Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
47
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І
АРХІТЕКТУРИ
УДК 624.21.004.69
ефективні системи розширення і підсилення залізобетонних балкових прольотних будов автодорожнІх мостів
.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”
Міністерства освіти і науки України
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович,
Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій;
доктор технічних наук, професор Пастушков Генадій Павлович,
Білоруська державна політехнічна академія, м.Мінськ, завідувач кафедри мостів і тунелів;
доктор технічних наук, професор Яременко Олександр Федорович,
Одеська державна академія архітектури та будівництва, завідувач кафедри будівельної механіки.
Провідна установа: Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ оцінки надійності будівельних конструкцій, Державний комітет України з будівництва і архітектури, м.Київ.
Захист відбудеться “ 4 ” липня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04. у Київському національному університеті будівництва і архітекртури, 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітекртури, 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31
Автореферат розісланий “ 29 ” травня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 Кобієв В.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність дисертаційної роботи визначає необхідність реконструкції більше 60% парку існуючих мостів України, що не відповідають сучасним вимогам через недостатню ширину проїзду і незадовільний фізичний стан. Підвищення експлуатаційних якостей існуючих мостових споруд і забезпечення їх ефективного функціонування на мережі автомобільних доріг є надзвичайно актуальною і складною державно-господарською проблемою, яка потребує негайного вирішення. Успішна реалізація цієї задачі пов'язана з розробкою, теоретичним та експериментальним обгрунтуванням і впровадженням в практику будівництва ефективних систем реконструкції автодорожніх мостів з максимальним використанням існуючих конструкцій, а також резервів несучої здатності.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводили за державною програмою 055.11Р з вирішення науково-технічної проблеми: "Розробити, удосконалити і впровадити прогресивні технічні рішення і технології ремонту та утримання автомобільних доріг і штучних споруд на період 1986-1990 рр."; програмою Міндорбуду України, тема 04.02 "Розробити і впровадити ефективні методи розширення і підсилення автодорожніх мостів". Дослідження витривалості згинаних залізобетонних елементів виконували відповідно до науково-технічної програми НДІ бетону і залізобетону (м. Москва) з теорії розрахунку залізобетонних конструкцій 02.04 СД 1а1 "Пропозиції для розрахунку залізобетонних конструкцій на витривалість з урахуванням властивостей високоміцних арматурних сталей і непружних деформацій бетону для включення в нормативні документи". Дослідження відповідали також планам науково-дослідних робіт Національного університету “Львівська політехніка” згідно тем: “Розробити ефективні конструкції розширення накладною плитою прольотних будов автодорожніх мостів” (держ. реєстр. №01830043493); “Розробити нормативно-технічну документацію з розширення автодорожніх мостів”(держ. реєстр. №01860080362); “Провести експериментальні дослідження витривалості нормальних і похилих перерізів залізобетонних балок, армованих сталями А-ІІІ і А-ІV і розробити пропозиції з методики розрахунку” (держ. реєстр. №01860094758). В проведених дослідженнях автору належить обгрунтування та розробка нових систем розширення і підсилення залізобетонних балкових прольотних будов автодорожніх мостів та розробка методів їх розрахунку, а також аналіз результатів експериментальних досліджень і натурних випробувань прольотних будов до та після розширення.
Метою дослідження є створення ефективних систем розширення і підсилення балкових залізобетонних прольотних будов при реконструкції мостів, розробка методів розрахунку елементів існуючих і розширених мостів з позицій сучасних уявлень про напружено-деформований стан залізобетонних елементів при різних видах навантажень, а також впровадження розроблених способів розширення у практику реконструкції мостів з вивченням особливостей роботи розширених прольотних будов на основі їх статичних та динамічних випробувань до і після розширення.
З поставленої мети визначені задачі дослідження:
•розробити ефективні способи розширення і підсилення існуючих балкових залізобетонних прольотних будов автодорожніх мостів для забезпечення габаритів проїзної частини за нормативами доріг ІІ-Ї і ІІІ-Ї технічних категорій;
•розробити методику розрахунку просторового розподілу зусиль як в існуючих, так і розширених різними способами перехресно- і плитно-ребристих залізобетонних балкових прольотних будовах на стадії їх пружної роботи і з урахуванням наявності тріщин, фізичної нелінійності деформування залізобетону і зміни жорсткістних характеристик балок в процесі тривалого періоду експлуатації, та розрахунку їх елементів і вузлів з’єднань за граничними станами 1-ї і 2-ї групи з урахуванням стадійності, багаторазовості і нестаціонарності тимчасового навантаження та інших специфічних особливостей їх роботи;
•експериментально дослідити просторову роботу існуючих і розширених різними способами залізобетонних балкових прольотних будов та їх окремих балок на великорозмірних залізобетонних моделях і натурних дослідних зразках на стадії експлуатаційних навантажень, при навантаженнях, близьких до руйнівних, а також у граничному стані за міцністю;
•впровадити в практику реконструкції розроблені системи на стадіях експериментального та масового будівництва.
Об'єкт дослідження розширення і підсилення існуючих залізобетонних балкових прольотних будов автодорожніх мостів добудованими елементами і залізобетонною накладною плитою.
Предметом досліджень є існуючі та розширені різними способами моделі і натурні балкові перехресно- і плитно-ребристі прольотні будови, а також їх елементи, навантажені статичним та багаторазовим навантаженням.
Метод дослідження включав вивчення і аналіз літературних джерел, формулювання завдань теоретичних і експериментальних досліджень, складання робочих програм для вирішення поставлених завдань, проведення теоретичних досліджень, виконання запланованих експериментів, обробку і аналіз їх результатів, знаходження емпіричних формул, зіставлення збіжності теоретичних та експериментальних даних, впровадження результатів досліджень при реконструкції залізобетонних балкових прольотних будов, статичні і динамічні випробування існуючих і розширених прольотних будов, формулювання рекомендацій та загальних висновків з виконаних досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів. Уперше розроблена, теоретично обгрунтована, експериментально досліджена та впроваджена в практику реконструкції система розширення і одночасного підсилення існуючих залізобетонних балкових прольотних будов монолітною, збірно-монолітною і збірною ребристою залізобетонною накладною плитою з виступаючими консолями без розширення опор. Розробки захищені 8-ма авторськими свідоцтвами, 4-ма патентами України і патентом Росії.
Новизну виконаних теоретичних і експериментальних досліджень складає:
• запропоновані методики розрахунку зусиль в існуючих і розширених залізобетонних балкових прольотних будовах на базі дискретної просторової розрахункової схеми в пружній і пружно-пластичній стадіях роботи, а також розрахунку міцності їх елементів та вузлів з’єднань за 1-ю і 2-ю групами граничних станів на статичні і багаторазові навантаження;
•методика і результати комплексних експериментальних досліджень просторової роботи існуючих і розширених різними методами балкових перехресно- і плитно-ребристих залізобетонних прольотних будов на великорозмірних залізобетонних моделях і натурних дослідних зразках, випробуваних на стадії експлуатаційних навантажень, навантажень більш високого рівня і в граничному стані за міцністю, а також результати досліджень окремих балок та елементів існуючих і розширених прольотних будов;
•результати впровадження розробленої системи розширення і підсилення балкових залізобетонних прольотних будов збірно-монолітною та збірною залізобетонною накладною плитою, а також результати їх статичних і динамічних випробувань до та після розширення.
Достовірність наукових результатів роботи обумовлена численними, виконаними на сучасному рівні експериментальними дослідженнями, їх дублюванням, аналізом даних інших авторів, застосуванням при проведенні експериментів сучасної вимірювальної апаратури і повірених приладів високого класу точності, використанням при обробці і аналізі результатів дослідів і запропонованих теоретичних гіпотез комп'ютерної техніки. Запропоновані методи розрахунку і розрахункові формули мають задовільну збіжність з результатами експериментальних досліджень як виконаних в даній роботі, так і інших авторів.
Практичне значення одержаних результатів полягає в теоретичному і експериментальному обгрунтуванні, а також впровадженні в практику реконструкції ефективної системи розширення і підсилення монолітною, збірно-монолітною або збірною залізобетонною ребристою накладною плитою залізобетонних прольотних будов різних типів. Існуючі габарити 6, 7, 8 м з тротуарами 0,75...1,5м розширені до габаритів Г-11,5+2х1,5м або Г-10+2х1,5м при забезпеченні вантажопідйомності на нормовані СНіП 2.05.03-84 тимчасові навантаження А11 і НК-80.
Результати досліджень і пропозиції з розрахунку існуючих і розширених залізобетонних прольотних будов використані при:
•створенні нормативного документу з розширення мостів "Инструкции по уширению автодорожных мостов и путепроводов" ВСН 51-88;
•розробці в рамках науково-технічної програми НДІбетону і залізобетону (м.Москва) з теорії розрахунку залізобетонних конструкцій пропозицій для розрахунку нормальних перерізів залізобетонних згинаних елементів на витривалість з урахуванням властивостей високоміцних арматурних сталей і непружних деформацій бетону для включення в нормативні документи при складанні проекту змін та доповнень до СНіП 2.03.01-84*;
•розробці ПІ "Укрремдорпроект" (тепер ПІ "Укрдіпродор", м. Київ) альбомів робочих креслень типових виробів і вузлів "Конструции уширения пролетных строений автодорожных мостов накладними плитами проезжей части" (випуски 02/01-00; 02/01-01 і 02/01-02; Київ, 1986);
•розробці робочих проектів і подальшій реконструкції 42-х автодорожніх мостів в Україні, Білорусії, Росії, Казахстані;
•розроблене програмне забезпечення і методики експериментальних досліджень використовують при виконанні науково-дослідних робіт, а також у навчальному процесі на інженерно-будівельному факультеті НУ "Львівська політехніка" та інших вузів України в курсовому та дипломному проектуванні реконструкції автодорожніх мостів. Матеріали досліджень увійшли в навчальний посібник серії “Новое в науке и технике студентам и учащимся”, вып. 20.
