Соавтор А.В. Михайлова (ООО «Автодор-Инжиниринг»)
Текст статьи опубликован в журнале "Дороги России XXI" №6 2017г.
http://rosavtodor.ru/books/2017/6/files/assets/basic-html/page-18.html#
Введение
В мировой практике стеклопластиковую композитную арматуру широко применяют в бетонных конструкциях автодорожных мостовых сооружений. В частности, в Канаде и США применение стеклокомпозитной арматуры распространено в плитах проезжей части мостовых сооружений, цоколях барьерного ограждения и других конструкциях [1,2]. Коррозионная стойкость композитной арматуры подталкивает инженеров к её применению в конструкциях, подверженных воздействию влаги и других компонентов, агрессивных по отношению к стальной арматуре.
В нашей стране композитная арматура появилась еще в 70-е годы, но широкого применения не получила по причине отсутствия нормативной базы для применения, в том числе, методик расчёта. СП 35.13330.2011 допускает применение арматуры из композитных материалов в мостовых конструкциях при условии разработки соответствующих нормативных документов.
В 2015 году принято Изменение №1 к СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», в котором содержится методика расчёта бетонных конструкций, армированных композитной арматурой. С января 2018 года вводится в действие СП 295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования».
Рабочая группа Государственной компании "Автодор"
В марте 2014 года в Государственной компании «Российские автомобильные дороги» создана Рабочая группа по применению композитной арматуры при строительстве и реконструкции автомобильных дорог и мостов (далее – Рабочая группа). В состав Рабочей группы вошли представители ведущих научно-исследовательских и проектных институтов, вузов, производителей композитной арматуры [3].
В рамках реализации Программы деятельности Рабочей группы в 2014 – 2015 гг. ООО «Автодор-Инжиниринг» и ООО «Сервис-Мост» выполнены исследовательские работы [4], по результатам которых определены конструкции для первоочередного опытного применения композитной арматуры в мостовом строительстве. Критериями выбора конструкций определены малонагруженность, использование арматурных стержней малых диаметров для обеспечения лучшего сцепления с бетоном, лёгкая заменяемость, ремонтопригодность, доступность для оценки состояния и мониторинга, доступность и видимость элементов конструкций в случае отказа. В перечень конструкций для первоочередного опытного применения включены элементы конструкций лестничных сходов, упорные брусья укрепления откосов, плиты усиления и т.п.
В 2014 году было принято решение о строительстве опытного объекта: «СПАД 6-й этап: км 334 – км 543. Путепровод на лесохозяйственной дороге на ПК 5131+75». При проектировании и строительстве данного объекта предполагалось применение в основных несущих конструктивных элементах напрягаемой карбоновой и ненапрягаемой стеклопластиковой арматуры. В том же году в рамках функционирования Рабочей группы на уровне концепции были согласованы основные инновационные технические решения, связанные с применением композитной арматуры.
Исследования
В 2015-2017 гг. ПАО «МОСТОТРЕСТ» с привлечением в качестве основного соисполнителя специализированной научно-исследовательской организации ООО «Сервис-МОСТ» выполнил комплексную НИОКР. С применением теоретических и экспериментальных методов были изучены особенности работы под нагрузкой конструкций из бетона с композитной арматурой, разработано обоснование технических решений, а также выпущен соответствующий нормативный документ применительно к условиям указанного объекта. Значительный объем испытаний образцов и конструкций, а также сопутствующих работ был выполнен на испытательной базе НИУ МГСУ в г. Мытищи и на заводе «МОКОН»
Строительство объекта завершено в 2017 г. Проведены подготовительные работы для осуществления мониторинга технического состояния конструкций сооружения.
Параллельно А.В. Анисимовым и А.В. Михайловой (ООО «Автодор-Инжиниринг») в 2015-2016гг проведены сопоставительные расчёты балок прямоугольного сечения [5], армированных металлической и композитной арматурой.
