УДК 624.21
Є. к. т.н., заст. директора з наукової роботи (ДерждорНДІ)
ПЕРСПЕКТИВИ ПОКРАЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ЯКОСТЕЙ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ПЛИТ ПРОЇЗНОЇ ЧАСТИНИ АВТОДОРОЖНІХ МОСТІВ
Проведено аналіз технічного стану автодорожніх мостів в цілому та плити проїзної частини моста. Проаналізовано чинники, які впливають на довговічність плити проїзної частини та запропоновано напрямки покращення їх експлуатаційних якостей
Вступ.
Сьогодні на шляхах сполучення України експлуатуєтьсямостових переходів та шляхопроводів. Розвиток мережі автодоріг вимагає створення нових проектів мостових споруд, вдосконалення існуючих, забезпечення їх міцності, надійності, довговічності в умовах поступового збільшення навантажень на проїзну частину та інтенсивності руху. Переважаюча рівнинна місцевість, невелике число широких водних перешкод місцевості зумовили незначну кількість великих мостів – в Україні переважають малі (49,7 %) та середні (44,2 %) мости. Це полегшує задачі, поставлені перед інженерами, але не зменшує вимог до цього типу штучних споруд – за роки експлуатації внаслідок незадовільного утримання мостів у їх конструкціях поступово накопичуються дефекти, що призводять до зниження несучої здатності. Через 10-15 років експлуатації залізобетонні мости потребують виконання ремонтних робіт. Внаслідок накопичення дефектів, несвоєчасного, некваліфікованого ремонту, фактичний термін служби мостів на 40-50% нижчий від нормативного (100 років; термін служби при відсутності догляду та ремонту становить 30 – 40 років, 40 – 70 років – при нормальній експлуатації [1]), що не просто створює незручності та перешкоди автомобільному руху, а завдає суттєвих збитків державі (до прикладу, щорічно втрати від корозії бетонних і залізобетонних штучних споруд оцінюються різними фахівцями в межах 4-6% ВВП [2, 3]).
Аналіз останніх досліджень.
Вже на початок 90-х років ремонту чи повної реконструкції потребували 60 % залізобетонних мостів, побудованих з початку 60-х років. Зараз стан автодорожніх мостів України характеризується такими показниками [4]:
· 13,7 % мостів на дорогах загального користування потребують негайного ремонту і реконструкції;
· 46 % мостів на дорогах загального користування не відповідають вимогам діючих нормативних документів;
· 76 % комунальних мостів не відповідають вимогам безпеки руху і потребують ремонту.
Результати обстежень мостів багатьма організаціями на протязі тривалого часу показують, що найбільше дефектів прогонової будови спостерігається у плитах проїзної частини. Інтенсивні динамічні впливи, атмосферні фактори (зокрема, дія води через ускладнене чи неправильно організоване водовідведення), температурні коливання, вплив хімічних речовин (газів, нафтопродуктів), обробка соляними речовинами взимку призводить до руйнування проїзної частини. Крім того, протягом всієї історії влаштування залізобетонних плит проїзної частини вони виконувалися без попереднього напруження арматури, що зумовило жорсткі знакозмінні напруження всередині плит. Це призводить до зменшення терміну довговічності через наближення напружень у бетоні та арматурі до граничних, утворення та розкриття численних тріщин. Останні є найбільш розповсюдженими дефектами, які, зокрема, викликані силовими факторами, перепадами температури і недостатнім опором покриття температурним напруженням. Розвитку тріщин також сприяє неоднорідна укладка асфальтобетонного покриття і сполучення двох суміжних смуг, що укладаються. Подальший розвиток тріщин спричинює деструктивні процеси в бетоні плити і викликає руйнування гідроізоляції в зоні своєї дії. Гідроізоляція у більшості випадків влаштування виявляється недовговічною, і протікання зумовлює виникнення нових, прискорений розвиток існуючих дефектів, деградацію структури та зниження міцності бетону. Внаслідок пошкодження цілісності плити проїзної частини зазнають впливу вищенаведених факторів і інші елементи моста, оскільки плита перестає виконувати захисну функцію стосовно прогонової будови. Від 80 до 90% плит проїзної частини автодорожніх залізобетонних і сталезалізобетонних прогонових будов працюють з неприпустимо низьким рівнем надійності.
Постановка мети і задач досліджень.
У Радянському Союзі наукові дослідження щодо плит проїзної частини відносяться до початку 60-х років минулого століття, в яких відображені сучасні досягнення теорії розрахунку залізобетонних плит та застосування ефективних технологічних рішень [5, 6], проте досвід експлуатації залізобетонних плит на протязі 30-40 років показав їх низьку довговічність, тому цей фактор вимагає від інженерів перегляду принципів проектування плит проїзної частини.