Особистий внесок здобувача складає розроблена система розширення і підсилення існуючих балкових залізобетонних прольотних будов автодорожніх мостів монолітною, збірно-монолітною і збірною накладною плитою, її теоретичне та експериментальне обгрунтування з розробкою методик просторового розрахунку існуючих та розширених залізобетонних прольотних будов на стадії їх пружної роботи і з урахуванням фізичної нелінійності деформування залізобетону, а також розрахунку елементів існуючих і розширених прольотних будов та вузлів з'єднань за 1-ю і 2-ю групами граничних станів; впровадження ефективних систем розширення в практику реконструкції мостів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і обговорювались більш як на 90 Всесоюзних, республіканських, міжвузівських, відомчих конференціях, нарадах, семінарах і науково-технічних радах, а також міжнародних конференціях, в тому числі: І, II, III, IV всесоюзних координаційних нарадах з розширення мостів (Львів 1982, 1983, Москва 1984, Тернопіль 1986); всесоюзній координаційній нараді "Врахування фізичної і геометричної нелінійності в розрахунках залізобетонних стержневих статично невизначених конструкцій" (Ростов, 1985); засіданнях секції штучних споруд науково-технічної ради ДерждорНДІ (Київ, 1986...1995 рр.); всесоюзній нараді "Робота бетону і залізобетону з різними видами армування на витривалість при багаторазових навантаженнях" (Львів, 1987); всесоюзній школі передового досвіду "Передові методи ремонту і утримання штучних споруд" (Нальчик, 1987); республіканській науково-технічній конференції "Вдосконалення методів розрахунку і проектування сучасних видів будівельних конструкцій" (Рівне, 1988); республіканській конференції "Шляхи підвищення використання нової техніки і технології в будівництві" (Вільнюс, 1988); Х-й всесоюзній конференції з бетону і залізобетону (Казань, 1988); всесоюзній науково-технічній конференції "Сучасні методи проектування, будівництва, ремонту і реконструкції автодорожніх мостів і шляхопроводів" (Саратов, 1989); республіканській науково-технічній конференції "Вдосконалення залізобетонних конструкцій, що працюють на складні види деформацій і їх впровадження в будівельну практику" (Полтава, 1989); міжнародній конференції "Проблеми експлуатації автодорожніх мостів" (Новгород, 1990); Жешувсько-Львівському науковому семінарі "Будівництво і інженерія середовища" (Польща-Жешув, 1990, 1991, 1993, 1995, 2000); ХХХІХ-ХLІІІ всепольській науковій конференції "Науково-дослідницькі проблеми будівництва" (Польща-Криниця, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997); міжнародній ювілейній науково-технічній конференції до 150-річчя ЛПІ "Проблеми теорії і практики будівництва" (Львів, 1994); науково-технічній конференції до 50-ти річчя КАДІ "Шляхи підвищення ефективності дорожнього господарства України" (Київ, 1994); українському міжгалузевому семінарі "Сучасні проблеми проектування, будівництва а також експлуатації штучних споруд на шляхах сполучення (Київ, 1996, 1998, 2000); міжнародній науково-технічній конференції "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди" (Рівне, 1996, 1999, 2000, 2001); І і II всеукраїнських науково-технічних конференціях "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону (Київ, 1996, 1999); Ш-й загальнопольській конференції мостовиків (Вісла, 1997); ІІ-й всеукраїнській науково-технічній конференції "Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження" (Київ, 1999); міжнародній конференції "Міцність і якість в будівельній індустрії" (Словенія, 1999); другому міжнародному семінарі "Модернізація і ремонт мостових об'єктів з використанням композитних матеріалів (Жешув, 2000); третій Міжнародній конференції "Продовження терміну служби нових і відремонтованих мостів з використанням сучасних матеріалів Sika"(Білосток 2001); VI Міжнародній конференції "Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля" (Львів, 2001); Міжнародній науково-технічній конференції "Перспективні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві"(Київ, 2001); науково-технічних конференціях ІБФ НУ "Львівська політехніка" (1969...1997 рр.).
Дисертація в цілому доповідалась на науково-технічній конференції, присвяченій 70-річчю білоруської дорожньої науки в РУП “БелдорНИИ” (м. Мінськ); науковому семінарі з механіки деформівного твердого тіла, будівельної механіки, будівельних конструкцій, будівель та споруд при Київському національному університеті будівництва і архітектури; науковому семінарі кафедри будівельної механіки з запрошенням спеціалістів кафедр залізобетонних і кам’яних конструкцій, металевих і дерев’яних конструкцій, механіки грунтів і надійності споруд Одеської державної академії будівництва і архітектури.
Розробки з дисертації демонстрували на виставці ВДНГ "Технічний прогрес в будівництві і експлуатації автомобільних доріг у союзних республіках". Одержана бронзова медаль (Москва, 1987).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 38 роботах, у тому числі у навчальному посібнику, 24 статтях в наукових фахових журналах і збірниках наукових праць, представлені в 13 авторських свідоцтвах і патентах на винаходи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі викладена актуальність проблеми необхідності реконструкції та розширення більше 60% з біля 18,0 тис. автодорожніх мостів, що експлуатуються на мережі державних і місцевих доріг України і 5,0 тис. в містах та населених пунктах. Подана загальна характеристика роботи, її мета і склад, показана новизна та практичне значення наукових результатів.
У першому розділі поданий аналіз стану проблеми реконструкції та розширення габариту проїзної частини існуючих автодорожніх мостів, проведений на основі матеріалів патентних досліджень та вивчення найбільш значущих з точки зору поставлених завдань результатів наукових праць вітчизняних і зарубіжних учених і практиків.
Проблема розширення, ремонту і підсилення прольотних будов автодорожніх мостів стала особливо актуальною після уведення в дію у 1986 р. норм проектування мостів СНіП 2.05.03–, в яких порівняно з попередніми нормами кардинально змінились вимоги до габаритів автодорожніх мостів. Якщо за старими нормами їх призначали в залежності від довжини моста і на дорозі однієї категорії могли бути мости з габаритами 6, 7, 8 м і тротуарами 0,75...1,0 м, то за новими вимогами усунута залежність габариту від довжини моста, а загальна ширина для доріг ІІ-ї і ІІІ-ї технічних категорій збільшилась, відповідно, до 11,5 м і 10,0 м, а ширина тротуарів до1,0...1,5 м.
За останні дещо більше 40 років тимчасові навантаження у нормах проектування змінювали три рази. І якщо зіставити вагу найбільш важкого автомобіля у схемах нормативних навантажень Н-13, Н-18, Н-30, то їх відношення складає 1:1,38:2,31, що призводить до зміни розрахункових зусиль у відношенні 1:1,2:1,7. Відмічені зміни нормованих вимог до габаритів і збільшення тимчасових навантажень призвели до того, що більшість мостів, збудованих за останні 40...50 років, перестала задовільняти нормованим транспортно-експлуатаційним вимогам вантажопідйомності, пропускній здатності та безпеці руху.
Це потребувало вирішення проблеми забезпечення умов їх нормальної експлуатації. Тому в кінці 70-х на початку 80-х років у декількох республіках колишнього Союзу сформувалось певне коло галузевих науково-дослідних і проектних інститутів, ВУЗів і визначились ведучі творчі колективи, напрямком науково-технічної діяльності яких було дослідження проблем експлуатації, реконструкції, розширення і підсилення автодорожніх мостів. Росія: ЦНДІ Мінтрансбуду (Єгорушкін Ю. М., Мірошникова Н. Є., Цейтлін О. Л.); СоюздорНДІ (Гайдук К. В., Єрін Б. Г., Кирилов В. С., Озе С. Е., Осипов В. О., Сахарова І. Д.); ДіпродорНДІ (Васильєв В. І., Крамер Є. Л., Міхін М. Ф., Мусатов С. А., Мусохранов В. В., Поспєлов М. Д., ШестеріковВ. І.); МАДІ (Безверха І. В., Возлінський М. В., Воля О. В., Гібшман М.Є., Дінгес Е.В., Зеге С.О., Морозова Л.І., Потапкін О.О., Саламахін П.М.); НДІБЗ (Білобров І.К., Залєсов О.С., Чистяков Є.О.); Союздорпроект (Кузнєцов В.І.); СибАДІ (Ільюшенко В.Г., Паршиков С.О., Пузіков В.І., Толмачов К.К.); Казанський ПІ (Джумадилієв В.А., Єремєєв В.П., Самітов Р.А., Ярцев І.В.); Краснодарський ПІ (Телятников В.М.); Україна: КАДІ-НТУ (Буракас Б.А., Виноградський Д.Ю., Коваленко С.Н., Лантух-Лященко А.І., Лівшиць Я.Д., Назаренко В.Б., Оніщенко М.М., Руденко Ю.Д., Снітко В.Ф., Сироватка Л.І., Страхова Н.Є., Хвощинська Н.М., Шаповал І.П., Шкуратовський А.О.); ДерждорНДІ (Барсуков В.П., Едельман Є.І., Ковальов П.М., Штільман Є.І.); ХАДІ (Бондаренко В.В., Кожушко В.П., Лозицький О.С., Лукін М.П., Назаренко Б.П.); Міндорбуд України –Укравтодор (Бояренко В.А., Голуб’єв В.О., Гончаренко Ф.П., Климпуш М.Д.); Укрремдорпроект (Гольдштейн В.Л., Кузнєцов В.А., Степанов Г.В., Шехтман З.Н.); ЛПІ-НУ "Львівська політехніка" (Гнідець Б.Г., Іваник І.Г., Кваша В.Г., Клименко Ф.Є., Коваль П.М., Ковальчик Т.П., Курило А.С., Ониськів Б.М., Попович Б.С., Салійчук Л.В., Сало В.Ю., Собко Ю.М., Стечишин С.М.); Білорусь: БілдорНДІ-НПО “Білдорнаука” (Войтович О.М., Головнєв О.Ф., Журавльов М.М., Золотов П.В., Ковалевський В.Б., Король І.О., Кузнєцов А.М., Оліфер М.В., Пастушенко Н.Г., Самаріна В.Г., Слука А.П., Черкасов В.В., Шакай І.Ф., Щербенков Н.П.); Білоруський ПІ-БДПА (Леонович І.І., Лукша Л.К., Лущ С.Н., Пастушков Г.П.); Білдіпродор (Авраменко Б.С., Федоров О.Г.), Мінавтодор (Маркевич М.М., Максименко Л.Б.); Казахстан: Мінавтодор (Новіков В.О.); Каздорпроект (Кадиров Ф.Ф.); Семипалатинський автодор (Галкін О.М.). Окремі роботи виконувались в прибалтійських республіках.
Виконаними науково-дослідними роботами визначені основні концепції та принципи реконструкції мостових об’єктів, а також розроблені базові способи розширення прольотних будов з техніко-економічним обгрунтуванням їх доцільності та економічної ефективності.
На даний час найбільше розповсюдженим є спосіб розширення добудованими елементами. Цьому сприяла можливість виконання робіт без припинення руху, а також наявність значної кількості розроблених та апробованих на практиці конструктивних рішень.
Залізобетонну плоску накладну плиту в традиційному варіанті з консолями 1,52 м застосовували лише у поодиноких випадках, оскільки розширення таких розмірів не задовільняє нормативних вимог до габариту мостів на автомобільних дорогах ІІ та ІІІ технічних категорій. У зарубіжній практиці різні варіанти монолітної залізобетонної накладної плити з консолями до 3,5 м застосовують при розширенні мостів значно частіше.
Комбінований спосіб розширення одержав деяке розповсюдження в Білорусі та Росії. Він при відносно невеликому розширенні опор, як правило, без розширення фундаментів дозволяє значно розширити прольотну будову при використанні для приставних елементів нових блоків будь-якої форми і конструкції незалежно від конструкції старої прольотної будови.
