрытию по железобетонной плите.
Представляется целесообразным эффективное осуществление синтеза в одном пролетном строении прокатной стали, железобетона и высокопрочных канатов.
Такой синтез с различной степенью успеха осуществляется в разных странах последние 50—55 лет. Указанные пролетные строения называют сталежелезобетонными (за рубежом — композитными), и в них стальные балки работают совместно с железобетонной плитой в составе единой конструкции. На проектирование этих конструкций имеется международный документ Еврокод-4 [56].
По мнению Н.Н. Стрелецкого [41], появление сталежелезобетон-ных пролетных строений с железобетонной плитой проезжей части, включенной в совместную работу со стальными главными балками (фермами), — один из примеров реализации принципа совмещения функций элементов конструкций, поскольку в железобетонной плите сталежелезобетонного пролетного строения совмещаются функции проезжей части и элемента поясов главных ферм. Разработка и создание этого принципа, составляющего важное общее направление технического прогресса конструктивных форм, связаны с успехами строительной механики, позволившими рассматривать пролетное строение как единое пространственное целое и обеспечивать пространственную совместную работу плоскостных частей пролетного строения (главных ферм, проезжей части, связей), учитывая эту совместную .работу в расчетах.
В традиционных конструкциях совместная работа железобетонной плиты и стальных балок обеспечивается посредством специальных деталей — упоров (зарубежный термин — коннекторы), которые по своей форме весьма разнообразны.
Нами предлагается для сталежелезобетонных пролетных строений новый конструктивный принцип совмещения функций (защищен авторскими свидетельствами на изобретения), при котором совместная работа плиты и балок осуществляется с помощью шпренгельной системы: передача преднапряжения осуществляется на плиту, опертую на стальные балки, через резиновые опорные части (рис. 0.1) [28, 29, 30].
Обстоятельством, способствовавшим развитию сталежелезобетонных пролетных строений, явилось также требование экономии стали, являвшемся в нашей стране самостоятельным технико-экономическим показателем. Включение железобетонной плиты в совместную работу с главными фермами обеспечивает экономию стали по сравнению с аналогичной конструкцией, имеющей не включенную в работу железобетонную плиту. Некоторые предварительно напряженные сталежелезобе-тонные пролетные строения, в которых высокопрочная арматура используется в качестве третьего конструкционного материала, могут приближаться по расходу стали к полностью железобетонным пролетным строениям [41].
Мы подтверждаем также возможность совершенствования традиционных конструкций, и в первую очередь деталей объединения железобетона и стали — важнейшего аспекта сталежелезобетонных пролетных строений.
Нами разработана (совместно с ОАО ЦНИИС) новая конструкция объединения железобетонной плиты со стальными балками, представляющая собой гребенчатую стальную полосу, привариваемую к верхнему поясу балки (конструкция защищена патентами) (рис. 0.2) [31, 32].
Актуальным и важным направлением развития мостостроения остается поиск эффективных способов реализации конструкционных свойств высокопрочных материалов: бетона классов 60 и выше, прокатной стали классов прочности 50—80, канатов из сверхвысокопрочных материалов, например из углеродных волокон.
В сталежелезобетонных пролетных строениях со шпренгелями указанной выше системы оказывается целесообразным применение как высокопрочного бетона в плите проезжей части, так и бистальных балок с поясами из стали классов 50—60.
Относительно рациональной области применения сталежелезобетонных пролетных строений следует отметить следующее. Из сравнения их со стальными пролетными строениями с ортотропной плитой проезжей части по зарубежным данным (США) получено, что по показателю расхода металла автодорожные сталежелезобетонные пролетные строения эффективны до пролета 105 м.
Учет влияния ползучести бетона и изменения температуры на работу шпренгельной системы
Впервые с использованием этого предложения был сооружен в 1960 г. мост через р. Томь в Новокузнецке пролетами 73+3x109+73 м (Ьобщ-473 м) и шириной проезда 19,6 м и тротуарами по 2,25 м. В поперечном сечении моста расположено 10 балок со сплошными стенками переменной высоты от 2,3 м над крайними опорами и в серединах больших пролетов до 5,45 м над промежуточными опорами. Стальные конструкции — сварные с клепаными монтажными стыками, основная марка стали — 15ХСНД.