В 2016 году ООО «Автодор-Инжиниринг» совместно с Филиалом АО ЦНИИС «НИЦ Мосты» предложил Государственной компании «Автодор» применить композитную арматуру в плите усиления проезжей части правого моста через р. Аюта на км 1009+279 автомобильной дороги М-4 «Дон» при выполнении ремонтно-восстановительных работ на сооружении.
На этом объекте и принятых решениях остановимся подробнее.
Мост с повреждёнными балками
Сооружение построено в 1996 г. Движение осуществляется по двум полосам в сторону г. Ростов-на-Дону. Габарит проезжей части 11,5м, два тротуара по 1м. Балки пролетных строений длиной 15,0 м (пролеты №1,2,5) и 18,0 м (пролеты №3,4) выполнены в соответствии с типовым проектом 3.503.1-73 (Союздорпроект). Балки длиной 18,0 м армированы стержневой рабочей арматурой класса АIII 10хØ28; длиной 15,0 м - 8хØ28 и 2хØ16. Продольная схема сооружения /15,0х2+18,0х2+15,0/м, статическая схема работы – температурно-неразрезная. Полная длина моста составляет 84,50 м. В поперечном сечении каждого пролёта установлено 8 балок с расстоянием 1,67м.
В мае 2016 года в ходе осмотра моста на балках пролётных строений длиной 18,0 м в нижней части рёбер обнаружены свежие сколы бетона длиной 15…20 см вдоль пролёта, и отходящие от сколов трещины раскрытием 0,5-1,0мм; провисы балок по результатам съёмки составили 50…60мм. В балках длиной 15,0 м обнаружены трещины аналогичного раскрытия, без сколов; провисы – 40…50мм.
При вскрытии бетона балок в зоне сколов и трещин обнаружены обрывы рабочей стержневой арматуры Ø28 мм (см. таблицу).
Все обрывы находятся в местах сварки, выполненной для объединения арматуры в жесткий каркас на стадии его формирования, или при объединении арматуры «встык». При этом некоторые оборванные стержни по месту обрыва покрыты коррозией по всей площади сечения, следовательно, обрыв произошёл довольно давно. В других местах – обрывы свежие. Соотношение обрывов обоих типов в каждой повреждённой балке примерно 50/50.
Результаты обследования позволяют предположить, что арматурные стержни обрывались в сечениях постепенно в течение длительного периода времени. При этом провисы балок постепенно нарастали до значений 20…30 мм; в рёбрах балок образовывались единичные вертикальные трещины раскрытием до 0,2мм (что было отмечено в паспортах на сооружения за прошлые годы).
Можно также предположить, что обнаруженные в мае 2016 года и описанные выше сколы бетона и трещины раскрытием 0,5…1мм появились в результате новых обрывов арматурных стержней.
По результатам обследования движение на мосту было прекращено.
Обращает на себя внимание факт отсутствия внешних признаков повреждений, свидетельствующих о наличии обрывов арматуры, в балках пролёта №2, при том, что конструкции пролётных строений в пролётах №1,2,5 идентичны.
Специалисты ООО «Автодор-Инжиниринг» провели обследование и частичные испытания пролётов длиной 15м на основе расчётов, выполненных Филиалом АО ЦНИИС «НИЦ МОСТЫ». По результатам выполненной работы предложено заменить все балки в пролетах №3,4 (длиной 18,0 м) и балку 6 в пролете №1.
Следует отметить, что проектные решения не предусматривали замену балки 5 в пролёте №1 (два оборванных стержня) – формально её остаточная несущая способность в составе сечения позволяет пропускать расчётные нагрузки. Кроме того, нельзя исключать возникновение обрывов арматуры в неповреждённых балках. Поэтому было принято решение усилить балки пролетов №1,2,5 (длиной 15,0 м).