Перший нормативний документ з проектування розширення автодорожніх мостів у вигляді тимчасових рекомендацій (ВР 218 УССР) розроблений в Україні в 1980-1981 рр. з використанням теоретичних та експериментальних робіт ДерждорНДІ (Джигіт С. Г.), КАДІ (Лівшиць Я. Д., Коваленко С. М., Руденко Ю. Д., Страхова Н. Є.), а також досвіду проектування розширення мостів у ПІ “Укрремдорпроект” (Гольдштейн В. М., Степанов Б. В.). На його основі, а також сумісних досліджень ДіпродорНДІ (Шестеріков В. І., Наумічева С. А., Риклін С. І.), МАДІ (Дінгес Е. В., Кухтін В. Н., Зеге С. О.), Всесоюзного заочного ПІ (Поляков Д. М., Курасова Т. П., Зайцева А. К.) у 1986-87 рр. розроблені та затверджені Мінавтодором Росії “Рекомендации по уширению эксплуатируемых железобетонных автодорожных мостов”, в яких подані рекомендовані способи розширення прольотних будов різних типів приставними елементами в комбінації з накладною плитою і без неї. В 1988-90 рр., на основі узагальнення науково-дослідних робіт в Україні, Білорусі, Росії був розроблений чинний на даний час відомчий нормативний документ ВСН51-88 “Инструкция по уширению автодорожных мостов и путепроводов”.
Експериментальні дослідження залізобетонних моделей балкових прольотних будов проводили Юргенсон А. О., Гнідець Б. Г. і Сало В. Ю., Стуков В. П., Золотов П. В., Слука А. П., Пастушенко В. Г. Загальний висновок з них полягає в тому, що просторовий розподіл зусиль в залізобетонних прольотних будовах, балки яких мають тріщини в розтягнутих зонах, залежить від місцеположення та інтенсивності навантаження, а при його розрахунках необхідно визначати дійсну жорсткість балок з урахуванням тріщин і нелінійного деформування залізобетону.
Роботи з теоретичного забезпечення розширення включали визначення вантажопідйомності та залишкового ресурсу існуючих прольотних будов з урахуванням їх фактичного стану після тривалого періоду експлуатації (Олександров О.В., Безверха Н.В., Богданов Н.Н., Гібшман М.Є., Зеге С.О., Золотов П.В., Єремеєв В.П., Крамер Є.Л., Лукін М.П., Морозова Л.І., Потапкін А.О., Страхова Н.Є., Трифонов І.О., Цейтлін О.Л.) та розробку методів просторового розрахунку залізобетонних балкових прольотних будов як існуючих до розширення так і нових при їх проектуванні з застосуванням просторових розрахункових схем (Богданов Н.Н., Гібшман М.Є., Золотов П.В., Єгорушкін Ю.М., Крамер Є.Л., Лантух-Лященко А.І., Лукін М.П., Семенець Л.В., Уліцький Б.Л., Потапкін А.О., Юргенсон А.О., та ін. ). В розрахунках застосовані різні модифікації методів будівельної механіки стержневих систем, сформульованих, як правило, в матричній формі. До цієї групи робіт також відносять просторові розрахунки різних типів монолітних, збірно-монолітних і збірних ребристих перекрить, плитних та просторових конструкцій на локальні навантаження (Азізов Т.Н., Барашиков А.Я., Бондаренко В.М., Гвоздєв О.О., Гнідець Б.Г., Дорофеєв В.С., Карабанов Б.В., Семченков А.С., Складнєв М.М., Яременко О.Ф.).
В роботах Лантух-Лященка А.І. розвинутий новий напрямок визначення вантажопідйомності залізобетонних прольотних будов –створення ймовірностних моделей їх несучої здатності, оснований на нелінійній теорії накопичення пошкоджень. Для статичного розрахунку складних просторових систем прольотних будов мостів, використовують програмні комплекси, основані на методі скінчених різниць і скінчених елементів: “Прокруст” (Донецький промбудпроект), комплекс програм “Ліра” і “Міраж” (НДІАСБ під керівництвом Городецького А.С.), СПіР-3 і Spika (Єгорушкін Ю.М.), тощо.
При розробці пропозицій з розрахунку за 1-ю і 2-ю групами граничних станів складених перерізів балок прольотних будов, об’єднаних з накладною плитою, можна використати дослідження збірно-монолітних конструкцій, виконані Буракасом А.О., Голишевим О.Б., Гнідцем Б.Г., Казарновським В.С., Калашніковим М.О., Кузьмичовим О.Є., Сунгатуліним Я.Г., Цейтліним О.Л. та ін., а також дослідження сталебетонних прольотних будов, представлені в роботах Стрелєцького М.М.
На основі проведеного аналізу способів розширення існуючих залізобетонних прольотних будов, експериментальних і теоретичних досліджень з проблем реконструкції автодорожніх мостів визначена мета і поставлені для вирішення задачі досліджень.
Плоску накладну плиту 2 товщиною 12...15 см використовують при розширенні на 2...2,5 м в кожну сторону (рис.1,а). При більшому вильоті консолей їх підкріплюють ребрами чи кронштейнами 3 (рис.1,б,в) або збільшують переріз біля примикання до крайньої існуючої балки (рис.1,г). Для істотного збільшення робочої висоти складеного перерізу існуючих балок і накладної плити її виконують склепінчатою або ребристою (рис.1,д,е), складеною з поздовжніх збірних або монолітних ребер 4 і накладної плити 2.
Нові способи розширення монолітною залізобетонною накладною плитою передбачали часткову перебудову існуючої прольотної будови: заміну балок і улаштування на їх місці коробчастих блоків 5 більшої несучої здатності (рис.1,є),
Рис.1. Розширення прольотних будов монолітною залізобетонною накладною плитою: а –плоскою плитою; б,в –з підкріпленням консолей поперечними ребрами; г –з перемінною товщиною консолей; д –склепінчатою плитою; е –плитою з поздовжніми ребрами; є,ж,з –із заміною балок або ділянок плити між суміжними балками; і,к,л –із заміною крайніх балок; 1 –балки існуючої прольотної будови; 2 –монолітна залізобетонна накладна плита; 3 –поперечні ребра або кронштейни; 4 –збірні призматичні балки; 5 –нові коробчасті елементи; 6 –суцільне вбетоноване ребро; 7 –нові збірні елементи; 8 –підрізка існуючої опори; 9 –нові опорні столики.
улаштування коробчастих 5 або суцільних 6 вставок між ребрами суміжних крайніх балок (рис.1,ж,з), заміну крайніх балок новими елементами 7 більшої висоти за рахунок пониження рівня їх обпирання (рис.1,і,к) улаштуванням в оголовку опори підрізок 8 або підняттям старих балок на опорні столики 9 (рис.1л).
Монолітну залізобетонну накладну плиту застосовують одночасно з перетворенням старих прольотних будов в сучасну нерозрізну систему з великими консолями і коробчастими крайніми балками (рис.2). Консоль накладної плити 2 підсилюють збільшенням її товщини (рис.2,а,б,г) або додатково підкріплюють монолітними плитами-підкосами 7 (рис.2,д). Для бетонування нижньої плити 3 і бокових ребер 4 верхню полицю існуючих балок на відповідних ділянках видаляють.
|
Рис.2 . Розширення існуючих прольотних будов монолітною залізобетонною накладною плитою з одночасною їх реконструкцією і підсиленням: а,б –поперечні перерізи в прольоті і на опорі; в –поздовжні перерізи (міст через р.Свіча в смт Вигода); г,д –варіанти розширення струнобетонної прольотної будови; е –поздовжній переріз (міст через р.Ворскла в смт Опішня); 1 –існуючі балки; 2 –монолітна залізобетонна накладна плита; 3 –нижня плита коробчастого перерізу; 4 –монолітні бокові ребра; 5 –водозбірний лоток; 6 –водовідвідна труба; 7 –додаткові плити-підкоси. |
Ураховуючи орієнтацію мостобудівельних організацій на переважне використання в конструкціях мостів збірного залізобетону, розроблені конструкції розширення і одночасного підсилення прольотних будов різними типами збірно-монолітної і збірної накладної плити (рис.3). П-подібного профілю з поперечними швами замонолічення (рис.3,а), також П-подібного перерізу зі зменшеним об’ємом замонолічення і об’єднанням на консольних ділянках впритик зварюванням закладних деталей (рис.3,б) і збірною з одним несучим ребром і контурними ребрами для об’єднання плит між собою дискретними стиками на зварюванні закладних деталей (рис. 3, в). Блоки накладних плит 1 об’єднують з існуючими балками 2 для сумісної роботи різними типами анкерів, розташованих в поперечних швах замонолічення або у передбачених для цього прорізах 7. Поперечні шви 5 додатково армують арматурними каркасами 6.
Рис. 3. Розширення прольотних будов збірно-монолітною (а,б) і збірною (в) залізобетонною ребристою накладною плитою:
1 - збірні блоки накладної плити; 2 - існуючі балки; 3 - контурні ребра накладних плит; 4 - шпоночні заглиблення; 5 - поперечні і поздовжні шви замонолічення; 6 - арматурні каркаси; 7 –прорізи в збірних накладних плитах; 8 - об’єднання плит зварюванням закладних деталей.
Ребриста накладна плита висотою 30...40 см при приблизно однаковій приведеній товщині 12...18 см з плоскою значно збільшує робочу висоту балок, їх жорсткість і несучу здатність, компенсуючи збільшення зусиль від власної ваги плит і нової схеми найбільш невигідного розташування тимчасового навантаження поперек розширеної прольотної будови. Поперечні ребра накладних плит разом з армованими швами замонолічення між ними відіграють роль додаткових діафрагм, збільшуючи поперечну жорсткість прольотної будови, а також служать підтримуючими ребрами консолей накладної плити, що дозволяє збільшити їх довжину до 4...5 м.
Замонолічені шви між плитами повинні забезпечити їх сумісну роботу як стиснутої зони складених балок і бути герметичними. Тому для їх улаштування необхідно використовувати сучасні високоякісні і довговічні матеріали, не дивлячись на їх високу вартість. Переважно слід застосовувати конструктивні рішення за рис.3,б,в, у яких плити об’єднані між собою жорсткими стиками зварюванням закладних деталей, а вузькі шви між ними значно простіше зачеканювати, герметизувати і захистити гідроізоляцією.
Наведені і інші варіанти нових конструктивних рішень збірно-монолітної ребристої накладної плити: при заміні значно ушкоджених крайніх балок; улаштування накладної плити з малорозмірних збірних елементів у вигляді поздовжніх ребер, об’єднаних з існуючими балками і укладених на них плоских плит, замонолічених у поздовжніх і поперечних швах об’єднання з ребрами та між собою; застосування для розширення спеціально виготовлених консольних балкових елементів довжиною на проліт, приставлених впритик до ребра крайніх балок з обох сторін і об’єднаних монолітною або збірно-монолітною накладною плитою, улаштованою в межах існуючої прольотної будови.