Монтаж стальных балок был произведен полунавесным способом. Высокопрочную арматуру в виде петлевых пучков-восьмерок из 125 проволок 0 3 мм с пределом прочности 190 кгс/мм натягивали в статически определимой схеме при закреплении концов восьмерок на неподвижных и подвижных упорах. Натяжение пучков осуществляли одновременно на двух соседних балках, оттягивая подвижные упоры батареей домкратов, опирающихся на домкратные упоры. После окончания натяжения каждой пары пучков рассверливали отверстия и приклепывали подвижные упоры к поясу. Затем были уложены сборные железобетонные плиты. Нижнюю часть продольных швов, в которой размещались пучки, замонолитили пластичным раствором, а верхнюю часть, в которой размещались жесткие упоры, — жестким бетоном М300. Железобетонные плиты были обжаты в результате удаления балластной пригруз-ки. Экономия прокатной стали составила 10%, в то же время удлинились сроки строительства.
Натяжение высокопрочной арматуры на стальные балки было применено также на запроектированном Проектстальконструкцией мосту через р. Дон у Аксая, строительство которого было закончено в 1963 г. Пролеты моста 66+126+147+126+66 м (Ь0бщ=531 м), ширина — 1,5+7,0+1,5 м, в поперечном сечении четыре балки высотой от 2,5 м в пролете до 6,594 м над опорами. Второй метод — обжатие железобетонной плиты натяжением высокопрочной арматуры был применен на Калининском (Новоарбатском) мосту в Москве, построенном в 1957 г. Пролетное строение моста представляет собой двухплитную неразрезную конструкцию с пролетами 76,2+108+76,2 м (ЬОбщ=260,4 м). Общая ширина моста — 34+2x4,5 м, а число главных балок в поперечном сечении — 12; сталь углеродистая, марки М16С.
Каждую секцию напрягали восемью пучками, в каждом из кото-рых по 273 проволоки 0 5 мм с пределом прочности 150 кгс/мм , расположенными в открытых желобах из жести. Концы всех восьми пучков закрепляли в неподвижном анкерном блоке, в каждых четырех из них — в подвижном, причем торцы подвижного блока и железобетонной плиты были утолщены до 70 см для того, чтобы в них через двутавровые пакеты упирать домкаты, которыми натягивали пучки. Напряжение предва-рительного сжатия в плите достигало 188 кгс/см при расчетном растя-гивающем напряжении 15,2 кгс/см .
После предварительного напряжения плиты каналы с пучками, зазоры между плитой и стальными балками и «окна» с упорами очищали сжатым воздухом и омоноличивали бетоном.
Предварительное напряжение монолитной плиты было осуществлено в 1959 г. на мосту Куммер с пролетами 48+56+26 м (ЬОбщ=130 м) через р. Энс в Австрии. Стальная часть пролетного строения коробчатого сечения постоянной высоты (коробку образуют две балки и нижняя подребренная плита) была смонтирована двумя деррик-кранами в полунавес (при монтаже были использованы две временные опоры). Монтажные стыки стальной конструкции — на заклепках. В зонах действия отрицательных изгибающих моментов над промежуточными опорами натягивали от 52 до 72 арматурных стержней с суммарным усилием натяжения от 1400 до 1872 тс.
Экономичность решений, примененных на Калининском мосту и на мосту через р. Энс, существенно меньше, чем на мосту через р. Томь. Третий метод — обжатие высокопрочной арматурой объединенной конструкции, использован на законченном строительством в 1970 г.
Общее количество пучков 252 (по 63 пучка в каждом канале), причем длина пучков в канале изменялась от 19 до 86,5 м.
Пучок состоял из 48 проволок диаметром 5 мм с высаженными головками по концам. В процессе строительства было выполнено также регулирование напряженного состояния пролетного строения путем поднятия его на устоях на 2 м, что дополнительно обжало бетон.
