Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса 10
1.1 История развития сталефибробетона как конструкционного материала в строительной практике. Дисперсно-армированные бетоны на основе стальной фибры, их свойства. Традиционные области применения сталефибробетона 10
1.2 Анализ возможностей применения сталефибробетона в несущих конструкциях 25
Выводы по 1 главе 28
Цель и задачи исследования 29
ГЛАВА 2 Теоретические и экспериментальные исследования сталефибробетона как конструкционного материала 30
2.1 Основные параметры, влияющие на свойства сталефибробетона. Классификация стальной фибры по прочности и типоразмерам. Испытания образцов стальных фибр основных предприятий - производителей Российской Федерации 30
2.2 Работа сталефибробетона при нагружении с учетом прочностных и геометрических характеристик фибры и прочности бетона - матрицы 47
2.3 Обоснование минимального процента армирования сталефибробетонных элементов при осевом растяжении 56
2.4 Экспериментальные исследования работы сталефибробетона на растяжение при изгибе и сжатии 61
2.5 Исследование работы, расчет прочности изгибаемых элементов
2.5.1 Внецентренное сжатие. Обоснование области использования сталефибробетона в качестве конструкционного материала
для данного случая нагружения 73
Выводы по 2 главе 77
ГЛАВА 3 Исследования возможности применения сталефибробетона для конструкций малопролетных засыпных арочных мостов на автодорогах 78
3.1 Исследования, расчет и проектирование трехшарнирных арочных конструкций засыпных мостов пролетом 6 м под автодороги 79
3.1.1 Обоснование рационального очертания трехшарнирной арки 79
3.1.2 Исследование силового состояния трехшарнирной арки засыпного моста пролетом 6 м с использованием программы «Plaxis 8.2» 93
3.1.3 Исследование возможности реализации трехшарнирных арок засыпных мостов пролетом 6 м со сталефиброармированием и комбинированном армировании 100
3.2 Исследования, расчет и проектирование двухшарнирных арочных конструкций засыпных мостов пролетом 4 м под автомобильные дороги с использованием сталефибробетона 103
3.2.1 Обоснование рационального очертания двухшарнирнои арки 103
3.2.2 Исследование силового состояния двухшарнирнои арки засыпного моста пролетом 4 м с использованием программы «Plaxis 8.2» 113
3.2.3 Исследование возможности реализации двухшарнирных арок засыпных мостов пролетом 4 м в сталефибробетоне 119
3.3 Расчет сталефибробетонных конструкций малопролетных засыпных мостов по предельным состояниям второй группы (расчет по раскрытию трещин) 120
3.4 Оптимизация размеров межблочной шпонки применительно к стадии монтажа блоков сталефибробетонных арок 126
Выводы по 3 главе 131
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования работы сталефибробетонных АРОК 133
4.1 Испытания опытных конструкций сталефибробетонных арок пролетом 4 и 6 м на силовом стенде БашНИИстроя 133
ГЛАВА 5 Производство и применение сталефибробетонных арок пролетом 4 и 6 метров в конструкциях засыпных мостов на предприятиях республики башкортостан (ГУП «БАШКИРАВТОДОР») 136
ГЛАВА 6 Экономическая эффективность арочных мостовых конструкций в сталефибробетоне 141
7 заключение 146
Список использованных источников
- Анализ возможностей применения сталефибробетона в несущих конструкциях
- Экспериментальные исследования работы сталефибробетона на растяжение при изгибе и сжатии
- Исследование возможности реализации трехшарнирных арок засыпных мостов пролетом 6 м со сталефиброармированием и комбинированном армировании
- Производство и применение сталефибробетонных арок пролетом 4 и 6 метров в конструкциях засыпных мостов на предприятиях республики башкортостан (ГУП «БАШКИРАВТОДОР»)
Введение к работе
Актуальності» темы. 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 является одной из причин преждевременного износа конструкций. Ситуация усугубляется введением в действие с 01.01.2008 повышенных нагрузок от автомобильных средств А14, НК-100 (ГОСТ Р 52748-2007). 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 водопропусісньїе трубы и малопролетные балочные мосты, обладающие совокупностью достоинств этих сооружений и исключающие их недостатки.
Повышения надежности и долговечности конструкций арочных засыпных мостов можно достичь использованием сталефибробетона, обладающего высокой усталостной выносливостью и ударостойкостью, высокой трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепроницаемостью по сравнению со стандартным бетоном как составляющей железобетона.
