Усиление и реконструкция

Усиление и реконструкция

50.1 Введение

Около половины из приблизительно 600.000 шоссейных мостов в Соединенных Штатах были построены до 1940 года и многие не обслуживались соответствующим образом. Большинство из этих мостов были спроектированы в расчете на меньшие объемы дорожного трафика, на более легкие автомобили, менее высокие скорости и меньшие нагрузки, чем те, что являются обычным делом сейчас. Кроме того, нарастает проблема износа под воздействием фактором окружающей среды. По данным Федеральной Дорожной Администрации (FHWA), почти 40% мостов страны классифицируются как не отвечающие требованиям и нуждающиеся в реконструкции или замене. Многие из этих мостов не отвечают современным требованиям, поскольку их несущая способность не соответствует сегодняшнему дорожному движению. В качестве недорогой альтернативы замене или списанию моста часто может использоваться усиление.

Несущая способность различных типов мостов может быть увеличена с использованием различных методов, таких как: 1) добавление балок, 2) добавление опор, 3) уменьшение собственного веса, 4) обеспечение непрерывности, 5) обеспечение совместной работы, 6) применение внешней арматуры, 7) увеличение поперечного сечения балок, 8) изменение путей нагрузки, 9) добавление боковых опор или ребер жесткости. Некоторые методы используются широко, но другие являются новыми и не были полностью разработаны.

Все процедуры усиления представленные в этой главе применимы к пролетной структуре моста. Несмотря на то, что длина пролета не является ограничивающим фактором для различных усиливающих процедур, представленных ниже, тем не менее, большинство методов применяются к мостам с коротким и средним пролетом. Однако несколько усиливающих методов одинаково эффективны и для мостов с длинными пролетами. Информация по усилению существующих построек не приводится, поскольку такая информация зависит от типа почвы и условий, типа строения и действующих сил.

Методы, используемые для усиления, укрепления и ремонта мостов, во многом взаимосвязаны между собой, поэтому, например, увеличение жесткости структурных балок моста обычно приведет и к усилению самого моста. С целью максимально уменьшить неверное понимание значений слов «усиление», «укрепление» и «ремонт», ниже даны авторские толкования этих терминов. В дополнение к ним, даны также определения обслуживания и реконструкции, которые часто используются в неверном значении.

Обслуживание: Техническая сторона содержания мостов, являющаяся по своей сути превентивной. Обслуживание – это работа, которая требуется для поддержания состояния моста в надлежащем виде и для контроля возможного износа в будущем.

Реконструкция: Процесс восстановления моста до изначального уровня его функциональности.

Ремонт: Техническая сторона реконструкции; действие, предпринимаемое для устранения повреждений или износа структуры или отдельных элементов до их первоначального состояния.

Укрепление: Любой метод, который улучшает служебные характеристики существующей структуры и, таким образом, устраняет несоответствия требованиям по эксплуатационной надежности (например, избыточный прогиб, избыточное растрескивание или неприемлемые вибрации).

Усиление: Увеличение несущей способности моста с имеющейся структурой за счет обеспечения структуре более высокого уровня обслуживания, чем она изначально имела (так же иногда называется модернизацией).

В последние годы FHWA и Национальная Программа Разработки Совместных Дорог (NCHRP) выступили спонсором нескольких исследований по ремонту, реконструкции и подгонке мостов. Поскольку некоторые из этих процедур также увеличивают прочность данного моста, то окончательные отчеты по этим исследованиям являются также и превосходным справочным материалом. Ссылки на эти отчеты вкупе с рекомендациями по усилению прочности, описанные в этой главе, обеспечивают информацию, которую инженер может использовать для разрешения большинства проблем усиления мостов. Ссылки на окончательные отчеты FHWA и NCHRP касательно данного исследования приведены в списке литературы [1-13].

Четыре из этих ссылок [1,2,11,12] представляют особый интерес для работ по усилению прочности. Хоть это и не рассмотрено в данной главе, несущую способность моста часто можно более точно оценить, используя улучшенные процедуры анализа. Если обычные аналитические методы указывают, что требуется усиление, то более сложные методы анализа (такие как анализ конечных элементов) часто приводят к увеличению несущей способности и, таким образом, не требуют усиления вообще, либо значительно снижают количество необходимых усилений.