Метод обжатия высокопрочной арматурой объединенной сталеже-лезобетонной конструкции был использован в СССР на ряде больших мостов (Литейный через р. Неву в г. Ленинграде, через р. Обь в г. Новосибирске), а также за рубежом (Бельгия, Швейцария, Франция, Германия).
Отмечая эффективность этого метода, необходимо подчеркнуть, что, как правило, требуется дополнительное обжатие железобетонной плиты в растянутых зонах путем подъема (опускания) пролетного строения с постоянных опор.
Поперечное сопротивление арматуры при взаимодействии стальной балки и железобетонной плиты
Предварительное напряжение конструкции было осуществлено патентованными мостовыми кабелями диаметром 72 мм. Кабели по архитектурным соображениям располагались с внутренней стороны главных балок. Очертание их принято по квадратным параболам, что приблизительно соответствует эпюре изгибающих моментов. Кабели для наблюдения оставлены открытыми, как это видно из рис. 1.13.
В проектном положении они удерживаются небольшими кронштейнами, через которые передаются давления от кабелей на балки. Для уменьшения сил трения, возникающих при натяжении, кабели и опорные плоскости кронштейнов были покрыты смазкой. Закрепление кабелей произведено по торцам балок, по середине их высоты.
Каждый кабель натягивался домкратом с силой 221 тс. Многократным натяжением было достигнуто более или менее постоянное значение модуля упругости кабеля, который окончательно оказался равным -1680 тс/см2.
В расчете конструкции учитывались потери натяжения из-за трения. При коэффициенте трения f=0,15 и натяжении с обоих концов пролетного строения эти потери получились равными 8,4%. Экономия металла в результате использования предварительного напряжения составила 33%. В ФРГ в пойменной части Северного моста через р. Рейн у г. Дюссельдорфа, имеющей пролеты 6x72 м, с целью дополнительного обжатия плиты в растягиваемых зонах была применена шпренгельная высокопрочная арматура, обжимающая объединенную конструкцию и размещенная в пределах высоты стальных балок. Порядок производства работ на этом мосту следующий. После монтажа четырех стальных балок постоянной высоты (h=2,95 м), расставленных на расстоянии 5,74 м, и связей между ними в растягиваемых зонах уложили монолитный бетон и натянули продольные и поперечные пучки. Затем уложили бетон в сжатых зонах и преднапрягли его в поперечном направлении. Посередине каждого пролета моста располагали временную опору, которую разобрали после того, как бетон омоноличивания сжатой зоны набрал проектную прочность. После устройства проезжей части было произведено дополнительное обжатие объединенной конструкции стальными канатами закрытого типа, идущими вдоль стальных балок (по четыре каната на каждую балку; общее усилие натяжения — 2248 тс). С развитием конструктивных форм пролетных строений и технологий их строительства возникали и совершенствовались методы пред-напряжения и регулирования. Предварительное напряжение и регулирование сталежелезобетонных пролетных строений осуществляют с целью получения экономии стали и обеспечения трещиностойкости железобетона. Предварительное напряжение имеет наибольшее применение в железобетонных конструкциях и меньшее в стальных конструкциях. В сталежелезобетонных пролетных строениях мостов, сочетающих специфику стальных и железобетонных конструкций, предварительное напряжение и регулирование применяют меньше, чем в железобетонных, но больше, чем в чисто стальных мостовых конструкциях. Эффективному применению предварительного напряжения и регулирования в сталежелезобетонных мостах способствуют особенности их возведения, приводящие к появлению двух или более стадий работы поперечных сечений сталежелезобетонных элементов. Экономия стали в результате предварительного напряжения и регулирования обеспечивается в сталежелезобетонных пролетных строениях следующими тремя путями [39]: выгодным распределением усилий между сечениями и элементами статически неопределимых конструкций за счет искусственного создания взаимно уравновешенной в конструкции в целом системы усилий, обратных