Цель работы состоит в исследовании и реализации возможностей применения сталефибробетона в конструкциях малопролетных засыпных арочных мостов под автомобильные дороги.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Уточнение специфики работы сталефибробетона при нагружении с
учетом прочностных и геометрических характеристик стальной фибры и
прочности бетона-матрицы.
2. Обоснование оптимального очертания двухшарнирных и
трсхшарнирных арок автодорожных мостов с учетом переменного положения
временной нагрузки в пределах пролета.
3. Исследование возможностей решения конструкций арок засыпных
мостов с использованием сталефибробетона и в комбинированном армировании
в диапазоне пролетов 4-6 м под автомобильные нагрузки, включая нагрузки,
соответствующие новому ГОСТ Р 52748-2007 (А14, НК-100).
4. Разработка конструктивных решений сталефибробетонных арок
малопролетных мостов с их испытанием на силовом стенде.
5. Производство и применение конструкций малопролетных арочных
мостов в автодорожном строительстве Республики Башкортостан в рамках
экспериментального строительства.
Научная новизна.
Предложена принципиально новая классификация типов стальной фибры по сочетанию её' прочностных, геометрических характеристик и по эффективности её использования в сталефибробетоне.
Впервые получено обоснование рационального применения основных типов стальной фибры согласно принятой классификации в сочетании с бетоном-матрицей для диапазона классов прочности бетона на сжатие В15-В60 по критериям использования прочностных характеристик фибры, уровню достигаемой прочности сталефибробетона на растяжение и повышения несущей способности сталефибробетонного элемента.
Обоснована рациональная область применения сталефибробетона как самостоятельного конструкционного материала в несущих конструкциях. Этой областью являются внецентренно - сжатые элементы и, в частности, железобетонные арки сооружений, растянутая зона сечений которых существенно разгружается напряжениями обжатия от действия продольной сжимающей силы.
Исследованы возможности регулирования очертания двух- и трехшарнирных арок и оптимизации их относительной стрелы подъема в целях минимизации эксцентриситета продольной сжимающей силы и расширения возможностей решения конструкций арок в сталефибробетоне без комбинирования со стержневым армированием.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований работы сталефибробетона при нагружении в зависимости от прочностных и геометрических характеристик стальной фибры и прочности бетона-матрицы.
Результаты расчетных и экспериментальных исследований силового состояния малопролетньгх двух- и трехшарнирных арок засыпных мостов под автомобильные нагрузки НК-100 с учетом очертания, стрелы подъема арок и грунтового основания фундамента.
Критерии оценки возможностей проектирования и реализации конструкций арок пролетом 4 - 6 м в сталефибробетоне и комбинированном армировании в автодорожном строительстве.
Результаты производственной апробации предлагаемых технических решений при возведении арочных засыпных мостов пролетом 4 - 6 м.
Практическое значение. Разработаны рациональные арочные конструкции засыпных малопролетных мостов под автодороги, очертание свода которых обеспечивает наиболее благоприятное распределение внутренних усилий с учетом перемещения временной подвижной нагрузки в пределах пролета. Разработаны рекомендации по изготовлению и применению конструкций звеньев арочных мостов пролетом 4 и 6 м в сталефибробетоне с коэффициентом фибрового армирования ил = 0,015-0,02 (1,5-2%) при полном отказе от стержневой арматуры и с применением комбинированного армирования.
При строительстве мостов традиционно важное значение придается архитектурной выразительности сооружений, и этому критерию отвечают предлагаемые арочные мосты, имеющие преимущества по эстетической выразительности относительно водопропускных труб и балочных мостов.
Реализация работы. 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 2006 - 08 гг подразделениями ГУП «Башкиравтодор» возведены сталефибробетонные арочные мосты на автодорогах I и II категории в Бакалинском, Бирском, Уфимском, Янаульском районах Республики Башкортостан.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и представлялись на научно-технических конференциях УГНТУ (г. Уфа,2005-2008 гг.); на научно-техническом семинаре при XV Международной выставке «Уралстройиндустрия-2005» (г.Уфа, 2005 г.); на Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» при X, XI, XII, XIII Международных специализированных выставках «Строительство. Коммунальное хозяйство - 2006, 2007, 2008, 2009» (г.Уфа), на Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» (г. Воронеж, ноябрь, 2008 г.).
