Опыт применения системы внешнего армирования железобетонных пролетных строений автодорожных мостов композитными материалами в условиях Крайнего Севера

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящее время на автомобильных дорогах общего пользования Республики Саха (Якутия) эксплуатируются 736 мостов общей протяжённостью более 20 тысяч погонных метров, в том числе более 250 мостовых сооружений с железобетонными пролетными строениями, различающимися по конструктивным решениям, нормам проектирования, технологии сооружения, действующими на них нагрузками. Техническое состояние большинства из них оценено как неудовлетворительное или аварийное по долговечности, грузоподъемности и более 85% по безопасности движения. Более 56% эксплуатируемых мостов сооружены в период с 1940 по 1980 годы. Срок эксплуатации менее пяти лет имеют только 3% мостов. Лишь 8% конструкций рассчитаны на действующие нормативные нагрузки.

Учитывая экстремальные условия работы железобетонных конструкций мостов, эксплуатируемых на территории республики, а также анализ результатов обследований, можно сделать вывод, что основными причинами появления повреждений на железобетонных мостах являются: во-первых, попадание воды с элементов мостового полотна на крайние балки с проезжей части и тротуаров, торцы балок, ригели, верхнюю часть опор через конструкцию деформационных швов [2]; во-вторых, влияние отрицательных температур и попеременного замораживания и оттаивания, приводящее к потери прочности бетона [1].

В связи с ростом интенсивности движения и увеличением объема грузооборота возросла потребность в усилении несущих конструкций автодорожных мостов до действующих нормативных нагрузок. Несмотря на высокую стоимость композитов, использование их для усиления строительных конструкций по совокупности затрат оказывается более эффективным в сравнении с традиционными методами, так как работу можно выполнять без вывода сооружения из эксплуатации, при этом значительно сокращается трудоемкость производства [2]. Однако согласно действующим нормативным документам по внешнему армированию область применения технологии усиления с использованием лент и холстов ограничена по характеристикам клеевого состава, и не может быть использована на территориях с минимальной среднесуточной температурой воздуха наиболее холодных суток (в зимний период) с обеспеченностью 0,95 ниже минус 40 єС по СНиП 23-01 [3]. Проведенные в Сибирском государственном университете путей сообщения теоретические и экспериментальные исследования влияния отрицательных температур и попеременного замораживания и оттаивания на железобетонные конструкции, усиленные полимерными композиционными материалами, выявили перспективность их использования для климатических условий Республики Саха (Якутия) [1].

В целях уточнения действительной работы усиленных углепластиковыми ламинатами и холстами пролетных строений и мониторинга технического состояния эксплуатируемого в условиях Крайнего Севера моста через реку Протока на 11+079 км автомобильной дороги «Подъезд к п. Кангалассы» были привлечены сотрудники кафедры «Автомобильные дороги и аэродромы» Автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета. Ниже кратко описаны результаты проделанной работы.

Мост -- железобетонный двух пролётный, запроектирован под нагрузки Н-30, НК-80. Балки с предварительно напряженной арматурой выполнены по типовому проекту 3.503-14. Статическая схема моста -- балочная разрезная. Продольный профиль приведен на рисунке 1, разрез пролетного строения №1 с видом на промежуточную опору на рисунке 2.

композиционный углеродный бетон

Рис. 1. Схема моста через реку Протока на 11+079 км автомобильной дороги «Подъезд к п. Кангалассы»

Рис. 2. Разрез пролетного строения №1 моста через реку Протока на 11+079 км автомобильной дороги «Подъезд к п. Кангалассы» с видом на промежуточную опору

По результатам обследования моста до усиления были выявлены следующие дефекты и повреждения, влияющие на грузоподъемность: коррозия двух пучков третьего ряда преднапряженной арматуры в ребре балки №1 пролета №1, пониженная прочность бетона продольных швов омоноличивания. Фактическая грузоподъемность пролетных строений, рассчитанная с учетом фактических размеров конструкций и выявленных дефектов, составила для нагрузки по схеме «АК» -- 10.5 тс, по схеме НК-80 -- 80 тс; предельный изгибающий момент расчитан для балки №1 пролета №1 с учетом выявленных дефектов и равен 1135 кНм, предельная поперечная сила -- 871,23 кН. Комплекс ремонтных работ и опытное усиление балок пролетных строений произведено в 2013 году путем наклейки на боковые поверхности по низу ребер предварительно натянутых лент FibARM Tape-230/300 и ламинатов Sika Carbodur S1012, для фиксации концов элементов усиления, а так же для работы балок по поперечной силе выполнена наклейка хомутов из холстов композиционного материала, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Фотография усиленных композитными материалами балок пролетных строений №1 и 2 моста через реку Протока. Вид с правой стороны моста против хода километража