Для об’єднання накладних плит з існуючими балками і сприйняття зсуваючих зусиль розроблені нові конструктивні рішення шпоночних з’єднань з жорсткою і гнучкою арматурою, а також з анкерним потовщенням при одночасній роботі на зсув і відрив.
Наведені також схеми організації руху автотранспорту на період реконструкції без улаштування об'їздного моста і нові способи регулювання зусиль в існуючих балках при улаштуванні накладної плити.
У третьому розділі розроблені теоретичні основи розширення залізобетонних прольотних будов існуючих мостів, які включали визначення зусиль у просторових перехресно-ребристих системах та розрахунок їх елементів і вузлів з’єднань за граничними станами 1-ї і 2-ї груп на основі дійсних закономірностей деформування залізобетону, а також з урахуванням стадійності, багаторазовості і нестаціонарності тимчасового навантаження, неоднорідності поперечних перерізів розширених прольотних будов та інших специфічних особливостей їх роботи.
Розрахунок просторового розподілу зусиль в залізобетонній перехресно-ребристій системі виконують методом скінчених елементів у формі змішаного методу будівельної механіки. Континуальну плитно-балкову систему представляють спрощеною дискретною моделлю перехресної статично невизначеної системи (рис.4,а), поздовжніми і поперечними елементами якої є геометричні осі перехресних балок, жорсткість яких в статичній схемі відповідає їх фактичним жорсткостям. Напружений стан її перерізів визначають три компоненти сил і три компоненти моментів, які на рис. 4,б показані векторами, а її деформації –три компоненти лінійних і три компоненти кутових переміщень. Рішення з урахуванням всіх компонентів зусиль і переміщень вважається точним. Для інженерних розрахунків практичний інтерес представляють згинальні моменти, поперечні сили і прогини вузлів, тому в приблизному рішенні інші компоненти зусиль і переміщень не ураховані.
Для розкриття статичної невизначеності дискретну модель в системі координат OXYZ уявно розчленуємо на прості елементи - вузли і стержні між вузлами з діючими в них зовнішніми навантаженнями і внутрішніми зусиллями. Розглядаючи умови рівноваги вузла ef, а також примикаючих до нього стержнів по осях ОХ і ОУ, після перетворень одержимо рівняння статичної рівноваги вузла перехресно-ребристої системи, виражене через вузлові згинальні моменти і зовнішнє навантаження:
|
1/d [Мx,(e-1)f - 2 Мx,ef + Мx,(e+1)f ] + 1/a [Мy,e(f-1) - 2 Мy,ef + Мy,e(f+1) ] + Pef = 0. |
(1) |
Рис.4. Розрахункові схеми до просторового розрахунку перехресно-ребристих прольотних будов:
а схема перехресно-ребристої системи; б схема зусиль в перерізах; в, г рівновага вузлів і стержнів.
У цьому рівнянні число діафрагм може змінюватись від 1 до m, а число поздовжніх балок від 1 до n. Крайовими умовами рівняння будуть:
|
Мx,0f ; Mx,(m+1)f ; Мy,e(f=1) = My,e(f=n) = 0. |
(2) |
В матричній формі отримані вирази запишуться у вигляді
. (3)
Матриця апроксимації для будь-якого елементу матиме вигляд
. (4)
Аналогічно визначаємо матрицю апроксимації фізичних характеристик елемента –матрицю податливості дискретного елемента [Dn], яка запишеться у вигляді:
, (5)
де податливість перерізу згину, податливість перерізу зсуву.
Якщо стержні кожного напрямку розглядати як нерозрізні балки на пружно осідаючих опорах, якими служать балки протилежного напрямку, то за умову безперервності деформацій нерозрізної балки над опорою ef доцільно прийняти відоме рівняння трьох моментів (теорема Клайперона), яке з урахуванням вузлових моментів від зовнішніх навантажень і нерівномірного осідання опор для напрямків ОХ, ОY має вид:
|
d (Mx,(e-1)f + 4 Mx,ef + Mx,(e+1)f ) / (6EIx) + ((e-1)f - 2 ef + (e+1)f ) / d = 0. |
(6) |
|
a (My,e(f-1) + 4 My,ef + My,e(f+1) ) / (6EIy) + (e(f-1) - 2ef + e(f+1) ) / a = 0. |
(7) |
У цих рівняннях EIx = Bx , EIy = By жорсткості поздовжніх і поперечних балок на відповідних ділянках. При необхідності їх визначають з урахуванням розвитку тріщин і непружних деформацій бетону; - вертикальні переміщення вузлів.
Значення е змінюється від 1 до m, а f –від 1 до n у рівнянні (6) і від 2 до (n-1) у рівнянні (7).
Краєві умови цих рівнянь:
|
Мx,(e=0)f ; Mx,(m+1)f ; (e=0) = (e=m+1)f = 0; Мy,e(f=1 ) = My,e(f=n ) = 0. |
(8) |
Члени рівнянь (6) і (7) комплектують матрицю податливості (5). Разом рівняння (1), (6), (7) складають систему лінійних алгебраїчних рівнянь, яка є достатньою для визначення вузлових згинальних моментів Мх і Му і прогинів. Вона має m n невідомих згинальних моментів Мх, m(n-2) –згинальних моментів Му і mn –прогинів . У цілому система m(3n-2) разів статично невизначена.
Для реалізації даної методики розрахунку складені алгоритм і програма розрахунку на ЕОМ. Вона є універсальною і може використовуватись для розрахунку існуючих і розширених різними способами залізобетонних прольотних будов, що складаються з елементів різних жорсткостей і різного віку як у пружній, так і у пружно-пластичній стадії їх роботи при розвитку нелінійних деформацій залізобетону і наявності тріщин. Оскільки в статично невизначених системах жорсткість перерізів залежить від зусиль, а зусилля –від жорсткості, для розрахунку у пружно-пластичній стадії застосований метод послідовних наближень, головна ідея якого полягає у декілька разовому розрахунку системи зі збереженням незмінної статичної схеми, і корегуванням перед кожним новим розрахунком жорсткості перерізів відносно до ступеню їх навантаженості і розвитку в них непружних деформацій. Різні модифікації такої методики використані у більшості робіт з нелінійних розрахунків просторових систем (Безверха Н.М., Бондаренко В.М., Карабанов Б.В., Крамер Є.Л., Лантух-Лященко А.І., Уліцький Б.Є.).
Для оцінюючих інженерних розрахунків, як правило, без використання ЕОМ розроблена двокрокова методика визначення максимальних згинальних моментів в найбільше навантажених перерізах прольотної будови при фізично нелінійному їх деформуванні. У першому наближенні відомими методами визначають пружний згинальний момент Мel у найбільше навантажених перерізах прольотної будови. У другому визначають пружно-пластичний згинальний момент Мeр, використовуючи як основну залежність деформування діаграму прогинів, яка узагальнює в собі при різних рівнях навантаження вплив на напружено-деформований стан і жорсткість нелінійних деформацій бетону і арматури, тріщин, тривалості або повторності навантажень, статичну схему, тощо. Залежність між згинальними моментами Мel і Мeр одержують з порівняння прогинів балок системи у пружній і пружно-пластичній стадії роботи fel = feр:
|
fel = s Mel l/ ( E Ired ) ; |
feр = sMep l/ B, |
(9) |
де В –фактична жорсткість балки у відповідній стадії роботи; EIred - початкова жорсткість балки; s, s- коефіцієнти, що ураховують статичну схему і схему навантаження балки відповідно у пружній і пружно-пластичній стадіях роботи. За експериментальними даними s/s =0,9, тоді:
|
Mep = 0.9 Mel B / ( E Ired ) . |
(10) |
При перерахунку існуючих прольотних будов жорсткість В визначають відомими методами за згинальними моментами, прийнятими в долях від руйнівного Мu даної балки. Для розрахунків за 1-ю групою граничних станів з умови обмеження деформацій приймають МI < (0,75...0,8)Мu, за другою –МII < (0,5...0,6) Мu. При проектуванні нових систем жорсткість можна визначати методом послідовних наближень, розраховуючи її спочатку за згинальним моментом Мel і послідовно уточнюючи при кожному черговому визначенні моменту Мep.
Аналіз статистичних даних про склад і масу транспортних засобів, що рухаються мостами, (К.Фуртак, Страхова Н.Є., Шкуратовський А.О.), переконливо показує необхідність перевірочних розрахунків залізобетонних балок прольотних будов довжиною до 20...25 м звичайних і 30...35 м попередньо напружених на витривалість, оскільки у вказаному діапазоні прольотів коефіцієнт асиметрії циклу багаторазових навантажень м=Мmin/Мmax становить 0,3...0,5 і при цьому критерієм міцності арматури і бетону будуть їх розрахункові опори за витривалістю.
Запропонована нижче методика розрахунку міцності, жорсткості та тріщиностійкості нормальних перерізів залізобетонних згинаних елементів на багаторазові навантаження розроблена на основі експериментальних досліджень Абашидзе О.І., Берга О.Я., Бєлоброва І.К., Вайнюнаса П., Валіконіса Ю., Давидовича О.О., Камайтіса З.А., Казанкова О.Л., Каранфілова Т.С., Карпухіна І.С., Кваші В.Г. і Левчича В.В., Кваші В.Г. і Мельника І.В., Корчинського І.А., Кирилова О.П., Маіляна Р.А., Матарова І.М., Мірсаяпова І.Т., Піневича С.С., Скатинського В.І. і Крітова П., Стреляєва М.І., Селюкова В.М., Самбора Ю.В., Терехової Г.Б., Юркші А.В. та ін. Їх аналіз показує, що напружений стан нормальних перерізів залізобетонних згинаних елементів при багаторазових навантаженнях змінюється внаслідок нагромадження деформацій віброповзучості бетону стиснутої зони і виключення з роботи розтягнутого бетону в перерізі з тріщиною. В результаті відбувається перерозподіл напружень стиснутої зони по висоті, збільшується повнота їх епюри, зменшується плече внутрішньої пари сил і, відповідно, зростають напруження в розтягнутій арматурі.
Напружений стан прямокутного перерізу з ненапруженою арматурою після прикладання базового числа циклів навантаження (N=2х10) або перед втомним руйнуванням при N2х10(обмежена витривалість)при максимальному рівні навантаження циклу Мmax і криволінійній епюрі напружень стиснутої зони (висота х* або * = х* / h; повнота *; максимальні напруження b) описують відомими рівняннями рівноваги:
b b *h* = s As
s As z* = Mmax
b b *h*z* = Mmax
|
a) б) в) |
(11) |
де s - напруження в арматурі; z* - плече внутрішньої пари сил після базового числа циклів навантаження або перед втомним руйнуванням.
Дана система рівнянь містить п’ять невідомих, тому її розв’язують відносно b s при незалежно визначених величинах *, z* та *.