По результатам исследований опубликовано 17 статей и тезисов докладов. Технические разработки по внедрению сталефибробетонных конструкций в дорожном строительстве Республики Башкортостан отмечены дипломами Международных выставок «Уралстройиндустрия-2005», «Строительство. Коммунальное хозяйство - 2006,2008» (г. Уфа).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, включает 8 приложений, содержит 50 иллюстраций и 26 таблиц. Список использованных источников включает 110 наименований.
Анализ возможностей применения сталефибробетона в несущих конструкциях
Сталефибробетон - бетон, армированный отрезками стальной проволоки, - был предложен профессором В.П. Некрасовым в 1907 г. В последующие десятилетия значительный вклад в развитие науки и практики в этой области внесли Ю.М. Баженов, В.Н. Байков, Г.И., О.Я. Берг, Бердичевский, В.М. Бондаренко, А.С. Бочарников, А.А. Гвоздев, Ю.В. Зайцев, К.М. Королев, Б.А. Крылов, Л.Г. Курбатов, Е.Г. Кутухтин, И.А. Лобанов, К.В. Михайлов, А.С. Носков, А.В. Носарев, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, В. Рамачандран, В.Б. Ратинов, Б.Г. Скрамтаев, B.C. Стерин, К.В. Талантова, Г.К. Хайдуков, М.М. Холмянский, Ю.Н. Хромец, А.Е. Шейкин, Ф.Ц. Янкелевич и др.
Как и в традиционно армированных структурах, упрочнение волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по поверхности раздела, и, если модуль волокна больше модуля матрицы, то основную долю приложенных напряжений воспринимают волокна, а общая прочность композиции пропорциональна их объемному содержанию [11, 64].
Как и стержневая, проволочная арматура, стальная фибра обладает значительно более высокой прочностью при растяжении (300-800 раз) и жесткостью (модулем упругости, 10-20 раз) по сравнению с матрицей -бетоном, что при достаточно хорошем сцеплении, использовании анкерующих устройств на концах фибры обеспечивает значительное упрочнение бетона, в первую очередь, на растяжение.
Примерно одинаковый коэффициент линейного расширения стальной фибры и бетона -матрицы ( 10 5 град " ) практически исключает развитие температурных напряжений в сталефибробетоне в условиях перепада температур, а характерная щелочная среда бетона (рН около 12), формирующаяся за счет гидрооксида кальция, образующегося в процессе гидратации силикатных фаз портландцемента, обеспечивает коррозионную стойкость стальной фибры в процессе эксплуатации сталефибробетонных изделий и конструкций [7 - 11]. Методами дисперсного армирования предусматриваются возможности получения направленной и произвольной (свободной) ориентации волокон в объеме бетона. Направленная ориентация реализуется главным образом при использовании непрерывных нитей, жгутов, различного рода тканых и нетканых сеток, разреженных тканей и других аналогичных материалов. Подобный вид ориентации может быть также осуществлен при армировании бетона короткими волокнами, в частности стальными фибрами при формовании изделий, например в магнитном поле.
Произвольная ориентация осуществляется, как правило, короткими волокнами, однако в этом случае могут использоваться и рулонные материалы в виде холстов, матов и вуалей, в которых волокна не имеют организованного переплетения. На практике в конструкциях могут реализовываться различные виды произвольной ориентации.
Плоскопроизвольная ориентация характеризуется равновероятным и неограниченным (свободным и хаотичным) распределением волокон в плоскости (в двухмерном пространстве). Дисперсное армирование в этом случае реализуется главным образом в тонкостенных изделиях в виде плоских листов, плит, а также в элементах, обладающих криволинейной формой. Толщина изделий в этом случае меньше, как правило, длины используемых волокон, при этом углы наклона волокна по отношению к поверхности изделий сравнительно небольшие.
Объемно-произвольная ориентация характеризуется равновероятным и неограниченным (свободным и хаотичным) распределением коротких армирующих волокон во всем объеме бетона (в трехмерном пространстве). Углы наклона волокон по отношению к поверхности изделий от 0 до 90, размеры изделий во всех направлениях значительно превышают длину волокон.