Проведя испытания под нагрузкой, можно определить, что несущая способность значительно больше, нежели определенная с помощью аналитических процедур. Испытания мостов под нагрузкой делает возможным учет нескольких составляющих (таких как жестко заделанный конец простых пролетов, структурное влияние поручней и т. д.), которые нельзя учесть аналитически. А последние несколько лет, некоторые штаты начали использовать испытания под нагрузкой для определения несущей способности своих мостов. Превосходной отсылкой к данной процедуре является финальный отчет по проекту NCHRP 12-28(13)A [14]. Большинство штатов Америки имеют некоторую систему обслуживания мостов (BMS). Насколько известно автору, очень немногие штаты используют свои системы для принятия решений по усилению мостов. В настоящее время недостаточно базовых данных (себестоимость, стоимость эксплуатации, стоимость различных процедур усиления и т. д.) для принятия решения об усилении/замене.

Изучение записей Национального Реестра Мостов (NBI) показывает, что типы мостов, имеющих наибольший потенциал для усиления это: стальные продольные, деревянные продольные и стальные с фермой. Если для продления их полезной жизни нельзя использовать реконструкцию и усиление, то многие их этих мостов потребуют замены в ближайшем будущем. Другими типами мостов, также имеющих потенциал для усиления, являются: бетонные мосты из плит, бетонные мосты Т-типа, бетонные продольные, стальные балочные подвесные мосты и бетонные мосты арочного типа. В этой главе представлена информация по наиболее широко используемым процедурам усиления, а также несколько новых процедур, разрабатываемых в настоящий момент.

50.2 Легковесная платформа

50.1 Введение

Одним из наиболее фундаментальных подходов к увеличению несущей способности моста является уменьшение его собственного веса. Значительное снижение собственного веса можно получить, убрав существующую более тяжелую бетонную платформу моста и заменив ее на легковесную. В некоторых случаях дальнейшего снижения собственного веса можно добиться заменой существующей системы поручней более легкими. Концепция усиления моста путем уменьшения его собственного веса в основном используется на стальных структурах, включая следующие типы мостов: стальной балочный с продольной балкой, стальной балочный с поперечной балкой, стальной ферменный, стальной арочный и стальной подвесной мосты; однако этот способ также может использоваться для мостов, сконструированных из других материалов.

Замена платформы на легковесную – это один из возможных способов усиления мостов со стальными продольными или поперечными балками, имеющими структурные отклонения, но надежными. Тем не менее, если существующая платформа не нуждается в замене или обширном ремонте, то замена платформы на легковесную была бы экономически не целесообразной.

Замену платформы удобно использовать вместе с другими методами усиления. После того, как существующая платформа убрана, можно легко усилить, добавить или заменить структурные элементы конструкции. Совместная работа элементов конструкции некоторых типов легковесных платформ может еще больше увеличить несущую способность изношенного моста.

50.2.2 Типы

Платформа на стальной сетке – это легковесная система настила моста, производима несколькими фирмами. Она состоит из изготовленных панелей стальной сетки, которые сварены или прикручены к пролету моста. Стальные сетки могут заполняться бетоном полностью или частично, или оставаться открытыми. (Рисунок 50.1).

Стальные платформы с открытой сеткой

Стальные платформы с открытой сеткой легковесны, обычно весят от 15 до 25 фунтов/фт2 (720..1200 Па) для пролетов длиной до 5 футов (1,52 м). Существуют и более тяжелые платформы, способные перекрывать пролеты до 9 фт (2,74 м) длиной; процент увеличения несущей способности моста максимально увеличивается при использовании платформ с открытой сеткой. Возможна быстрая установка при использовании сборных панелей платформы со стальной решеткой. Стальные платформы с открытой решеткой также имеют дополнительное преимущество, т. к. они не препятствуют прохождению снега, вода и грязи, смываемой с поверхности платформы, а значит, не требуют специальных дренажных систем.

Недостатком открытых решеток является то, что весь пролет оказывается подвержен влиянию погоды и химикалий, вызывающих коррозию. Платформа должна быть спроектирована таким образом, что бы вода и мусор не задерживались в ячейках сетки, лежащих на продольных балках. Другие проблемы, связанные со стальными платформами на открытой сетке, включают разрыв сварных швов и плохое сопротивление скольжению. Разрыв шва между основными несущими прутьями платформы и поддерживающей структурой вызывает проблемы с обслуживанием некоторых платформ с открытой сеткой. Число разрывов сварных швов можно минимизировать, если платформа правильно возведена.