Для визначення відносної висоти стиснутої зони використана формула (161) СНіП 2.03.01-84*, в якій замість коефіцієнта прийнято * = (0,85 + 0,15 м ), а замість коефіцієнта коефіцієнт * = Еs / Eb*, який ураховує зменшення модуля деформацій бетону при повторних навантаженнях. Для визначення Eb* використана пропозиція Білоброва І.К. і Казанкова О.П.
|
Ев* = 1 / [1/Еb + 2 Сlim / (1 +м )] , |
(12) |
де Ев –початковий модуль пружності бетону; Сlim граничне значення питомих деформацій повзучості (міри повзучості), які визначають за СНіП 2.05.03-84.
Коефіцієнт повноти епюри після базового числа циклів навантаження або перед втомним руйнуванням обчислюють за запропонованою нами емпіричною формулою, яка відображає вплив на його величину рівня навантаження = Ммах / Мu, фактичного і граничного коефіцієнта армування і R, попереднього напруження, яке впливає на рівень тріщиноутворення cr = Мcr / Мu, а також внаслідок наростання деформацій віброповзучості зменшення модуля деформацій бетону з Ев до Ев*:
|
*= 0,5[1+ ( - 0,5 cr ) / R ] ( 1 + 0,05 Eb / Eb*). |
(13) |
При відомих значеннях *, * і х*=* hзнаходять плече внутрішньої пари сил:
|
z* = h - ( 2 * + 1 ) x* / 6, |
(14) |
З рівнянь (11) визначають максимальні напруження циклу в розтягнутій арматурі. Для згинаних елементів без попереднього напруження:
|
s,max = Mmax / ( As z* ) . |
(15) |
Для попередньо напружених:
p = [ Mmax - Р( z* - ep )] / ( Ap z* ) +p2
|
. |
(16) |
де Р рівнодійна сил обтиску в попередньо напруженій арматурі з урахуванням втрат попереднього напруження: ep ексцентриситет прикладання рівнодійної відносно центра ваги приведеного перерізу: Ap площа попередньо напруженої арматури; p2 - напруження в попередньо напруженій арматурі з урахуванням втрат.
Максимальні напруження у стиснутому бетоні звичайних і попередньо напружених елементів визначають також з рівняння (11,б):
|
b,max = Ммах /(b * h* z*). |
(17) |
Коефіцієнт асиметрії циклу напружень в арматурі s = s,min / s,max визначають за запропонованою нами емпіричною формулою, яка відображає виявлений аналізом експериментальних даних вплив на його величину характеристики циклу навантаження м відносної величини попереднього напруження p2/Rpn (Rpn - нормативний опір попередньо напруженої арматури) та максимального рівня навантаження = Ммах / Мu :
s = 0,27 + м ( 0,33 + 0,4 м ) + 0,7 p2 ( 1 - 0,7 ) / Rpn
|
. |
(18) |
Згідно численних досліджень коефіцієнт асиметрії циклу напружень в бетоні b можна приймати рівним м.
При відомих значеннях s і b за рекомендаціями СНіП 2.03.01-84* або СНіП 2.05.03-84 визначають коефіцієнт умов роботи арматури і бетону s3 і b1 та перевіряють умови витривалості нормального перерізу за арматурою і бетоном:
Мmax s3 Rs Аs z*; Мmax b1 Rb * h* z*. (19)
Оскільки викладена методика розрахунку витривалості згинаних елементів основана на визначенні фактичних кінцевих параметрів напруженого стану перерізу, то їх у подальшому використовують для розрахунку за другою групою граничних станів і таким чином забезпечують одну розрахункову схему для обох груп граничних станів.
Деформації у поздовжній розтягнутій арматурі і верхніх фібрах бетону стиснутої зони, кривину і прогини згинаних елементів після 2 млн. циклів навантажень визначають за відомими в теорії залізобетону залежностями, використовуючи визначені раніше величини *, z* і *.
Середні деформації арматури:
*sm = [ Mmax - P( z* - ep )] s / (Es z* )
|
. |
(20) |
Середні деформації верхніх фібр бетону:
*bm = Mmax b / [(f + * ) b h * E*b z* ]
|
. |
(21) |
Кривина:
( 1 / r )* = (*sm + *bm ) / h
|
. |
(22) |
При розрахунку на багаторазові навантаження за даними дослідів коефіцієнти s =b =1,0. В інших випадках (короткочасні, малоциклові, тривалі навантаження) їх визначають за рекомендаціями норм або за уточненими формулами, які відображають дійсний взаємозв’язок бетону і арматури в розтягнутій зоні згинаних залізобетонних елементів.
Маючи кривину, жорсткість і прогини визначають відомими методами.
Для уніфікації розрахунку на утворення тріщин при багаторазових та статичних навантаженнях запропоновано втомну тріщиностійкість визначати за методом ядрових моментів:
|
M*crc = Rbt,ser Wpl + P ( eр + r ) . |
(23) |
Величини, що входять у цю формулу визначають за СНіП 2.03.01-84*.
Ширину розкриття тріщин при дії багаторазових навантажень визначають за формулу (144) СНіП 2.03.01-84* з урахуванням збільшення напружень в арматурі за формулою (15) і іншого значення коефіцієнта l:
l* = 2 - 2 м +м
|
. |
(24) |
Перевірка даної методики розрахунку здійснена за результатами випробувань 38 звичайних і 45 попередньо напружених балок із важкого, щільного силікатного і легкого бетону, армованих стержневою, дротяною і канатною арматурою (досліди Самбора Ю.В., Селюкова В.М., Терехової Г.Б., Острат Л.І., Мусатова С.А., Кваші В.Г. і Левчича В.В., Піневича С.С., Давидовича О.О., Кваші В.Г. і Мельника І.В.). За основними показниками витривалості для порівнюваних дослідних даних розбіжність між результатами розрахунку та досліду не перевищує 10 %, причому середнє відхилення теоретичних даних від дослідних складає –,5 % для звичайних і +2,4 % для попередньо напружених балок.
Розрахунок міцності нормальних перерізів балок, об’єднаних з накладною плитою проводять за новою висотою складеного перерізу на сумісну дію тимчасових та першої і другої частин постійного навантажень. При цьому за висоту стиснутої зони, згідно даних випробувань балок, об’єднаних з накладною плитою, приймають товщину полиці накладної плити. В цьому випадку умова міцності має вид:
М Rs As z, (25)
де z=h–,5hf1 ( hf1 - товщина полиці накладної плити).
Експериментальна перевірка придатності формули (25) для розрахунку міцності нормальних перерізів складених балок проведена при випробуваннях до руйнування моделей і натурних балок за ТП вип.56. Для моделей балок дослідні і розраховані руйнівні моменти практично збігаються, а для натурних різниця між ними знаходиться у межах до 7,3 %, що є цілком допустимим.
Міцність похилих перерізів складених балок також розраховують за рекомендаціями чинних норм проектування мостів. Причому розрахунок на поперечну силу проводять за висотою існуючої балки, а на згинальний момент –за повною висотою складеного перерізу.
Розрахунок балок складеного перерізу за граничними станами 2-ї групи, як і збірно-монолітних конструкцій, виконують з урахуванням постадійного прикладання навантажень в процесі улаштування накладної плити, включення її в роботу і створення складеного перерізу.
Одним з розповсюджених типів залізобетонних мостових балок існуючих прольотних будов є балки, армовані плоскими зварними каркасами з розташуванням поздовжніх розтягнутих стержнів великих діаметрів у 4...6 рядів без зазорів по вертикалі і через певні проміжки вздовж прольоту з’єднаних між собою зварними швами. У відповідних перерізах поздовжня арматура відгинається у стінку балки для сприйняття поперечних сил.
Проведені натурні випробування прольотних будов з таких балок і окремих балок показали, що розрахунки їх за 2-ю групою граничних станів за чинними нормами проектування не дають задовільної збіжності з результатами експериментальних досліджень. Потреба більш точного їх розрахунку виникає як при перерахунку існуючих прольотних будов на нові експлуатаційні навантаження, так і при проектуванні їх розширення накладною плитою. Це і спричинило до розробки уточненої методики їх розрахунку за 2-ю групою граничних станів.
У прийнятій розрахунковій схемі для балки таврового профілю з багаторядовою арматурою As без накладної плити (рис. 5,А) або з нею (рис. 5,Б) розглядають напружений стан нормального перерізу з тріщиною (рис.5,б), а також умовний середній переріз, для якого приймають справедливою гіпотезу плоских перерізів (рис.5,в), при співвідношенні висоти стиснутої зони х=хm (=1- 0,7/(100+1); коефіцієнт армування перерізу балки).
Вплив на напружено-деформований стан розтягнутої зони нерівномірного розподілу напружень (деформацій) по висоті пакету нижньої робочої арматури, відігнутої і конструктивної арматури в ребрі балки, а також роботу розтягнутого бетону над тріщинами ураховують коефіцієнтом s, для визначення якого нами запропонована емпірична формула:
s = 0.6 + 0.2 M / Mser , (26)
де = ( 0.005 + s ) / s - ураховує коефіцієнт армування балки s=As/(bh); М згинальний момент від діючих навантажень; Mser згинальний момент, що сприймає переріз при нормативних характеристиках матеріалів.
Для існуючої балки і при сумісній її роботі з накладною плитою середню відносну висоту стиснутої зони (рис.5,в) визначають з квадратного рівняння, одержаного з розгляду умов рівноваги перерізу з тріщиною у стадії експлуатації і гіпотези плоских перерізів для умовного середнього перерізу балки:
m + b m - c = 0. (27)
m = - b / 2 + (b / 4+ c )/2; xm = m h. (28)
У рівняння (27) входять величини:
Для існуючої балки:
Рис.5. Розрахункова схема напружено-деформованого стану нормального перерізу існуючої балки з багаторядовою арматурою (А) і при сумісній роботі з ребристою накладною плитою (Б) для розрахунків за 2-ю групою граничних станів:
а - поперечний переріз; б - розподіл напружень в бетоні і арматурі; в - розподіл деформацій по висоті балки.
|
b = f f / ’ + (’ s’ + s ) c = (’ a’ ’s / h01 + s ), |
(29) |
де f = (b’f - b) h’f / (b h); ’s = A’s / (b h); s = As / (b h);
’=; = / ( ’ ); ’=в /’s= 1,0; =b/s; =Es/Eb; b=s’=0.9; (30)
=0,5; f=0,75 - коефіцієнт повноти епюри ребра і звісів полиці балки.
Інші позначення на рис. 5, А.