Стесненно-произвольная ориентация имеет место, когда по меньшей мере два геометрических параметра элементов конструкций, например их высота и ширина, ограничены в размерах, что стесняет свободу произвольной ориентации армирующих волокон в объеме бетона. Подобная ситуация наблюдается при дисперсном армировании балок, ребер плит, различного рода перемычек и т. д. Чем меньше размеры поперечного сечения изделий, тем в большей мере ограничены возможности свободной ориентации армирующих волокон. Анализ показывает, что эффект стеснения ориентации волокон проявляется в основном в тех случаях, когда соответствующие размеры изделий превышают длину армирующих волокон не более чем в 5 раз. При более значительных размерах поперечного сечения изделий эффект стеснения заметно снижается, параметры ориентации волокон в бетонной матрице в этом случае приближаются к параметрам плоско- или объемно-произвольного армирования [46, 65, 71, 91].
По своему характеру дисперсное армирование может осуществляться одним видом фибр или смесью разных фибр (разной длины и разного состава). Значительный интерес представляет применение дисперсной арматуры для традиционно армированных железобетонных конструкций, в которых часть стержневой арматуры заменяется на фибровую (комбинированное армирование). Вполне очевидно, что технологические методы изготовления таких конструкций зависят в значительной мере от вида используемых для них армирующих материалов [32, 36].
Эффективность работы волокон в конструкциях в значительной мере должна определяться степенью их деформативности. Поэтому предложено разделять волокна на два типа: низкомодульные (нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые) с характерным для них большим относительным удлинением при разрыве и высокомодульные (стальные, стеклянные, углеродные). В первом случае при армировании следует ожидать в основном повышения ударной вязкости бетона, во втором - может быть достигнуто также увеличение прочности бетона при растяжении, жесткости и сопротивления динамическим воздействиям.
Экспериментальные исследования работы сталефибробетона на растяжение при изгибе и сжатии
При проектировании сталефибробетонных конструкций, работающих на растяжение, изгиб и сжатие, согласно СП 52-104-2006 «Сталефибробетонные конструкции» коэффициент фибрового армирования по объему ufv рекомендуется принимать в пределах от 0,005 (0,5%) до 0,018 (1,8%). Допускается при экономическом обосновании принимать jj.fv 0,018 для конструкций, подверженых ударным, истирающим, температурным воздействиям, или при предъявлении к конструкции повышенных требований по трещиностойкости, но не более 0,02.
Из опыта проектирования и производства сталефибробетонных конструкций рабочий диапазон объемного содержания фибры принимается обычно от 0,8 до 1,5%. При более высоком проценте армирования и традиционной технологии приготовления сталефибробетонной смеси возрастает трудоемкость изготовления конструкций, не обеспечивается равномерное распределения фибры по объему, возникает комкование фибры.
В развитие вопроса о минимальном проценте дисперсного армирования бетонов большой вклад внес Рабинович Ф.Н. [65 - 70, 73].
В практике часто возникает необходимость вводить минимальное количество фибровой арматуры с целью повышения трещиностойкости при усадке, повышения ударостойкости, устойчивости к истиранию, морозостойкости. Применительно к статическому нагружению, с другой стороны, существует граничное значение фиброармирования, ниже которого это армирование смысла практически не имеет.
При осевом растяжении исходим из того, что минимальный уровень армирования будет соответствовать такому содержанию фибры, при котором в момент образования трещины в бетоне - матрице фибра могла бы быть способной воспринять напряжения растяжения, которые испытывал образец в момент, предшествующий образованию трещины. Это условие мо жет быть записано в следующем виде: где Oftt - напряжение в сталефибробетоне на растяжение вг момент перед образованием трещины, МПа; Rbtn - нормативное сопротгивление бетона-матрицы на растяжение по СНиП 52-01-2003, СП 52-101-2003, МПа; UfV - объемная концентрация фибры; п=Е8/Еь - соотношение модулей упругости стальной фибры и начального модуля упругости бетона; Rf - расчетное сопротивление фибры на растяжение, МПа; ЛогДш — коэффициенты учитывающие соответственно: влияние вероятности отклонения направления усилий в фибрах от направления действия Пагрузки (ког), и вероятную анкеровку фибр в бетоне-матрице (кт).
Расчеты несущей способности сталефибробетона на растяжение выполнены для двух видов фибр по прочности — обычной и высокопрочной в зависимости от класса по прочности на сжатие бетона-матрицы.
Неравенство (8) может быть представлено графически (рисунок 20) зависимостью несущей способности сталефибробетона в момент перед образованием трещины и несущей способности сечения, обеспечивающейся только фиброй после образования трещины.
