Инновационный подход к усилению автомобильных мостов

По данным Росавтодора общая протяженность сети автомобильных дорог России более 1 млн. километров, а к 2030 г. она должна достигнуть показателя в 1,7 млн. километров. В ближайшие годы предстоит как активное строительство новых, так и реконструкция старых автомобильных дорог для возможности пропуска транспортных потоков с все большей интенсивностью, а это в свою очередь приведет к увеличению нагрузки на искусственные сооружения дорожной сети, к которым относятся автомобильные мосты.

В то же время, происходит постоянное ужесточение норм и увеличение нормативных нагрузок, на которые должны быть запроектированы новые и реконструированы существующие мосты. Зачастую изменение строительных норм и увеличение нагрузок влечет за собой необходимость в усилении пролетных строений мостов с увеличением их несущей способности. Кроме того, в эксплуатируемых мостовых конструкциях, постоянно возникают различные дефекты и повреждения связанные как с воздействием внешней неблагоприятной среды, так и с физическим износом сооружения.

В настоящее время на федеральных и территориальных дорогах России эксплуатируется более 25000 автомобильных мостов, из них более 90% составляют железобетонные мосты с типовыми пролетными строениями балочного типа с длиной пролетов до 24м.

Существует несколько способов увеличения несущей способности реконструируемых пролетных строений мостов:

• наращивание сечения нижней растянутой арматуры;
• устройство разгружающей шпренгельной системы из стальных профилей;
• устройство усиливающей системы из композитных материалов.

При этом варианты усиления с применением стальных арматурных и профильных элементов обладают рядом недостатков:

• увеличение собственного веса конструкции, что может быть существенно для сильно ослабленного сооружения;
• существенное уменьшение подмостового габарита;
• технологические сложности с соединением существующих и вновь устанавливаемых элементов для их совместной работы, необходимость вскрытия существующих арматурных стержней для приварки к ним новых;
• необходимость в дополнительных работах по антикоррозийной обработке стальных элементов усиления и периодических ремонтах антикоррозийного покрытия.
• снижение архитектурной выразительности и эстетических свойств усиленной конструкции, кроме того, психологический дискомфорт у населения от осознания «ненадежности» сооружения.

Системы усиления на основе композитных материалов лишены подобных недостатков, т.к. обладают ничтожно малым весом по сравнению со стальными элементами, не подвержены коррозии даже в агрессивных средах, высота сечения элементов усиления из композитного материала ничтожно мала и практически не изменяет подмостовой габарит сооружения. Кроме того, после соответствующей обработки усиленной поверхности (окраска, шпаклевка и т.п.), композитные элементы усиления не заметны невооруженным глазом и никак не меняют эстетических свойств сооружения.

На территории Российской Федерации с использованием композитных материалов уже усилено несколько десятков мостов, например: мост через р. Тишковку на 93км трассы Кукуштан – Чайковский в Пермском крае, мост через р. Кехта на автодороге Москва-Архангельск, мост через р. Киржач на 94км федеральной трассы М7, мост через р. Черная в г. Соликамске Пермского края и многие другие. 

Усиление моста через р. Мулянка в Пермском крае

В июне 2013 г. потребовалось перевести новую коксовую камеру массой 213т для предприятия ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». На пути движения автоколонны с тяжелым грузом оказался небольшой мост через р. Мулянка в пос. Большое Савино Пермского края и возник вопрос о необходимости обследования технического состояния моста и усилении его для возможности пропуска автоколонны.

Обследование моста было выполнено специалистами ООО «НИИ ВСУ «ИНТЕР/ТЭК» в июне 2013 г. Были определены фактические схемы расположения элементов конструкций, размеры поперечных сечений и их соединений. Выполнена проверка соответствия конструкций имеющейся проектной документации, фактической геометрической неизменяемости, выявлены отклонения, повреждения, дефекты элементов и узлов конструкций. Уточнены фактические и прогнозируемые нагрузки и воздействия на строительные конструкции. Установлены физико-механические свойства материалов конструкций.