В процесі експлуатації плита проїзної частини балкових автодорожніх мостів від впливу статичних і динамічних навантажень та інших негативних факторів має складний напружено-деформований стан. В плиті від впливу навантаження утворюються зони значних розтягуючих напружень, які при одночасному впливі інших факторів знижують її надійність і довговічність [7]. Тому на стадії проектування потрібно враховувати всі чинники, які можуть впливати на довговічність плити [8] шляхом:
- уточнення розрахункових схем при визначенні величини зусиль;
- вдосконалення конструктивних рішень;
- врахування впливу багато кратноповторних навантажень;
- врахування динамічних впливів на плиту;
- підвищення вимог до якості бетону;
- підвищення вимог до тріщиностійкості, тощо.
Результати досліджень.
Оскільки точний розрахунок плит, жорстко защемлених в опорах пов’язаний з складними математичними обчисленнями і вельми трудомісткий, то для практичного використання Союздорнии була розроблена спрощена методика розрахунку балкових плит [9]. В основу її покладені передумови, що враховують жорсткий зв’язок плит з балками, які пружно повертаються при розташуванні навантаження в прогоні між балками і прогинаються при навантаженні на балки. Згідно цієї методики згинальні моменти в прогоні і на опорах цієї балки визначають за моментом М0 однопрогонової балки з допомогою поправочного коефіцієнту n1, що враховує зниження моменту за рахунок защемлення плити в ребрах і податливості останніх.
(1)
Моменти нерозрізної плити визначають, використовуючи графіки, наведені у [9] або коефіцієнти з таблиці 2.11 [10] в залежності від значення параметру n1:
| (2) |
,де D – циліндрична жорсткість плити, lp – розрахунковий проліт плити, Gb – модуль зсуву бетону, Ik – момент інерції балки на кручення.
| (3) |
,де Eb – початковий модуль пружності бетону, hf – товщина плити, n - коефіцієнт Пуассона.
Аналіз проведених розрахунків, наведених в роботі [11] показує, що на величину зусиль в плиті впливає місце розташування тимчасового навантаження на проїзній частині. При спрощеній методиці розрахунку виділяється довільна ділянка плити як балка на двох опорах і величина зусиль в плиті не залежить від схеми прикладання (ділянка 1-2, 2-3 або 3-4, тощо) навантаження. При розрахунку плити в складі прогонової будови місце розташування тимчасового навантаження на прогоновій будові впливає на величину зусиль, які виникають в плиті (рис. 1).
Рис. 1. Дослідження впливу розташування тимчасового навантаження на проїзній частині на значення нормативних згинальних моментів (кНм), які виникають в плиті при навантаженні одним колесом НК-80
В багатьох прогонових будовах із замоноліченими стиками знизу виявлені тріщини в бетоні замонолічення швів між поличками сусідніх балок та сліди просочування води через шви у вигляді білих чи іржавих плям на нижній поверхні плит, причому найслабшим місцем є шви між крайньою і суміжною балками [12, 13]. Особливо це помітно в збірних прогонових будовах через наявність великої кількості ненадійних поздовжніх швів. Першопричиною незадовільного експлуатаційного стану плити є відсутність нормативів при проектуванні конструкцій проїзної частини, в яких би нормувалися конструктивні параметри для забезпечення довговічності плит. Так у США у всіх залізобетонних мостах, котрі побудовані за останні 50 років, плита проїзної частини ремонтується чи замінюється вже через 10-20 років експлуатації [14]. В плитах спостерігається корозія робочої арматури, яка викликає руйнування бетону плити проїзної частини і приводить до утворення поздовжніх і поперечних тріщин, виколів бетону. Головною причиною руйнування плит проїзної частини мостів в багатьох країнах є використання солей для боротьби з ожеледдю на дорогах. Сприяє цьому недостатня товщина захисного шару, в першу чергу для верхньої сітки плити. В Японії для запобігання руйнування автодорожніх мостів морською сіллю передбачено влаштування захисного шару для арматури плити 3-5 см [14], в США проведені дослідження, в результаті яких встановлено, що оптимальний захисний шар для плит проїзної частини повинен становити 5...6 см [15] і більше [16].
Одним з напрямків підвищення довговічності є підвищення вимог до якості бетону. Для забезпечення надійної роботи плити проїзної частини необхідно застосовувати бетони, які б крім міцності, забезпечували тріщиностійкість, водонепроникність, морозо - і хімічну стійкість.