Теоретические предпосылки расчета несущей способности сталефибробетона на растяжение до образования трещины в сечении как композиционного материала основываются на законе аддитивности («правило смеси») с учетом особенностей работы фибры. Модуль уггругости композиции закономерно (аддитивно) складывается из модулей ориентированной матрицы и наполнителя пропорционально их обсьемным долям в массе материала. При этом несущая способность сече=ния на растяжение перед образованием трещины для бетона класса прочности на сжатие В40 определяется левой частью неравенства (8) (кривая 1, рисунгок 20). Правая часть неравенства (1) соответствует стадии после образования трещины, когда бетон «исчерпал» свою несущую способность на растяжение, а несущая способность сечения обеспечивается исключительно несущей способностью фибры (рисунок 20, кривая 2 для стальной фибры типа 1, резанной из стального листа с расчетными характеристиками Rf = 440 МПа; df = 0,7 мм; lf = 35 мм (1г / df = 50); кривая 3 — для стальной фибры типа 3, рубленной из проволоки с характеристиками Rf = 950 МПа; df = 0,7 мм; If = 35 мм (lf / df = 50)). Кривые 4, 5 (рисунок 20) соответствуют расчетному сопротивлению сталефибробетона на растяжение, согласно СП 52-104-2006 «Сталефибробетонные конструкции», армированного фиброй типа 1 и типа 4.
Характер изменения несущей способности сталефибробетона в зависимости от объемного содержания стальной фибры р для класса бетона матрицы по прочности на сжатие В40 Влияние повышения прочности бетона на рост расчетного сопротивления сталефибробетона R связано с улучшением анкеровки фибры в бетоне матрице и при прочих равных условиях повышению соотношения разрываемых фибр к числу выдергиваемых фибр в предельной стадии. Анализируя рисунок 20, можно выделить 2 стадии (зоны) работы сталефибробетона: - совместное восприятие бетоном и фиброй приложенной нагрузки (зона 1); - при достижении предельной растяжимости бетона происходит образование трещин; далее растягивающую нагрузку воспринимает самостоятельно стальная фибра, удерживаемая в бетоне - матрицы за счет её анкеровки до тех пор, пока не произойдет ее разрыв или выдергивание из бетонной матрицы (зона 2).
Точка А (рисунок 20, пересечение кривых 1 и 2) и точка В (рисунок 20, пересечение кривых 1 и 3) соответствует минимальному объемному содержанию стальной фибры при осевом растяжении p.fv,min Минимальный коэффициент (процент) армирования u.fv m(n для различных классов по прочности бетона-матрицы на сжатие и различных типов стальной фибры приведен в таблице 7.
Повышение класса прочности бетона-матрицы на сжатие приводит к необходимости использования высокопрочной фибры. В противном случае, при использовании фибры обычной прочности минимальный коэффициент армирования для бетонов высокой прочности приближается к верхнему значению рабочего диапазона ufv = 0,012-0,015 (таблица 7), а удельная несущая способность сталефибробетона в данном случае в основном определяется сопротивлением бетона - матрицы на растяжение и практически не зависит от процента армирования. В высокопрочных бетонах (класс по прочности на сжатие В40 - В60) минимальный коэффициент армирования высокопрочной фиброй составляет ц = 0,008 - 0,009. Последующее повышение содержания фибры выше минимального обеспечивает не только значительный рост несущей способности, но и смягчает или даже исключает опасный хрупкий характер разрушения сталефибробетонного элемента.
Исследование возможности реализации трехшарнирных арок засыпных мостов пролетом 6 м со сталефиброармированием и комбинированном армировании
Предлагаемая конструкция арочного засыпного моста представляет собой одноиролетную аркупролетом 6 м, выполненную в трехшарнирном варианте. С целью обоснования рационального очертания арочных конструкций были рассмотрены 2 варианта конструктивных схем - круговая и параболическая арки при изменении стрелы подъема f = 1,6...3,0 м. Высота поперечного сечения принята равной 250 мм.
Расчет трехшарнирной арки расчетным пролетом 6,0 м произведен на постоянные нагрузки собственного веса и засыпки грунта насыпи (при толщине засыпки h=l-6 м) с учетом временной нагрузки НК-80 в соответствии с СНиП 2.05.03-84 [81] и НК-100 в соответствии с ГОСТ Р 52748-2007, введенный с 01.01.2008 [29].