В соответствии с рекомендациями ОДМ 218.3.027-2013 в процессе мониторинга за состоянием усиленных конструкций проверялся внешний вид системы усиления, визуальное обследование показало, что композитные материалы находятся в нормальном состоянии, видимые дефекты и повреждения отстутствуют.

В целях оценки эффективности усиления произведен расчет прочности усиленной конструкции в составе эксплуатируемого пролётного строения по нормальным и наклонным сечениям в соответствии с положениями СП 35.13330, СП 164.1325800.2014, ОДМ 218.3.027-2013, СТО 13613997-001-2011. Однако в указанных нормативных документах принципиальные схемы усиления тавровых балок по нормальному сечению представлены с наклейкой композитных материалов по нижней грани усиливаемой конструкции, а примененная схема на мосту через реку Протока произведена путем наклейки на боковые поверхности по низу ребер [3, 4, 5]. В связи с этим при расчете несущей способности соответствующие значения приравнены к нулю, а предварительное напряжение арматуры железобетонных балок из-за отсутствия проектных данных не учитывалось. Композиционный материал учтен в совместной работе с балкой на изгиб при воздействии постоянной и временной нагрузок. Расчётные сопротивления на растяжение ламинатов и холстов с учётом коэффициентов надёжности гf по назначению для автодорожных мостов (0,95) и по материалу (1,1 и 1,2), а также коэффициента условия работ Cf (0,85 и 0,8) приняты соответственно 2055 МПа и 2533 МПа [4, 5].

Результаты расчетов усиленной конструкции составили следующие значения: предельный изгибающий момент -- 3590 кНм, предельная поперечная сила -- 7857,81 кН. Усиление эксплуатируемых пролетных строений с использованием композиционных материалов на основе тканей и ламинатов из углеродных волокон позволило увеличить несущую способность пролетных строений по изгибающему моменту в 3,16 раза, по поперечной силе в 9,01 раза. При этом грузоподъемность моста после усиления соответствует требуемому классу нагрузки АК-14, НК-14.

На основе выше сказанного можно сделать вывод, что применение системы внешнего армирования композиционными материалами в условиях Крайнего Севера является эффективным, однако действующие нормативные документы в полной мере не учитывают климатические особенности работы усиленных конструкций, что безусловно требует дополнительных исследований в этой области и постоянное наблюдение за работой опытных конструкций. Также следует отметить, что действующие нормативные документы по усилению предварительно напряженных железобетонных конструкций композитными материалами имеют ряд пробелов в части принципиальных схем усиления и методов расчета, что не позволяет получить достоверную информацию о напряженно-деформированном состоянии усиленных элементов.

Литература

1. Бокарев С.А., Смердов Д.Н. Исследование многократного замораживания и оттаивания на изменение несущей способности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами. Научно-технический журнал Транспорт Урала. -- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2010. - №3. С. 98 -- 104.

2. Овчинников И.Г., Валиев Ш. Н., Овчинников И.И., Зиновьев В.С., Умиров А.Д. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 1. экспериментальные исследования особенностей усиления композитами изгибаемых железобетонных конструкций // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» 2012, №4, с.1-22.

3. ОДМ 218.3.027-2013. Рекомендации по применению тканевых композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений. -- Введ. 2013-04-01. -- Москва, 2013. -- 56 с.

4. СТО 13613997-001-2011. Стандарт организации. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами фирмы «Sika». -- Введ. 2011-06-11. -- Москва, 2011. -- 62 с.

5. СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами -- Введ. 2014-09-01. -- Москва, 2015. -- 52 с.

Размещено на Allbest.ru