Для балки з накладною плитою
|
b = [f 1 / (b’’) - f ( 1 + 1 / ) + ff / ’+ (’+ / ’)] , c = [f(f f / ’- f / f ) + (’h’f + a’’s+hMs/ ’)/ b’h], |
(31) |
|
|
де m= хm/h; f 1=bf1 /bh; f=(bf –b)hf /bh; f =hf /h b=Eb /Eb1; ’b =b1 /b; =; =/b; =Es /Eb1; s =As /bh; s =As /bh; b =b1 /s ; =b1 /s ; |
(32) |
де b1=1,0; b=’s=0,9 –коефіцієнт нерівномірності розподілу деформацій в бетоні полиці накладної плити, полиці існуючої балки і в стиснутій арматурі на ділянці між тріщинами;
; Eb; ; Eb1; - коефіцієнти пружності і початковий модуль деформацій відповідно бетону існуючої балки і накладної плити ( =0,9 =0,8).
Інші величини з формул (33), а позначення з рис.5,Б.
При відомому m і хm визначають плече внутрішньої пари сил для середнього перерізу:
Для існуючої балки (рис.6,А)
|
z m = h - xm + ym ym = 2 [ b’f xm - ( b’f - b ) ( xm - h’f ) ] / [ 3 ( b’f xm - ( b’f - b)(xm - h’f) )] |
(33) |
Для балки з накладною плитою (рис.6,Б)
1. При xm hf; zm = h - 0.5 h’f1 . (34)
2. При xm > hf; zm=h- 0.2 hf ,(35)
hf –висота ребристої накладної плити.
Середні напруження і середні деформації в арматурі визначають з умов рівноваги і гіпотези плоских перерізів:
Рис.6. Розрахункові схеми напружень (а,в) і деформацій (б,г) в нормальному перерізі існуючої балки з багаторядовою арматурою (А) та при її сумісній роботі з ребристою накладною плитою (Б) (а,б - xm hf ; в,г - xm hf ).
Для існуючої балки (рис. 6,А, а, б):
s = М / Wsm ; bm = sm / Es (36)
де момент опору середнього перерізу відносно розтягнутої зони:
Wsm = As zm + A’s ( zs - zm ) ( xm - a’) / (h - xm ). (37)
Середні деформації верхнього волокна стиснутої зони знаходять з гіпотези плоских перерізів (рис.6,А,б):
bm = sm xm / ( h - xm ) . (38)
В перерізі з тріщиною:
s = sm / s ; s = sm / s ;b = bm Eb / b. (39)
Для балки з накладною плитою (рис.6.Б).
ms = M / (As zm ); sm = sm / Es. (40)
Середні деформації бетону верхнього стиснутого волокна полиці накладної плити знаходять з гіпотези плоских перерізів (рис.6.Б,б,г) за формулою (38), використовуючи умовну середню висоту стиснутої зони хm.
Кривину і жорсткість перерізів на ділянках з тріщинами для обох розглянутих типів балок знаходимо за формулами:
1/r = (sm + bm ) / h;B = As zm Es ( h - xm ) / s .(41)
Ширину розкриття тріщин на рівні осі нижнього ряду стержнів розтягнутої арматури при відомих напруженнях s визначаємо за відомими формулами чинних норм.
Перевірку розробленої методики розрахунку існуючих балок без і при сумісній роботі з накладною плитою проводили за результатами випробувань натурних балок довжиною 14,06 м за ТП вип.56. Порівняння експериментальних і розрахованих прогинів показує задовільну їх збіжність до навантажень 0,7...0,75 від руйнівних, що відповідає верхній границі справедливості гіпотези плоских перерізів для середніх деформацій бетону і арматури, а також практичним потребам розрахунків таких балок на експлуатаційні навантаження.
У третьому розділі представлені також запропоновані методики розрахунку зсуваючих зусиль в дискретних зв’язках об'єднання накладної плити з існуючими балками і розрахунку міцності і витривалості бетонних і армованих шпоночних з’єднань накладної плити з існуючими балками. Ці методики описані в чинному нормативному документі ВСН 51-88 і тому в авторефераті не подаються.
В четвертому розділі описані експериментальні дослідження існуючих та розширених приставними елементами і різними типами накладної плити великорозмірних залізобетонних моделей прольотних будов, а також виконаний аналіз їх результатів. Метою їх було вивчення просторової роботи існуючих і розширених різними способами залізобетонних балкових прольотних будов у стадії експлуатаційних навантажень, при навантаженнях, близьких до руйнівних і в граничному стані за міцністю, установлення ефективності різних конструктивно-технологічних рішень розширення, а також перевірка існуючих і пропонованих методик розрахунку у пружній і пружно-пластичній стадіях роботи прольотних будов і розрахунків їх елементів за 1-ю і 2-ю групами граничних станів.
Випробували три групи дослідних конструкцій залізобетонних моделей прольотних будов (табл.1,2,3): існуючих різної ширини з монолітними діафрагмами (ДК-1...ДК-3) і зібрані з двох блоків на податливому (ДК-4) і шарнірному (ДК-5) стиках (рис.7,а,б), а також бездіафрагмових (ДК-6, ДК-7), балки яких об’єднані замоноліченим стиком у межах полиці на арматурних випусках (рис.7,в); розширених симетрично (ДК8...ДК-12) або односторонньо (ДК-13...ДК-17) добудованими елементами різної початкової жорсткості, об’єднаними з існуючими балками податливими і шарнірними стиками на металевих накладках; розширених різними типами накладної плити: збірно-монолітною плоскою (ДК-18) і ребристою (ДК-19), а також плоскою монолітною з заміною крайніх існуючих балок (ДК20). Випробовували також окремі балки існуючих (базових) моделей (ДК0-0) і елементів розширення (ДК0-1, ДК0-2). Для розширення моделей за базові використовували раніше випробувані моделі існуючих прольотних будов, що імітувало попередній період їх експлуатації при наявності тріщин в балках і дефектів (наприклад, розрив накладок) стиків діафрагм.
В розширених моделях імітували в масштабі 1:4 розширення з габариту Г-7+2 х 0,75 м до габариту Г-11,5 + 2 х 1,5 м. Їх проектували за принципом геометричної подібності до реальної прольотної будови за ТП вип.56 або 56д розрахунковим прольотом 16,2 м.
Всі моделі прольотних будов випробовували за однією методикою на спеціально обладнаному силовому стенді. Їх навантажували ступенями, зосередженою силою, прикладеною почергово в вузлах перетину поздовжніх і поперечних балок до максимального навантаження 0,65...0,7 від передбачуваного руйнівного. Моделі ДК-18 і ДК-19 після вивчення характеру їх просторової роботи випробовували до руйнування за згинальним моментом і поперечною силою схемами невигідного розміщення моделі нормованого навантаження Н-30 і АК. Вимірювали вертикальні переміщення вузлових точок моделей, що дало змогу оцінити їх просторову роботу і ступінь навантаженості балок при різних схемах прикладання зовнішнього навантаження. Новою методичною особливістю експериментального визначення розподілу між балками зовнішнього навантаження, а також згинальних моментів і поперечних сил в поздовжніх балках моделей було порівняння прогинів окремих (еталонних) балок і аналогічних балок у складі моделей. Не дивлячись на приблизність даного способу загальна його точність є вищою від визначення розподілу традиційним способом пропорційно прогинам і початковим жорсткостям балок в допущенні їх пружної роботи після утворення тріщин.
Аналіз експериментальних прогинів і згинальних моментів в балках випробуваних моделей дозволяє зробити такі висновки:
в залежності від місцеположення зовнішнього навантаження, співвідношення жорсткості балок і жорсткості зв’язків між ними ступінь навантаженості окремих балок є різним, тому частина більше навантажених працює у пружно-пластичній стадії, а друга менше навантажених –у пружній. Тобто прольотна будова має дві, якісно відмінні в роботі зони: пружно-пластичної і пружної роботи.
при навантаженні прольотної будови вузловою зосередженою силою епюри згинальних моментів в найбільше навантажених балках, які працюють в пружно-пластичній стадії, є криволінійними з додатньою кривиною. Це свідчить про те, що частина зовнішньої сили, яка припадає на них розподілюється уздовж прольоту у вузли, суміжні з навантаженим і є наслідком її перерозподілу через істотне зменшення жорсткості навантаженої балки і суміжних з нею та включенні в роботу поперечних балок;
ефект сумісної роботи балок збільшується при забезпеченні жорсткого об’єднання елементів у поперечнику прольотної будови. В бездіафрагмових моделях при гнучкому поперечному в розподілі зовнішньої сили істотну участь приймають лише балки, суміжні з навантаженою, а інші мало впливають на характер просторової роботи, тому, з точки зору просторового розподілу зусиль вони є менш ефективні, порівняно з діафрагмовими. Це потрібно ураховувати при аналізі стану існуючих бездіафрагмових прольотних будов, а при проектуванні нових –віддати перевагу діафрагмовим;
симетричне розширення розвантажує балки існуючої прольотної будови. Одностороннє розширення підсилює їх тільки зі сторони приєднуваних, тому замість нього слід приймати двохстороннє несиметричне, додаючи з протилежної від розширення сторони хоча б одну нову балку більшої жорсткості і несучої здатності. Це, як і при односторонньому розширенні, дозволить проводити роботи без улаштування об’їзду і одночасно значно покращить умови роботи існуючої балки, яка б в односторонньо розширеній прольотній будові залишалася крайньою.
після включення в роботу накладної плити не тільки істотно зменшуються прогини балок, але і якісно змінюється характер їх епюр поперек прольоту з явно криволінійного до майже лінійного, що свідчить про збільшення загальної поперечної жорсткості розширених накладною плитою прольотних будов, особливо при застосуванні ребристої накладної плити, збірно-монолітні ребра якої, розміщені поперек прольоту створюють додаткові діафрагми. Це особливо важливо для бездіафрагмових прольотних будов, у яких балки, об’єднані тільки верхньою плитою, слабо включаються у сумісну роботу. Розширення прольотних будов цього типу ребристою накладною плитою значно покращує умови їх просторової роботи.
в стадії близькій до руйнування, проходить інтенсивний перерозподіл навантаження між балками, тому фактична несуча здатність прольотних будов є значно більшою від розрахованої за пружною стадією роботи. Наприклад, для моделі ДК-18 теоретичний руйнівний згинальний момент на крайню балку становив 32 кНм, що при розрахунку за пружною стадією відповідає навантаженняю 47 кН. Фактично нормальний переріз крайньої балки зруйнувався при навантаженні 102,5 кН, що у 2,18 рази більше теоретичного. Для моделі ДК-19 ця різниця становила 1,93 рази. Розраховане за запропонованою в розділі 3 методикою просторового розрахунку залізобетонних перехресно-ребристих систем при фізичній нелінійності деформування залізобетону теоретичне руйнівне навантаження на крайню балку для моделі ДК-18 становить 89,7 кН. Різниця складає лише 12,5 %, що, ураховуючи складність установлення моменту руйнування крайньої балки в перехресно-ребристій системі, можна вважати цілком задовільною збіжністю;
консольна частина накладної плити працює як просторова плитна ребриста система, в якій при навантаженні консолі в просторовому розподілі зусиль приймають участь усі її ребра уздовж прольоту. Тому розрахунок зусиль в ребрах консолі накладної плити потрібно проводити з урахуванням просторової роботи, що дасть можливість збільшити діапазон застосування на практиці методу розширення прольотних будов залізобетонною накладною плитою.