Рисунок 50.1 Платформа моста со стальной решеткой. Верхняя фотография показывает платформу с открытой решеткой; центральная – платформу с полу-заполненной стальной решеткой; нижняя – платформа с заполненной стальной решеткой. (Источник: Klaiber, F. W. et al., NCHRP 293, Transportation Research

Board, 1987. With permission.)

В стремлении улучшить сопротивление скольжению, большинство платформ с открытой решеткой, представленных на рынке на сегодняшний день, имеют зубчатые или пилообразные прутья на поверхности движения. Также для сопротивления скольжению используются небольшие штифты, приваренные к поверхности стальных решеток. Однако хоть эти ухищрения и улучшают сопротивление скольжению, но не решают проблему полностью [12]. Платформы с открытой решеткой обычно не заслуживают одобрения масс народа, поскольку снижают качество езды и увеличивают шум шин.

Платформы со стальной решеткой, заполненной бетоном

Платформы со стальной решеткой, заполненной бетоном, весят существенно больше, но имеют несколько преимуществ по сравнению с открытыми решетками, включая увеличенную прочность, улучшенное сопротивление скольжению и лучшее качество езды. Стальная решетка может быть полностью или наполовину заполнена бетоном. Стальная решетка толщиной 5-дюймов (130 мм), наполовину наполненная бетоном весит от 46 до 51 фунтов/фт2 (2.20..2.44 кПа), меньше половины веса усиленной бетонной платформы той же прочности. Обычный вес 5-дюймовой (130 мм) платформы со стальной решеткой, полностью наполненной бетоном, варьируется от 76 до 81 фунта/фт2 (3.64..3.88 кПа). Уменьшение мертвого груза за счет замены платформы на платформу с решеткой, заполненной бетоном, лишь немного увеличивает несущую способность; однако несущую способность можно в дальнейшем увеличить за счет организации совместной работы платформы и продольных балок.

Панели стальной решетки, наполненные бетоном полностью или наполовину, могут быть изготовлены до установки, либо заполнены бетоном уже после замены платформы. При использовании заводской системы, бетоном после установки заполняются только части решетки, оставленные открытыми для сваривания панелей. Заводская система обычно используется, когда требуется минимизировать время возведения моста.

Проблема, связанная с платформами со стальной решеткой, заполненной бетоном, упоминающейся в исследовании компании Тиммер [15], это феномен, часто называемый ростом платформы – увеличение длины платформы с заполненной решеткой, вызванное ржавлением ребер стального двутавра. Увеличение толщины ребер в результате процессов ржавления ведет к обширным нагрузкам на бетонное наполнение. Компания Тиммер заметила, что на ранних стадиях роста платформы достигается момент, когда давление бетонного наполнения закрывает пустоты и капилляры в бетоне. Вследствие этого, количество влаги, достигающее остальных поверхностей, уменьшается, и рост платформы замедляется или даже останавливается. Однако если платформа продолжает расти после этой стадии, это может привести к разрыву бетонного наполнения, повреждению стальной решетки платформы и даже к возможному повреждению основания и пролетов моста. Сведения, полученные фирмой Тиммер, показывают, что состояние платформ, имеющих ту или иную поверхность износа, превосходило состояние тех платформ, которые были не покрыты. Поверхность износа также рекомендуется для предотвращения износа и проседания бетона между сетками.

Экзодермическая платформа

Экзодермическая платформа – это недавно разработанная, изготавливаемая заводским способом модульная система, представленная на рынке ведущими производителями платформ со стальной решеткой. Первое применение экзодермической платформы произошло в 1984 году на мосту Дрисколл, в Нью Джерси [16]. Как показано на рисунке 50.2, система платформы моста состоит из тонкого верхнего слоя – минимум 3 дюйма (76 мм) – фабричного бетона, соединенного с нижним слоем стальной решетки. Платформа весит от 40 до 60 фунтов/фт2 (1.92..2.87 кПа) и способна закрывать пролеты до 16 футов (4.88 м).