Строительство моста осуществлялось в 2003 г. Сооружение представляет собой однопролетный автодорожный мост с двумя береговыми опорами. Длина моста 18м, общая ширина 7,84м. Мост расположен в плане и в продольном профиле на прямой. Габарит проезжей части Г = 6,5м.  На мосту и на подходах к мосту две полосы для движения – по одной полосе в каждую сторону. Тротуар выполнен только с одной стороны моста, ширина тротуара Т = 0,6 м. Фотография общего вида моста.

Конструкция моста образована двумя береговыми опорами, пролетным строением и мостовым полотном. Покрытие проезжей части асфальтобетонное. Толщина дорожной одежды на мосту составляет от 50мм до 100мм.

Пролетное строение моста образовано четырьмя сборными железобетонными балками таврового сечения, объединенными монолитной железобетонной плитой толщиной 150мм в единую температурно-неразрезную бездиафрагменную конструкцию. Расстояние между балками 1,83м. Схема расстановки балок в поперечном направлении К1,175 + 1,83×3 + К1,175. Балки пролетного строения изготовлены по типовой серии 3.503.1-73. Полная длина балок 18м. Высота балок 1050мм, толщина пояса балки 150мм, толщина ребра балки от 160мм.

Балки пролетного строения опираются на полимерные опорные части размером 150мм×350мм, высотой 70мм, установленные на монолитные железобетонные постаменты береговых опор размером 500мм×500мм, высотой 120мм.

Береговые опоры монолитные железобетонные призматического очертания шириной 6,59м, высотой до верха свайного ростверка 2,8м. Фундаменты береговых опор свайные.

В процессе обследования были обнаружены следующие дефекты и повреждения строительных конструкций пролетного строения моста:

• разрушение защитного слоя бетона с оголением и коррозией продольной рабочей арматуры в двух балках пролетного строения в приопорной зоне;
• наклонные трещины на приопорных участках двух балок пролетного строения с шириной раскрытия до 0,1мм, шаг трещин 500мм;
• продольная трещина в монолитной железобетонной плите пролетного строения по оси моста с шириной раскрытия до 0,3мм на всем протяжении пролетного строения;
• разрушение защитного слоя бетона с оголением и коррозией рабочей арматуры плиты проезжей части на участках сопряжения моста с берегом.

Статический расчет конструкций пролетного строения

Статический расчет элементов главных балок и плиты проезжей части моста выполнялся аналитическим путем. Пространственное распределение нагрузки на главные балки моста определялось по способу внецентренного сжатия. При этом предполагается, что поперечные сечения пролетного строения не испытывают деформаций, т.е. имеют бесконечно большую жесткость, а плита проезжей части пролетного строения рассматривается как неразрезная балка на упругих опорах, в качестве которых принимаются главные балки. Таким образом, любая нагрузка, расположенная симметрично по отношению к продольной оси моста, распределяется между главными балками пропорционально их жесткости.

В расчете были учтены постоянные нагрузки от собственного веса строительных конструкций моста, определенные по результатам его натурного обследования, и временные нагрузки от автотранспортных средств. Кроме того, конструкции пролетного строения были рассчитаны на пропуск сверхнормативной подвижной нагрузки от автоколонны с коксовой камерой массой 213т.

Максимальный изгибающий момент от расчетных нагрузок в середине пролета главных балок составил M = 260тм, а максимальная поперечная сила на опоре главных балок Q = 61т. При этом, несущая способность существующих неусиленных балок пролетного строения по моменту Mult=194тм, а по поперечной силе Qult= 54т.

Таким образом, по результатам проверочных расчетов, главные балки пролетного строения моста не обладали достаточной несущей способностью для восприятия сверхнормативных нагрузок при транспортировке тяжелого оборудования, поэтому было принято решение об усилении главных балок пролетного строения и плиты проезжей части на участках с трещинами. В качестве элементов усиления была выбрана система из композитных материалов на основе углеродных и базальтовых волокон.

Конструктивные решения по усилению моста

Наиболее распространенным решением при усилении балок пролетных строений мостов композитными материалами является приклейка композитной ламели к нижней грани главных балок пролетного строения. В этом случае ламель может быть дополнительно закреплена на концах поперечными U-образными хомутами из полос композитной ткани.