Експериментальні згинальні моменти і прогини порівнювали з розрахунком за запропонованою методикою просторового розрахунку, а також за пружною версією розрахункового комплексу “Міраж”та програмою ЦНДІ Мінтрансбуду (м. Москва) “Spika”. Максимальна розбіжність експериментальних і розрахованих за запропонованою методикою згинальних моментів знаходяться в межах 5...8 %, що узгоджується з точністю проведення експериментів. Розраховані за програмами “Міраж”і “Spika”у припущенні пружної роботи моделей згинальні моменти для найбільше навантажених балок до 25 % більші від експериментальних, що є недопустимим, і підтверджує, що урахування пружно-пластичної роботи частини балок перехресно ребристої системи дозволяє підвищити достовірність і точність розрахунків зусиль в існуючих і розширених різними способами прольотних будовах.
П’ятий розділ містить результати і аналіз експериментального дослідження просторової роботи і несучої здатності за згинальним моментом і поперечною силою натурної збірної залізобетонної діафрагмової прольотної будови, зібраної з балок за ТП вип.56 (рис. 8), до та після розширення залізобетонною збірно-монолітною ребристою накладною плитою. Прямим порівнянням результатів випробувань існуючої і розширеної прольотних будов визначали вплив включення в роботу накладної плити на досліджувані параметри.
Прольотні будови навантажували за декількома схемами: І –для вивчення просторової роботи і розподілу навантажень між балками –послідовно у вузлах перетину головних балок і діафрагм (максимальне навантаження 800 кН для існуючої і 1200 кН для розширеної прольотних будов); ІІ –для визначення несучої здатності за поперечною силою крайню балку над крайніми прольотними діафрагмами; ІІІ –для визначення несучої здатності за згинальним моментом –дві крайні балки з протилежної сторони, кожну двома силами над середніми діафрагмами; IV –для вивчення роботи консольної ділянки накладної плити –середні і крайні ребра консолі силами з її краю і всередині. Навантаження здійснювали гідравлічними домкратами і передавали його на прольотну будову за допомогою випробувального стенду, який складався з двох жорстких металевих ферм довжиною 15,0 м і висотою 2,5 м, що сприймали навантаження від домкратів і через поперечну балку та систему опорних траверс і тяжів передавали його на насадки існуючих опор.
Вимірювали прогини балок у вузлах перетину з діафрагмами, а також у тих же перерізах деформації арматури і бетону стиснутої зони існуючих балок і накладної плити, деформації відігнутої арматури на приопорних ділянках крайніх балок і деформації зсуву накладної плити відносно існуючих балок. Всі вимірювання проводили на базах 220...250 мм стаціонарно установленими приладами.
Визначення експериментальних згинальних моментів і поперечних сил в досліджуваних перерізах балок проводили новим способом, основаним на прямому порівнянні деформацій арматури і бетону в заданих перерізах окремо випробуваної (еталонної) балки з такими ж деформаціями для аналогічних перерізів балок, працюючих в складі прольотних будов.
Отримані такі основні результати випробувань:
Рис. 8. Конструкція дослідного зразка прольотної будови за ТП вип.56 (а) та поперечні перерізи крайніх прольотів до (б) і після (в) розширення збірно-монолітною накладною плитою; г - вузли і деталі з’єднань; д - армування несучого ребра накладної плити.
характер деформування різних балок свідчить, що у складі одного поперечника прольотної будови частина їх працює у пружно-пластичній стадії, а частина пружно. Жорсткість найбільше навантажених балок, визначена за деформаціями арматури і бетону та експериментальними згинальними моментами, зменшуються більше ніж у два рази порівняно з початковою;
після включення в роботу з існуючими балками накладної плити епюри прогинів поперек прольоту з криволінійних стали майже лінійними, а їх величина зменшилась більше ніж у 2,4...3,5 рази. Відповідно, зменшились деформації арматури і бетону. Це свідчить як про істотне збільшення жорсткості балок складеного перерізу, так і збільшення загальної поперечної жорсткості прольотної будови;
як для існуючої, так і розширеної прольотної будови експериментальні згинальні моменти, визначені за графіками деформацій арматури і бетону еталонної балки на 20...40 % менші, ніж визначені у допущенні пружного їх розподілу пропорційно прогинам балок. При прикладанні до балок вузлового зосередженого навантаження у найбільше навантажених з них епюри згинальних моментів криволінійні з додатньою кривиною. Це свідчить про просторовий розподіл зосередженої сили при роботі балок у пружно-пластичній стадії;
несуча здатність балок, працюючих разом з накладною плитою, на згинальний момент, порівняно з існуючими балками, зростає більше ніж у два рази, а на поперечну силу –на 40...50 %, чого цілком достатньо для розширення існуючих прольотних будов з шести балок за ТП вип.56 до габариту Г-11,5+2х1,5 м.
консольна ділянка ребристої накладної плити працює як просторова конструкція з розподілом тимчасового навантаження між поперечними ребрами. Прийнята їх конструкція забезпечує несучу здатність, необхідну для сприйняття нормованих тимчасових навантажень при їх розташуванні на консолі з максимальним наближенням до бар’єру безпеки;
співставлення результатів розрахунків згинальних моментів і прогинів за запропонованою методикою просторового розрахунку при пружно-пластичній роботі частини балок з експериментальними даними показало їх задовільну збіжність. Різниця між ними знаходиться в межах 2...12 %, що відповідає межам точності експерименту.
В шостому розділі висвітлений досвід практичного застосування розроблених конструктивних рішень при розширенні існуючих мостів, показані основні етапи впровадження результатів досліджень в Україні і країнах СНД, а також представлений аналіз результатів статичних і динамічних випробувань прольотних будов до та після розширення.
За результатами теоретичних і експериментальних досліджень виконана реконструкція з розширенням габариту ребристою накладною плитою 42-х мостів різних типів і конструктивних схем на автодорогах України, Білорусі, Росії, Казахстану: монолітних масивних і тонкостінних переважно довоєнної побудови; збірних перехресно- і плитно-ребристих за ТП вип.56 і 56д; попередньо напружених струнобетонних та армованих пучковою арматурою з високоміцного дроту в заін’єктованих каналах. Усі реконструйовані об’єкти з габариу 4,5...8,0 м розширені до Г-11,5+2х1,5 м і Г-10+2х1,0...1,5 м під нормовані тимчасові навантаження А11 і НК-80.
Натурні випробування прольотних будов до та після розширення підтвердили ефективність включення накладної плити в сумісну роботу з існуючими балками. Досягнута необхідна їх несуча здатність після розширення, у декілька разів зменшились прогини, а також збільшилась поперечна жорсткість прольотних будов. Покращились динамічні характеристики, особливо у бездіафрагмових прольотних будовах за ТП вип.56д і попередньо напружених струнобетонних, динамічні коефіцієнти яких більше ніж у два рази перевищували розраховані за СНіП 2.05.03-84. Після включення в роботу накладної плити завдяки збільшенню маси і жорсткості амплітуда вимушених коливань зменшилась у 2...3 рази, а динамічні коефіцієнти стали близькими до розрахованих.
Більшість реконструйованих мостів розширяли накладною плитою без улаштування об’їздів, пропускаючи рух вільними смугами існуючої проїзної частини або частиною з улаштованою накладною плитою. Цим виключений один з основних недоліків способу розширення накладною плитою.
Підтверджена також техніко-економічна ефективність розширення прольотних будов залізобетонною ребристою накладною плитою. На 11-ти об’єктах експериментальної реконструкції загальною довжиною 528 м порівняно з розширенням приставними елементами зекономлено 117,4 т арматурної сталі і 2580 м товарного бетону, в основному, за рахунок відсутності необхідності розширення опор. Значно скорочені терміни реконструкції, що в умовах ринкової економіки має вирішальне значення.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
10. Запропоновані в роботі, теоретично і експериментально досліджені конструктивні рішення розширення і одночасного підсилення прольотних будов увійшли складовою частиною в чинний нормативний документ: “Инструкцию по уширению автодорожных мостов и путепроводов” ВСН 51-88, а також використані при реконструкції 42-х мостів в Україні, Білорусії, Росії, Казахстані. По всіх реконструйованих обєктах порівняно з розширенням приставними елементами економія арматури і бетону досягає 15…30%, а трудомісткість і вартість робіт зменшується до 20…50 %. Значно скорочені терміни і досягнута комплексність в модернізації споруд і доведенні їх експлуатаційних показників до рівня нових сучасних автодорожніх мостів.