Високоміцні бетони, що характеризуються високою густиною, довговічністю та зчепленням з арматурою все частіше застосовуються в мостових конструкціях. З врахуванням високої густини таких бетонів має місце підвищення їх опору на вплив агресивних середовищ. При цьому доцільно застосовувати хімічні добавки до бетонів. Застосування суперпластифікаторів не лише зменшує кількість необхідної води ( w/c = 0,25....0,35), а й дозволяє отримати бетони рідкої консистенції, що спрощує вкладання бетону в опалубки при влаштуванні монолітної плити [17].
Крім застосування суперпластифікаторів перспективним є додавання до бетону кремнієвих мікрозаповнювачів. Введення незначної кількості кремнійорганічних з’єднань з водою до складу бетону значно покращує властивості бетону, в першу чергу, довговічність. Так, додавання до бетону такої сполуки як “мікросіліка” дозволяє знизити загальну пористість у 5-6 разів, мікропористість у 10-50 разів, підвищити непроникність бетону у 50 разів та стійкість до дії хлоридів у 25 разів [18], при цьому водоцементне відношення може становити 0,21.
Останнім часом при виготовленні високоякісних бетонних сумішей використовують поліпропіленові волокна. Найважливішою характеристикою волокон є їх стійкість проти корозії. Крім того, вони підвищують міцність матеріалу, міцність на витривалість, збільшують рівень пружних деформацій [19]. Актуальною при влаштуванні монолітної плити є проблема забезпечення сульфатостійкості бетону. Одним зі способів отримання бетону стійкого до дії сульфатів є часткова заміна дрібного заповнювача золою уносу, яка є продуктом згоряння вугілля на ТЕС. За результатами досліджень [20] можна зробити висновок, що з додаванням золи у якості дрібного заповнювача у кількості 50% можна отримати сульфатостійкі бетони.
Ще одним напрямком підвищення експлуатаційних якостей залізобетонних плит проїзної частини є вдосконалення конструктивних рішень. Перспективною є конструкція плити проїзної частини, яку автори [21] використали при будівництві однопрогінного моста. Плита армується двома сітками і з метою забезпечення довговічності влаштовують подвійне симетричне армування. Із захисним шаром 30 мм вкладають дві сітки з неметалевої арматури (фіброве волокно), які допускають розкриття тріщин до 0,3 мм. Із захисним шаром 60 мм вкладаються сітки з металевої стержневої арматури, які сприймають експлуатаційні навантаження. Відстань між центрами ваги стиснутої і розтягнутої арматури становить 155 мм, товщина плити при цьому - 275 мм.
Уточнення розрахункових схем полягає, в першу чергу, у врахуванні реального розподілу зусиль між балками, яке визначається співвідношенням геометричних характеристик плити (діафрагм) та балки і залежить від місця розташування тимчасового навантаження на проїзній частині. В діафрагмових прогонових будовах просторова робота конструкції забезпечується поперечними діафрагмами. В бездіафрагмових прогонових будовах плита забезпечує просторову роботу прогонової будови і визначально впливає на характер розподілу тимчасового навантаження.
Регулювати зусилля в плиті можна введенням поперечних ребер (діафрагм), перетворюючи прогонову будову у діафрагмову. Дослідженням впливу діафрагм на роботу прогонової будови займалися у Національному університеті “Львівська політехніка” [22, 23].
В бездіафрагмових прогонових будовах просторова робота забезпечується тільки плитою проїзної частини. Перспективним рішенням по зменшенню зусиль в плиті є влаштування зменшеної кількості діафрагм: посередині прогону та по осях обпирання головних балок. При влаштуванні монолітної плити технологічно нескладно влаштувати монолітні діафрагми посередині прогону та по осях обпирання головних балок.
|
а |
|
б |
Рис. 2. Вплив діафрагми на величину згинальних моментів в плиті в залежності від відстані між балками b (а) та товщини плити hf (б)
Веденням діафрагми посередині прогону можна добитися зменшення зусиль у плиті приблизно в 1,9 рази. При такому конструктивному рішенні співвідношення між моментами в плиті при відсутності діафрагм Мfdiaph та при їх наявності Мf є постійним і не залежить від відстані між балками (рисунок 2, а).
На роботу плити при наявності діафрагм посередині прогону моста впливає товщина плити. При збільшенні товщини плити спостерігається зменшення моменту приблизно у 1,8 раза. При товщині плити в межах 180-200 мм при введенні діафрагми посередині прогону моста за рахунок перерозподілу жорсткостей між плитою і діафрагмою відбувається найбільше зменшення моменту у 1,85 рази (рисунок 2, б).
Висновки.