Данное решение позволяет повысить несущую способность конструкции примерно на 15%, но к рассматриваемому случаю данный вариант не применим, т.к. требуется повысить несущую способность главных балок более чем на 30%, поэтому предложен новый способ увеличения несущей способности балок пролетного строения путем послойного внешнего армирования композитным материалом в три этапа.

На первом этапе выполняется приклейка одной ламели шириной 100мм из композитного материала ITECWRAP® CL1-140 к нижней грани балки и четырех ламелей шириной 100мм из композитного материала ITECWRAP® CL1-140 к боковым граням балки.

На втором этапе выполняется приклейка полос шириной 500мм из композитного материала ITECWRAP® CF1-011 к нижней грани балок. Полосы композитной ткани заводятся на 170мм на боковые грани сечения с обеих сторон. Композитная ткань наклеивается в два слоя.

На третьем этапе выполняется приклейка поперечных U-образных полос шириной 250мм из композитного материала ITECWRAP® CF1-011.

На участках длиной 3м с обоих концов балки U-образные полосы приклеиваются в два слоя с шагом 500мм, а в средней части балки U-образные полосы закрепляются с шагом 1000мм. Такие элементы усиления выполняют двоякую функцию: во-первых, увеличивают несущую способность балки по поперечной силе на приопорных участках, а, во-вторых, дополнительно закрепляют полосы композитной ткани для лучшей их работы совместно с усиляемой конструкцией.

Усиление плиты проезжей части предусмотрено полосами шириной 200мм из композитного материала ITECWRAP® BF1-016. Приклейка полос усиления выполняется к нижней грани плиты с шагом 500мм в направлении поперек оси моста. Поперечные полосы усиления дополнительно закреплены продольными полосами для лучшей работы совместно с усиляемой плитой.

Приклейка полос и ламелей композитного материала осуществляется клеем ITECRESIN® AS2-300 на основе эпоксидной смолы.

Технические характеристики примененных композитных материалов приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Оценка несущей способности главных балок, усиленных композитными материалами

Оценка несущей способности главной балки по нормальным сечениям на действие изгибающего момента (см. рис.1) может быть выполнена из выражения

Выбранная конструктивная схема усиления пролетного строения моста позволяет повысить несущую способность балок пролетного строения на 38% по изгибающему моменту и на 16% по поперечной силе. Таким образом, несущая способность конструкции после усиления составила по изгибающему моменту Mult= 268тм, а по поперечной силе Qult= 63т, что достаточно для восприятия расчетных усилий, возникающих при движении автоколонны со сверхнормативной нагрузкой.

 
рис.1                                                   рис.2  

Заключение

1. Предложенный в данной работе новый способ усиления сборных железобетонных балок пролетных строений мостовых конструкций послойным армированием композитными материалами позволяет повысить их несущую способность более чем в два раза по сравнению с существующими способами усиления композитными материалами.
2. Также предложенный способ усиления, при отсутствии значительных технических недостатков, обладает целым рядом достоинств по сравнению с различными способами усиления стальными профилями.
3. Основываясь на опыте эксплуатации подобных сооружений, можно сделать вывод, что применение композитных материалов является эффективным и надежным способом увеличения несущей способности строительных конструкций автомобильных мостов и может быть рекомендовано для применения на других подобных конструкциях.
4. Применение композитных материалов позволяет существенно ускорить и упростить процесс реконструкции эксплуатируемых автомобильных мостов, а значит, дает возможность пропуска больших транспортных потоков и увеличения скорости их движения, что в конечном итоге неминуемо приведет к улучшению качества жизни всех жителей России.

  
Кудрявцев С. В.            Кудрявцев В. А.             Гурьянов Ю. В.

Научно-исследовательский институт
Высокопрочные системы усиления «ИНТЕР/ТЭК»



Сайт: www.carbon66.ru
г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 70, оф. 229, 233
Бесплатный звонок: 8 800 7777 524
тел.: +7 (343) 286-02-70, +7 (343) 378-05-24, e-mail: inter-tec@mail.ru