Для исследования напряженно-деформированного состояния звеньев арок засыпных мостов, работающих в составе сооружения в условиях плоской деформации, был использован программный комплекс «Plaxis 8.2», позволяющий моделировать физико-механические характеристики грунтов основания и насыпи арок и реализовать совместную работу железобетонных конструкций с грунтом под действием нагрузок от автотранспорта и собственного веса ірунта.
В расчетах рассматривались симметричное положение нагрузки относительно пролета и несколько вариантов ассиметричного загружения, когда нагрузка перемещается в пределах пролета конструкции. Расчеты выполнены для нескольких типов грунтового основания арочных мостов при варьировании высоты засыпки из песчаного грунта h=l-6 м и различном расположении подвижных нагрузок НК-80, НК-100 в пределах пролета. Применительно к аркам пролетом 6 м расчеты проведены для поперечного сечения единичной длины b x/z=l,0x0,25 м (b и h — соответственно ширина и высота фрагмента сечения). Нагрузки и силовые факторы даны для 1 п.м. поперечного сечения пролета.
На стадии оптимизации эффективность арочных конструкций параболического и кругового очертаний при одинаковом пролете и стреле подъема оценивалась по следующим критериям: величине эксцентриситета е0 приложения сжимающей силы N до центра тяжести сталефибробетошюго сечения, величине распора (горизонтальная реакция в опорном шарнире), абсолютного значения продольной сжимающей силы N в критических сечениях.
При одном из наиболее неблагоприятном (критическом) асимметричном случае загружения 3 трехшарнирнои арки пролетом 6 м значение изгибающих моментов при равной стреле подъема у параболической арки выше круговой до 1,5 раз при приблизительно одинаковых продольных сжимающих сил N. В той же пропорции изменяются значения эксцентриситетов продольных сил N.
По критерию минимизации эксцентриситета действия продольной сжимающей силы трехшарнирная арка с f=l,6 м несколько превосходит арку с f=2,3 м (значения эксцентриситетов е0 для арки с f = 2,3 м больше в 1,1... 1,3 раза по сравнению с аркой при f = 1,6 м, рисунок 31), но проигрывает последней по величине распора в опорных шарнирах (в 1,6-3 раза в зависимости от высоты насыпи и положения подвижной нагрузки), что усложняет конструктивное решение фундаментов под опирание арок. Поэтому оптимальным для 6-метровой трехшарнирнои арки принято круговое очертание при стреле подъема f=2,3 м.
Значения расчетных комбинаций усилий в наиболее нагруженных сечениях размером 1,0x0,25 м (сочетаний отрицательного или положительного изгибающих моментов с соответствующими им продольными сжимающими силами для трехшарнирнои арки пролетом 6 м со стрелами подъема f = 1,6 - 3,0 м приведены в таблице 18 от загружения временной нагрузкой НК-80 и в таблице 19 от загружения временной нагрузкой ПК-100.
Производство и применение сталефибробетонных арок пролетом 4 и 6 метров в конструкциях засыпных мостов на предприятиях республики башкортостан (ГУП «БАШКИРАВТОДОР»)
Возведение дорожных искусственных сооружений из сборных железобетонных конструкций по сравнению с монолитным железобетоном позволяет значительно сократить сроки строительства, уменьшить затраты на вспомогательные работы, обеспечивая высокое качество выполнения: работ.
Одной из сравнительно новых возможностей в технологии производства дорожного железобетона является дисперсное армирование хрупкого но своей природе бетона фиброй - стальной или синтетической.
Перевод производства сборных конструкций с традиционным стержневым армированием на использование сталефибробетона позволяет в значительной степени снизить трудоемкость при изготовлении, повреждаемость при транспортировке и монтаже и соответственно стоимость конструкции. Сталефибробетон особенно перспективен в производстве сборных малопролетных арочных мостов.
В практике строительства дорог часто возникает проблема появления различного рода повреждений конструкций на стадии монтажа. Такого рода повреждения, трещины наиболее опасны для сталефибробетонных конструкций. Стальная фибра, используемая в качестве армирующих волокон, имеет сечение в диаметре менее 1 мм и под действием атмосферной влаги, проникающей сквозь трещину, быстро коррозирует, снижая при этом несущую способность (прочностные характеристики). Одна из причин появления повреждений связана с нарушением технологии производства работ. Анализ строящихся объектов в дорожной отрасли позволил выявить следующие существенные нарушения технологии производства работ: отсутствие или несвоевременное выполнение операции зачеканивания цементно-песчаным раствором монтажного зазора между отдельными звеньями сборных железобетонных малопролетных арочных мостов; - устройство насыпи над сооружениями и на подходах к ним до отметок ниже проектных, при допуске движения тяжелой строительной техники по ним.