в основном усилиям от внешних вертикальных эксплуатационных нагрузок; выгодным распределением усилий и напряжений внутри поперечных сечений сталежелезобетонных элементов за счет искусственного создания взаимно уравновешенных в пределах каждого поперечного сечения эпюр напряжений, в основном обжимающих железобетонную плиту и разгружающих стальную часть сечения; эффективным использованием высокопрочных материалов — высокопрочной арматуры, которая должна быть для полного ее использования предварительно натянута с обжатием основных конструкций, или высокопрочного бетона, который должен быть для полного его использования предварительно обжат с растяжением стальных частей. Трещиностойкость железобетона в результате предварительного напряжения и регулирования улучшается или полностью обеспечивается в сталежелезобетонных пролетных строениях путем предварительного обжатия его тем или иным способом. В рассмотренной ниже предлагаемой нами шпренгельной системе трещиностойкость железобетонной плиты обеспечивается благодаря ее обжатию постоянно действующей сжимающей силой. Современная классификация видов предварительного напряжения и регулирования дана Н.Н. Стрелецким [41] и представлена на рис. 1.14. Внутреннее предварительное напряжение и регулирование состоит в искусственном создании выгодной уравновешенной внутри конструкции системы усилий без изменения остающихся на время эксплуатации опорных реакций конструкции. Внешнее предварительное напряжение и регулирование предусматривает искусственное создание выгодной системы усилий с изменением опорных реакций конструкции, остающихся на время эксплуатации.
Наибольшее значение имеют способы 8, 1 и 3. В способах 8 и 3 выгиб стальных балок, необходимый для предварительного растяжения их верхних поясов, может быть получен надвижкой на соответственно расположенные опоры, поддомкрачиванием, опусканием концов балок под действием собственного веса на опущенные крайние опоры (рис. 1.15). Форсированное предварительное напряжение может быть достигнуто усиленным поддомкрачиванием при заанкеривании на некоторых опорах, временными пригрузками и прочим, но применяется в способах 8 и 3 относительно редко.
Устойчивость стенок бистальных балок. Нормативный метод расчета
Автором была выполнена проектная разработка нового сталежелезобетонного пролетного строения со шпренгелем в составе проекта мостового перехода через канал им. Москвы у г. Дмитрова на автомобильной дороге Москва — Дубна [35].
Было рассмотрено 6 вариантов моста, из них 2 варианта по нашему предложению. Для более полной оценки предлагаемой конструкции дадим описание всех вариантов моста и расчет показателей по расходу материалов и трудоемкости. Вариант 1. Схема моста 84+126+84 м. Общая длина моста 297 м. Пролетное строение сталежелезобетонное со шпренгелем. Металлическая балка представляет собой неизменяемый контур с горизонтальными связями как в уровне верхнего, так и нижнего поясов, и с вертикальными связями. Сборные железобетонные плиты имеют длину, равную габариту моста, и двускатный профиль с клееными стыками. Средняя толщина плиты 28 см. Плиты шириной 196 см массой 19,3 т. Рассмотрена возможность укладки плит двумя способами. 1-й способ: плиты надвигаются по специальным накаточным путям, установленным на поперечных связях, которые затем опускаются и плиты занимают место на резиновых опорных частях, покоящихся на опорных столиках. 2-й способ: плиты укладываются традиционным способом с использованием крана, монтирующего плиты впереди себя. Опирается каждая плита на две точки, этим достигается сглаживание всех отклонений в пределах допусков СНиП как металлической балки, так и плит. Плиты могут иметь смещения по вертикали до 0,8 см, что учтено в расчете — активная площадь плиты подсчитывалась при толщине ее 27,2 см. Затем швы между плитами толщиной 0,8—1,2 см заполняются эпоксидным клеем с цементом. После набора прочности клеем устанавливают болты крепления плиты к столикам, на плиту 8 болтов. В столиках под болты сверлятся овальные отверстия. Натяжение шпренгеля