№ пролета | Длина пролёта, м | № Балки в поперечном сечении | Количество оборванных арматурных стержней Ø28 мм |
|---|---|---|---|
| 1 | 15 | 5 | 2 |
| 6 | 5 | ||
| 3 | 18 | 2 | 2 |
| 3 | 4 | ||
| 4 | 8 | ||
| 5 | 2 | ||
| 6 | 9 | ||
| 4 | 18 | 4 | 1 |
| 5 | 4 | ||
| 6 | 8 | ||
| 7 | 3 | ||
| 5 | 15 | 6 | 2 |
Комбинированное усиление
Для восстановления несущей способности и усиления балок пролетных строений длиной 15,0 м применён комбинированный способ усиления: углепластиковыми ламелями и плитой усиления, функции которой отведены армированному выравнивающему слою, включённому в совместную работу с балками посредством установки анкеров.
Принятая конструкция мостового полотна в пролётах длиной 15м:
- плита усиления из гидрофобного бетона водонепроницаемостью W10, толщиной 50-200 мм, армированный стеклопластиковой арматурой АКС-10 (над пролетами №1,2,5; ГОСТ 31938-2012; производство ХК «Композит») шаг сетки 150х150 мм;
- мелкозернистый асфальтобетон I марки тип Б по ГОСТ 9128-2013– 40 мм;
- ЩМА-15 по ГОСТ 31015-2002– 40 мм.
Включённая в совместную работу с балками пролётного строения плита усиления обеспечивает увеличение несущей способности за счёт увеличения высоты сечения балки, а также перераспределения усилий от воздействия временных нагрузок между балками.
Выбор в пользу применения композитной арматуры в плите усиления обусловлен стремлением повысить долговечность мостового полотна и нижележащих конструкций. Низкий модуль упругости композитной арматуры не является препятствием для её применения в составе плиты усиления, поскольку вклад арматуры в несущую способность сечения ограничивается обеспечением включения плиты усиления в совместную работу с балками, и перераспределение усилий между ними.
Поперечное сечение балки длиной 15,0 м
Результаты
Ремонтно-восстановительные работы на сооружении были завершены в июле 2016 года. Анализ результатов приёмочных испытаний показал, что армированная композитной арматурой плита усиления включилась в работу; произошло перераспределение усилий в балках. Результаты мониторинга в 2016-2017 годах показали: провис балок не увеличился; новых и раскрывшихся трещин в рёбрах балок не обнаружено.
По итогам усиления пролётных строений плитой, армированной стеклокомпозитными стержнями, можно сделать вывод об эффективности данного решения. Для определения области рационального применения армированного выравнивающего слоя необходимо проведение комплекса исследований, направленного на более тщательное изучение работы усиленной конструкции с применением композитной арматуры, а также выполнение расчётов для определения экономического эффекта от применения предложенных технических решений.
Список литературы
- B. Benmokrane, E. El-Salakawy, A. El-Ragaby, T. Lackey. Designing and Testing of Concrete Bridge Decks Reinforced with Glass FRP Bars// JOURNAL OF BRIDGE ENGINEERING © ASCE – 2006 - № MARCH/APRIL 2006 – 217-229.
- E. El-Salakawy, B. Benmokrane, G. Desgagné. Fibre-reinforced polymer composite bars for the concrete deck slab of Wotton Bridge// Canadian Journal of Civil Engineering – 2003 - №30 (3) – 861-870.
- А.В. Анисимов. Перспективы применения композитной арматуры// Дорожная держава – 2015 - №62/2015 – С 47-49.
- А.В. Анисимов, И.М. Сапронов. О применении композитной арматуры// Автомобильные дороги – 2015 – №09 (1006) – С 56-58.
- Анисимов А.В., Михайлова А.В. Исследование области рационального применения композитной арматуры в элементах конструкций искусственных сооружений на автомобильных дорогах// Актуальные вопросы теории и практики применения композитной арматуры в строительстве: сб. науч. тр. Второй научно-технической конференции 18 декабря 2015 г., г. Ижевск, 2016. – С 35 – 40.
- ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия»
- А.В. Анисимов, И.М. Сапронов. Полимерная композитная арматура в транспортном строительстве// Дорожная держава – 2015 - №64/2015 – С 69-71.