Аналіз експлуатаційного стану залізобетонних плит проїзної частини показує, що існуючі нормативні документи не дозволяють повністю врахувати всі впливи, яких зазнає плита в процесі експлуатації. Це впливає на зниження довговічності самих плит і невиконання ними в повній мірі своїх захисних функцій стосовно прогонової будови в цілому. Тому є необхідність переглянути стратегію проектування (розрахунку і конструювання) плит проїзної частини з метою підвищення вимог до матеріалів, вдосконалення конструкцій і технологічної дисципліни при влаштуванні плити з метою наблизити надійність і довговічність плит проїзної частини до інших елементів мостових балкових конструкцій.
1. , , Коваль ічна доцільність вторинного захисту залізобетонних конструкцій мостів. Автошляховик України. – 2005. - №4. – с. 34-39. 2. Агаджанов от коррозии строительных конструкций и экономическая эффективность способов защиты // Коррозионная стойкость бетона и стальной арматуры. – М.: НИИЖБ, 1974. - С. 171-175. 3. , Комаров эффективность защиты бетона в агрессивных средах // Бетон и железобетон. – 1976. – № 3. – С.11-12. 4. Експлуатація і реконструкція мостів / Є., Голубєв В. О., , Тодіріка В. В. – 2-е вид., випр. – К., 2002. – 408 с., іл. 5. Технические указания по проектированию и сооружению пролетных строений автодорожных и городских мостов с железобетонной плитой проезжей части без оклеечной гидроизоляции (ВСН 85-63). – М.: Оргтрансстрой, 1963. – 24 с. 6. Таблицы и графики для расчет плит проезжей части мостов на автомобильную нагрузку / , . – М.: Автотрансиздат, 1956. – 40 с. 7. О возможных моделях износа или выхода из строя плиты проезжей части железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій, Збірник наукових праць ФМІ ім. НАН України, Випуск 5, Луцьк 2002. - С. 547-552. 8. Иосилевский методы управления надежностью железобетонных мостов. М.: НИЦ «Инженер», 1999г.-295с. 9. Технические указания по расчету балочных плит проезжей части мостов. ВСН 58-61. Минтрансстрой СССР. Оргтрансстрой, 1962. – С. 19. 10. , , . Примеры расчета железобетонных мостов. К: Вища школа, 1986. - С. 263. 11. Є. Тріщиностійкість та експлуатаційні якості залізобетонних плит проїзної частини автодорожніх мостів // Дис.... канд. техн. наук, Львів, 2004. – 190 с. 12. Калашников часть автодорожных мостов без оклеечной гидроизоляции. М.: Автотрансиздат, 19с. 13. , Морозова возможности плиты проезжей части балочных автодорожных мостов, находящихся в длительной эксплуатации // Автомобільні дороги і дорожнє будівнитцво, 2001. - Вип.62.- С. 278-280. 14. Крамер науки и техники. Автомобильные дороги. М.: ВИНИТИ, ТомС. 64-171. 15.O’Rourke H. W., Ritchie M. Bridge-deck concrete cover investigation in Michigan // Transport research record, 1978. - № 000. - Р. 36-41. 16. Hansen Erling K., Haga John E. Norwegian practice for concrete bridge deck protection // VTI Rapport № 000 A. 1988. - Р. 111-121. 17. Ратушняк Г.С., Цєнжак Т., Закорчменний Л.В. Бетони високої міцності – проблеми розвитку і виготовлення // Будівництво України, 2001.- №4. - С. 21-24. 18. Dallaire E., Aitcin P., Lachemi M. High-performance powder // Civil engineering, 1998. - №1.- Р. 49-51. 19. Konig G., Deutschmann K., Kutzing L., Meyer J., Sicker A. New concepts for high performance concrete with improved ductility // Proceedings of the XIIIth FIP congress on challenges for concrete in the next millennium / Amsterdam / Nehterlands / 23-29 May 1998. – Р. 49-52. 20. Сульфатостойкость бетонов с заменой части мелкого заполнителя золой ТЭС // Будівельні конструкції, 2003, випуск 58. - С. 223-228. 21. Pirathapan G., Chanakya A. Supercover concrete: A new method for improving the durability of concrete structures with fibre composite reinforcement // Proceedings of the XIIIth FIP congress on challenges for concrete in the next millennium / Amsterdam / Nehterlands / 23-29 May 1998. – Р. 83-86. 22. , О влиянии диафрагм на работу плиты проезжей части сборно-монолитных пролетных строений // Вестник ЛПИ. Резервы прогресса в архитектуре и строительстве, 1986. -№ 000. – С. 22-25. 23. Сало -монолитные неразрезные пролетные строения из балочных элементов, объединенных предварительно напряженными стыками // Дисс. ….. канд. техн. наук, Львов, 1986. – 220 с.