Экзодермические платформы не проявляют проблем усталости, имеющихся у платформ с открытой решеткой, или проблем роста, имеющихся у платформ с заполненной бетоном решеткой. Как видно на Рисунке 50.2, здесь нет бетонного наполнения, а значит, нет и коррозийных сил в решетке. Этот факт вкупе с расположением нейтральных осей минимизирует нагрузку на верхнюю поверхность решетки.

Экзодермическая платформа и платформа с наполовину заполненной решеткой обладают наибольшим процентов увеличения несущей способности среди всех легковесных типов платформ с бетонной поверхностью. Будучи модульной платформой заводского изготовления, экзодермическая платформа легко устанавливается. Поскольку панели изготавливаются в контролируемой среде, контроль качества легче осуществить, а производство панелей не зависит от погоды или сезона.

Ламинированная деревянная платформа

Ламинированные деревянные платформы состоят из вертикально ламинированных двухдюймовых (51 мм) (номинально) деревянных брусьев. Листы ламината скреплены вместе клеем для формирования панелей примерно 48 дюймов (1.22 м) шириной. Панели обычно ориентированы поперечно опорной структуре моста (Рисунок 50.3). На месте, смежные панели скрепляются друг с другом стальными штифтами или усиленными балками, чтобы обеспечить передачу нагрузки и непрерывность панелей.

Рисунок 50.2 Экзодермическая система платформы. (Источник: Exodermic Bridge Deck Inc., Lakeville, CT, 1999. With permission.)

Составная деревянно-стальная платформа для продольно ориентированного ламината была разработана Бахтом и Тармабала [17]. Каждый отдельный лист ламината поперечно напряжен способом, разработанным Ксаголи и Тейлором [18]. Использование шпоночных соединений обеспечивает частичное совместное действие между платформой и продольными балками. Поскольку платформа расположена продольно, могут потребоваться многочисленные перемычки между продольными балками для укрепления конструкции. Дизайн такого типа деревянной платформы показан по ссылкам [19-21].

Глубина ламинированных деревянных платформ, используемых при замене платформы, обычно варьируется от 3 1/8 до 6 ¾ дюймов (79..171 мм) в глубину и от 10,4 до 22,5 фунтов/фт2 (500..1075 Па) по весу. Рекомендуется покрыть поверхность износа битумом.

Дерево – это восполняемый ресурс, который имеет несколько достоинств: легкость изготовления и возведения, высокий коэффициент прочность/вес и иммунитет к химикатам, предотвращающим обледенение. При соответствующей обработке тяжелые деревянные балки имеют превосходную теплоизоляцию и огнеупорность [22]. Наиболее частой проблемой, связанной с деревом в качестве строительного материала, является его предрасположенность к разрушению, вызванному грибком, древоточащими насекомыми и морскими организмами. Однако использование современных средств предохранения плотности древесины позволяет расширить ожидаемый срок службы деревянных платформ до 50 и более лет.

Легковесная бетонная платформа

Структурно-легкий бетон – бетон с удельным весом в 115 фунтов/фт2 (1840 кг/м2) или меньше используется для усиления стальных мостов с не-композитными бетонными платформами нормального веса. Для применения легковесных платформ необходимо учесть некоторые детали дизайна. Его модуль эластичности и прочность на сдвиг меньше, чем у бетона нормального веса, а изменение характеристик с течением времени значительнее [23]. Долговечность легковесного бетона является проблемой в некоторых случаях.

Легковесный бетон при замене платформы может либо укладываться на месте, либо устанавливаться в форме панелей заводского изготовления. Легковесная бетонная плита, укладываемая на месте, легко может быть задействована совместно с продольными балками. Основным недостатком такого способа является продолжительность времени, требующаяся для размещения бетона и его застывания.

Рисунок 50.3 Ламинированная деревянная платформа. (а) продольно-ориентированная; (б) поперечно-ориентированная. Источник: (Klaiber, F. W. et al., NCHRP 293, Transportation Research Board, 1987. With permission.)

Легковесные панели заводского способа производства, изготовленные либо с небольшим усилением сталью, либо поперечно напряженные, используются в проектах по замене платформы для уменьшения времени возведения моста и, следовательно, прерывания дорожного движения. Заводские панели требуют аккуратной установки для предотвращения утечек воды и растрескивания в местах соединения панелей. Совместная работа достигается между платформой и пролетом; однако некоторые дизайнеры решили не полагаться на совместную работу при дизайне системы платформ на основе панелей заводского изготовления.