В результате отсутствия цементно-песчаного шва между отдельными звеньями сборных железобетонных малопролетных арочных мостов на безусадочных и расширяющихся цементах на стадии монтажа и устройства насыпи звенья труб и арок воспринимают нагрузки без их перераспределения на соседние элементы.
Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкции и выявления роли устройства цементно-песчаного шва были рассчитаны трехмерные компьютерные модели, созданные в программном комплексе SCAD. Расчет напряжений и деформаций производился методом конечных элементов.
Рассматривалось 2 типа расчетных схем двухшарнирного арочного моста пролетом 4 метра: одиночная работа звена длиной 2 м (рисунок 40) и совместная работа трех звеньев арки с общей длиной 6 м (рисунок 41), объединенных растворным швом снизу на высоту h=30 - 250 мм (h/H = 0,2 -1,0) шириной 30-50 мм (рисунок 42), загруженных симметрично приложенной колесной нагрузкой в виде одиночной тележки с давлением на ось Р=14тс. Среднее звено трех объединенных звеньев арок загружено по той же схеме, как и в случае с одиночным звеном.
Узел сопряжения звеньев арки растворным швом приведен на рисунке 42. В результате были получены изополя напряжений на наружной и внутренней поверхностях конструкции с выявлением зон концентраций напряжений, позволяющие оценить работу конструкции при различных вариантах загружения.
Характер распределения изополей на расчетных схемах (рисунок 40, 41) позволяет спрогнозировать область появления трещин и принять необходимые меры по их предотвращению.
Принятая схема загружения конструкции имитирует реальное загружение конструкции на стадии монтажа груженым двухосным грузовым автомобилем, когда отсутствует вышележащая насыпь или её высота недостаточна для распределения вертикального давления от временной нагрузки.
Схема загружения колесной нагрузкой А-14 (а) и изополя напряжений от приложенной нагрузки в случае совместной работы трех звеньев арки: б - пространственное отображение; в - проекция наружной поверхности; г - проекция внутренней поверхности торцы зденьед Данные рисунка 40, показывают, арочного моста что концентрация сжимающих напряжений наблюдается на краях наружной поверхности арки (в точках приложения нагрузки, (зона ,50.1 \ чементно-песчаный 1) и растягивающих напряжений в раствор МЮО коньковой части внутренней Схема сопряжения звеньев арок цементным раствором поверхности арки. соответствует максимальным растягивающим напряжениям, возникающим на наружной поверхности арки (на высоте 1/3 подъема). На рисунке 41 характер распределения напряжений, аналогичен 1 случаю, а значения напряжений растяжения уменьшились по внутренней и наружной поверхности в 2 раза, напряжения сжатия по наружной поверхности в 1,24 раза. Существенное снижение напряжений растяжения — сжатия объясняется установкой растворной шпонки, разгружающей края арки и уменьшающей напряжения в растянутой зоне.
Зависимости влияния монтажной шпонки высотой h = 30; 50; 70; 125; 170; 250 мм (в диапазоне относительных высот h/H = 0,12...1,0) на напряженное состояние конструкции представлены на рисунке 43. Материал монтажного шва (мелкозернистый бетон класса В25) в расчетах считался сформировавшимся и имеющим прочность и жесткость (начальный модуль упругости Еь = 24,0x10 МПа), достаточную для восприятия напряжений растяжения - сжатия передающиеся от стыкуемых элементов.
Из графиков, приведенных на рисунке 43, следует, что заделка растворным швом на высоту, предусмотренную типовыми решениями h=30-40 мм (h/H=0,12-0,16), обусловливает высокий уровень напряжений растяжения на поверхностях арки до 1,9 МПа. Монтажный шов с высотой h = 70 мм и выше (h/H 0,28), установленный по нижней границе блоков звеньев, снижает напряжения растяжения Ощ по внутренней и наружной поверхностям арки в среднем в 2 раза, при этом часть напряжений перераспределяется на смежные звенья блоков арок.