производится попролетно, начиная с большего пролета, в зависимости от имеющегося натяжного устройства. Пучки натягивают с двух сторон пролета одновременно, симметрично относительно оси моста. Суммарное усилие натяжения 3400 тс на пролет. В эксплуатации в шпренгеле возникает дополнительное усилие. Площадь шпренгеля подбиралась из условия работы на выносливость в анкерах и на перегибах на отклоняющих устройствах. По длине пролета шпренгель занимает положение на точках параболы. Это достигается за счет установки нужного количества отклоняющих устройств (5 шт. на пролет 126 м). Отклоняющее устройство — это балка, крепящаяся под некоторым углом (по биссектрисе угла перелома шпренгеля) к ребрам жесткости на стенке балки, соответствующим образом к ней приваренных. На нижнем поясе этой балки приварен гнутый лист по радиусу 8—10 м. Затем на этот гнутый лист укладывается полированный лист. Шпренгель в месте соприкосновения с отклоняющим устройством обматывается нафтленом через прокладки (например, из пластмассы). При расположении шпренгеля по параболе скольжение его по отклоняющим устройствам колеблется в пределах 5 мм от эксплуатационных нагрузок. В опорном сечении, где анкеруются пучки, железобетонная плита проезда имеет толщину 55 см для размещения анкерных устройств. Вертикальная составляющая шпренгеля передается через опорную диафрагму, которая выступает над балками пролетного строения. Анкеровка пучков производится при помощи обжатия проволок и заделки в анкер эпоксидным клеем с дробью. Натяжением шпренгеля создается напряжение в плите 95 кгс/см . В процессе эксплуатации с учетом ползучести напряжение возрастает до 185 кгс/см . Сталь пролетного строения 15ХСНД, в надопорном участке и середине пролета 126 м — 10ХСНД. Железобетонная плита проезда выполнена из бетона класса В-40. В такой конструкции пролетного строения железобетон работает исключительно на сжатие, высокопрочная проволока на растяжение, менее прочная сталь балки на изгиб. Период вертикальных колебаний Т=1,88 сек, горизонтальных колебаний Т=0,5 сек. Промежуточные опоры моста сборно-монолитные из контурных блоков ЦНИИСа, размером 9,2x4,2 м. Фундаменты опор на сваях-оболочках 6=0,6 м, погружаемых забивкой. Устои моста — сборно-монолитные на свайных ростверках из свай-оболочек d=0,6 м. Устой № 4, воспринимающий усилия от толкающих устройств при надвижке, приобретает размеры массивной опоры. Монтаж балки пролетного строения ведется надвижкой с устройством плавучей опоры в русле канала и 2-х временных опор в пролетах 84 м на расстояния 66 м от опор. Монтажные стыки главных балок болтосвар-ные. Вариант 2. Данный вариант однотипен с вариантом № 1. Схема моста 63+126+63 м. Общая длина моста 254,7 м. Такое соотношение пролетов облегчено наличием шпренгеля. В варианте № 1 дано описание конструкции пролетного строения. Натяжением шпренгеля выровнены усилия в металлической балке над опорой и в середине пролета. Общий расход стали и железобетона на пролетное строение сокращается на 10% по сравнению с вариантом 1. Расход стали 10ХСНД и 15ХСНД на пролетное строение составляет 1150 т, высокопрочной проволоки 160 т. По действующему СНиП 2.05.03-84 при требовании учета ограниченного развития пластических деформаций в сечении наиболее перегруженным оказывается опорное сечение. При проектировании конструкции со шпренгелем всегда можно добиться более равномерного за-гружения пролетного строения, а это облегчит и изготовление конструкции на заводе, т.к. будет меньшее количество изменений размеров листов поясов. Период вертикальных колебаний Т=1,78 сек. Монтаж — над-вижкой с плавучей опорой. При монтаже отпадает необходимость в устройстве дополнительной временной опоры. Для надвижки пролетного строения применяется только плавучая опора в русловой части моста. Вариант 3. Схема моста 84+128+84 м. Общая длина моста 297 м. Пролетное строение — металлическое неразрезное. В поперечном сечении коробчатое, высотой 3,6 м, с ортотропной плитой проезжей части и поперечными связями из уголков. Стыки главных балок болто-сварные.