Алюминиевая ортотропная металлическая платформа

Алюминиевая ортотропная – это структрно-сильная, легковесная платформа весом от 20 до 25 фунтов/фт2 (958..1197 Па). На Рисунке 50.4 показана патентованная алюминиевая ортотропная платформенная система, предлагаемая сегодня на рынке. Платформа изготовлена из панелей из сплава алюминия с высокой коррозийной устойчивостью и выступов, покрытых долговечной, устойчивой к скольжению полимерной поверхностью износа. Накладки на панели между платформой и продольной балкой не только должны препятствовать вертикальным силам, действующим на панели, но также предусматривают различные движения алюминиевого и стального пролета, обусловленные температурными изменениями. С точки зрения дизайна, нужно рассматривать рекомендованный производителем способ соединения как не обеспечивающий совместной работы.

Алюминиевая ортотропная плита сравнима по весу с платформой с открытой решеткой. Алюминиевая система, однако, устраняет некоторые из недостатков открытых решеток: плохие условия движения и акустика, разрывы сварных швов и коррозия, обусловленная внешней средой. В настоящее время фактор колесной нагрузки для платформ на основе алюминиевых ортотропных плит еще не был подсчитан. Для разработки платформ проектов разработчиком был использован расчет методом конечных элементов.

Платформа на основе стальных ортотропных плит

Платформы на основе стальных ортотропных плит являются альтернативой при замене платформ более легковесными. В основном их разработка шла от случая к случаю и не подвергалась значительной стандартизации. Платформы часто выполняют несколько функций в дополнение к поддержке и распределению вертикальных нагрузок, а следовательно, простое сравнение веса платформы из усиленного бетона со стальной орттропной платформой будет ошибочным.

Изначально, платформы на стальных ортотропных плитах были разработаны для минимизации использования стали в балочных мостах с шириной пролета от 200 до 300 футов (61..91 м). Затем платформы использовались в подвесных и вантовых мостах с еще более длинным пролетом, где вес платформы является значительной частью общей нагрузки на пролет моста. Хотя стальные ортотропные платформы применимы и к пролетам мостов длиной всего лишь от 80 до 120 футов (24.4…36.6 м), маловероятно, что выигрыш в весе будет значительным настолько, чтобы экономически оправдать замену усиленной бетонной платформы стальной ортотропной. Ортотропные стальные платформы тяжелее алюминиевых ортотропных платформ и обычно весят в диапазоне от 45 до 130 фунтов/фт2 (2.15..6.22 кПа).

50.2.3 Примеры использования

Платформа со стальной сеткой

Управление Дорог Западной Вирджинии одним из первых разработало план реконструкции мостов с использованием платформ с открытой решеткой в масштабе целого штата [24]. К 1974 году 25 мостов были обновлены для соответствия или превышения требований AASHTO. Изношенные бетонные платформы были заменены легковесными платформами на основе сотовой стальной решетки, изготовленной из стали ASTM A588. Ожидается, что новый настил мостов прослужит 50 лет и потребует минимального обслуживания.

В 1981 Управление Дорог Западной Вирджинии увеличило предел несущей способности моста длиной 1794 фута (546,8 м) через реку Огайо с 3 тонн (26,69 кН) до 13 тонн (115,65 кН) путем замены существующей усиленной бетонной платформы платформой с открытой стальной решеткой [25, 26]. Существующая платформа была убрана, а новая платформа была установлена секционно, чтобы позволить оставить половину моста свободной для рабочих, строительных машин, оборудования или, если потребуется, машин экстренной помощи.

Усиление дорожного моста старый Йорк длиной 250 футов (76,2 м) в Нью Джерси в начале 1980-ых сочетало замену платформы с заменой всех основных балок рамы и модернизацию опор и сводов [27]. Существующая платформа была заменена платформой с открытой стальной решеткой из стали ASTM A588. Паспортные 10 тонн (89 кН) нагрузки были увеличена до 36 тонн (320 кН), а мост был расширен с 18 футов (5,49 м) до 26 футов (7,92 м).