ПУБЛІКАЦІЇ
|
1. |
Кваша В.Г. Уширение железобетонных балочных мостов накладной плитой // Новые материалы и технологии в промышленном и дорожном строительстве: Учебное пособие. К.: Вища школа, 1990. с. 109165. |
|
2. |
Кваша В. Г. Пространственный расчет железобетонных перекрестно- и плитно-ребристых конструкций в упруго-пластической стадии работы // Строительные конструкции. Вып. 45-46. К. : НИИСК, 1993. С. 8082. |
|
3. |
Кваша В.Г. Експериментальні дослідження залізобетонних моделей прольотних будов, розширених приставними елементами // Будівельні конструкції. Вип. 50. К.: НДІБК, 1999, С. 8794. |
|
4. |
Кваша В.Г. Розширення прольотних будов автодорожніх мостів монолітною залізобетонною накладною плитою // Вісн. Рівн. держ. техн. ун-ту. 1999. Вип.3: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. С. 140145. |
|
5. |
Кваша В.Г. Реконструкція аварійних мостів з підсиленням опор // Будівельні конструкції. Вип.51. К.:НДІБК. 1999. С. 434439. |
|
6. |
Кваша В.Г. Розширення збірних залізобетонних прольотних будов мостів з багаторядовою каркасною арматурою залізобетонною накладною плитою // Вісн. Рівн. держ. техн. ун-ту. 2000. Вип. 4: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі і а споруди. С. 205212. |
|
7. |
Кваша В.Г. Розширення і підсилення залізобетонних прольотних будов збірно-монолітною накладною плитою // Вісн. Львів, держ. аграрного ун-ту. 2000, № 1:Архітектура і сільськогосподарське будівництво. С. 119125. |
|
8. |
Кваша В.Г. Реконструкція аварійного моста з розширенням прольотної будови, підсиленням струнобетонних балок та ригелів проміжних опор // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Український міжгалузевий семінар “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення”. К.: Вид-во Українського трансп. ун-ту, 2000. С. 6469. |
|
9. |
Кваша В.Г. Аналіз тріщиноутворення при обстеженні залізобетонних автодорожних мостів // Вісн. Рівн. держ. техн. ун-ту. –. –вип. 6: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. –С. 268–. |
|
10. |
Кваша В.Г., Бояренко В.А. Уширение и усиление железобетонных мостов сборно-монолитной ребристой накладной плитой // Автодорожник Украины. 1991. № 2 С. 3135. |
|
11. |
Кваша В.Г., Іваник І.Г. Інженерний метод просторового розрахунку плитно-ребристих залізобетонних систем // 36. наук. статей “Проблеми теорії і практики залізобетону”. Полтава, 1997. С.186189. |
|
12. |
Кваша В.Г., Іваник І.Г. Особливості просторового розрахунку розширених прольотних будов залізобетонних мостів // Будівельні конструкції Вип. 50. К.: НДІБК, 1999, с. 95100. |
|
13. |
Кваша В.Г., Коваль П.Н. Влияние повторных нагружений на прочность, выносливость и деформативность шпоночных соединений железобетонных плит // Строительные конструкции. К.: Будівельник, 1986. Вып. 39. С. 38 41. |
|
14. |
Кваша В.Г., Коваль П.М. Дослідження роботи поширених прогонових будов мостів на моделях // Вісн. ДУ "Львівська політехніка". 1996. № 287: Теорія і практика будівництва, с. 5156. |
|
15. |
Кваша В.Г., Коваль П.Н., Собко Ю.М. Совершенствование способа уширения автодорожных мостов железобетонной накладной плитой // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1986. № 5. С. 95100. |
|
16. |
Кваша В.Г., Коваль П.Н., Собко Ю.М. Экспериментальное исследование пространственной работы железобетонных плитно-ребристых пролетных строений в упруго-пластической стадии // Вест. Львов. политехн. ин-та. 1988. №223: Резервы прогресса в архитектуре и строительстве. С. 48 51. |
|
17. |
Кваша В.Г., Коваль П.Н., Собко Ю.М. Сдвигающие силы в составных железобетонных балках мостов, уширенных накладной плитой // Вестн. Львов. политехн. ин-та. 1990. № 243: Резервы прогресса в архитектуре и строительстве. С. 3740. |
|
18. |
Кваша В.Г., Мельник И.В. Предложения по совершенствованию расчета железобетонных изгибаемых элементов на многократно повторные нагрузки // Строительные конструкции. К.: НИИСК, 1993. Вып. 45-46. С. 3841. |
|
19. |
Кваша В.Г., Попович Б.С., Іваник І.Г. До розрахунку залізобетонних балок зі змінною за довжиною жорсткістю // Вісн. ДУ "Львівська політехніка". 1997. № 335: Теорія і практика будівництва, с. 5662. |
|
20. |
Кваша В.Г., Салійчук Л.В. Розширення прольотної будови автодорожнього моста монолітною залізобетонною накладною плитою // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. –К.: Національний трансп. ун-т, 2001. –вип. 63. –С. 271–. |
|
21. |
Кваша В.Г., Собко Ю.М. Експериментальні дослідження просторової роботи бездіафрагмової прольотної будови моста, розширеної ребристою накладною плитою // Вісн. Львів. політехн. ін-ту. 1992. № 262: Резерви прогресу в архітектурі та будівництві. С. 4143. |
|
22. |
Кваша В.Г., Собко Ю.М., Стечишин С.М. Експериментальне дослідження просторового розподілу зусиль в прольотній будові моста по ТП вип. 56 // Вісник ДУ “Львівська політехніка”: Проблеми теорії і практики будівництва. Том V: Мости і автомобільні і шляхи. Львів: Вид-во ДУ “Львівська політехніка”, 1997. С.1723. |
|
23. |
Кваша В.Г., Собко Ю.М., Стечишин С.М. Дослідження просторової роботи балкової залізобетонної прольотної будови з багаторядовою зварною арматурою // Вісн. Рівн. держ. техн. ун-ту. 2001. Вип.7: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. С. 141149. |
|
24. |
Кваша В.Г., Стечишин С.М. Дослідження міцності і деформацій бетону в віці 30-ти років // Вісн. ДУ "Львівська політехніка". 1996. № 300: Теорія і практика будівництва, с. 5661. |
|
25. |
Кваша В.Г., Стечишин С.М. Вдосконалення методики розрахунку мостових балок за ТП вип. 56 за другою групою граничних станів // “Сучасні проблеми проекту-вання,будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення”. –Київ: ОПВД ОАО ПТИ “Киеворгстрой”, 1998. –С. 92–. |
|
26. |
Способ уширения существующего железобетонного балочного пролетнго строения моста: А. с. 796301 СССР, МКИ Е01D7/00 / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль (СССР). –№ 2732015/29-33; Заявл. 27.02.79; Опубл. 15.01.81, Бюл. № 2. –с. |
|
27. |
Способ реконструкции железобетонного балочного пролетнго строения моста: А. с. 958576 СССР, МКИ Е01D21/00 / В.Г.Кваша, Б.Н.Оныськив, П.Н.Коваль (СССР). –№ 3009940/29-33; Заявл. 01.12.80; Опубл. 15.09.82, Бюл. № 34. –с. |
|
28. |
Способ реконструкции железобетонного балочного ребристого пролетнго строения моста: А. с. 975869 СССР, МКИ Е01D21/00 / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль (СССР). –№ 3306840/29-33; Заявл. 11.06.81; Опубл. 23.11.82, Бюл. № 43. –с. |
|
29. |
Соединение имеющей вырезы накладной плиты проезжей части с балками железобетонного пролетного строения моста: А. с. 1028762 СССР, МКИ Е01D7/02 / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль, И.С.Костив (СССР). –№ 3389756/29-30; Заявл. 03.02.82; Опубл. 15.07.83, Бюл. № 26. –с. |
|
30. |
Кострукция уширения проезжей части пролетного строения моста: А.с. 1147809 СССР, МКИ Е01D7/02 / В.Г.Кваша, И.Г.Романский, П.Н.Коваль (СССР). –№ 3611039/29-33; Заявл. 04.05.84; Опубл. 30.03.85, Бюл. № 12. –с. |
|
31. |
Шпоночное соединение накладной плиты с плитой проезжей части железобетонною пролетного строения моста: А. с. 1288242, МКИ Е01D7/02 / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль. Ю.М.Собко (СССР). № 3822867/29-33; Заявл. 11.12.84; Опубл. 07.02.87, Бюл. № 5. 3 с. |
|
32. |
Способ регулирования усилий в пролетном строении моста: А. с. 1289949 СССР, МКИ Е01D21/00 / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль (СССР). –№ 3356278/29-33; Заявл. 16.11.83; Опубл. 15.02.87, Бюл. № 6. –с. |
|
33. |
Способ усиления разрезных или температурно-неразрезных пролетных строений моста: А. с. 1315549 СССР, МКИ Е01D7/02 / В.Г.Кваша, Ю.М.Собко (СССР). –№ 3952263/29-33; Заявл. 11.09.85; Опубл. 07.06.87, Бюл. № 21. –с. |
|
34. |
Пат. 1147809 Российская Федерация, МКИ Е01D7/02. Конструкция уширения проезжей части пролетного строения моста / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль, Ю.М.Собко (UА). № 3611039/29-33; Заявл. 04.05.83; Опубл. 04.12.94. 4с. |
|
35. |
Пат. 4961 Україна, МКВ Е01D7/02. Конструкція поширення проїзної частини прольотної будови моста / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль, Ю.М.Собко (UA). –№ 3611039/SU; Заявл. 04.05.83; Опубл. 28.12.94; Промислова власність. Офіційний бюл. № 7–. –с. |
|
36. |
Пат. 8947 Україна, МКВ Е01D21/00. Спосіб реконструкції залізобетонної балочної прогонової будови моста / В.Г.Кваша, Б.М.Ониськів, П.Н.Коваль (UA). –№ 3009940/SU; Заявл. 01.12.80; Опубл. 30.09.96; Промислова власність. Офіційний бюл. № 3. –с. |
|
37. |
Пат. 8948 Україна, МКВ Е01D7/02. Шпоночне об’єднання накладної плити з плитою проїзной частини залізобетоннох прогонної будови моста / В.Г.Кваша, П.Н.Коваль, Ю.М.Собко (UA). –№ 3822867/SU; Заявл. 11.12.84; Опубл. 30.09.96; Промислова власність. Офіційний бюл. № 3. –с. |
|
38. |
Пат. 42025 Україна, МКВ Е01D22/00. Спосіб реконструкції залізобетонної ребристої прогонної будови моста / В.Г.Кваша, Ю.М.Собко, С.М.Стечишин (UA). –№ 97041826; Заявл. 17.04.97; Опубл. 15.10.2001; Промислова власність. Офіційний бюл. № 9. –с. |
У спільних публікаціях [10,13,14,15,16,20,21,22,23,24] автором розроблені конструктивні рішення розширення прольотних будов, програми і методики їх випробувань, конструкції дослідних зразків моделей і натурної існуючих і розширених прольотних будов, виконана обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень, порівняння теоретичних і дослідних величин, а також висновки з проведених досліджень.
У публікаціях [11,12,17,18,19,25] автором розроблені математичні моделі та розрахункові схеми залізобетонних перехресно-ребристих балкових систем та їх окремих елементів у пружній і пружно-пластичній стадіях роботи, а також методики розрахунку зсуваючих сил у складених балках та їх розрахунку за 1-ю і 2-ю групами граничних станів при статичних і багаторазових навантаженнях.
У авторських свідоцтвах [26,27,28,29,30,31,32,33] і патентах [34,35,36,37,38] автором розроблені принципові конструктивні рішення розширення і підсилення залізобетонних прольотних будов автодорожніх мостів залізобетонною накладною плитою, шпоночних з’єднань її з існуючими балками та способів регулювання зусиль в балках при розширенні прольотних будов.
АНОТАЦІЯ
Кваша В.Г. Ефективні системи розширення і підсилення залізобетонних балкових прольотних будов автодорожніх мостів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 будівельні конструкції, будівлі та споруди. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2002.
Дисертація присвячена розробці, теоретичному та експериментальному обгрунтуванню ефективних способів розширення і одночасного підсилення існуючих залізобетонних балкових прольотних будов новими конструкціями монолітної, збірно-монолітної і збірної залізобетонної накладної плити з довжиною консолей до 4…4,5 м. Новизна розробок захищена 8-ма авторськими свідоцтвами, 4-ма патентами України і патентом Росії. Розроблені методики просторового розрахунку існуючих і розширених приставними елементами і залізобетонною накладною плитою прольотних будов у пружній і фізично-нелінійній стадії їх роботи, а також нові пропозиції з розрахунку несучих елементів та вузлів з’єднань існуючих і розширених залізобетонних прольотних будов за 1-ю і 2-ю групами граничних станів на статичні та багаторазові навантаження. Випробування великорозмірних залізобетонних моделей існуючих і розширених приставними елементами та накладною плитою прольотних будов, а також збірної натурної прольотної будови з балок за ТП вип. 56 довжиною 14,06 м до та після розширення ребристою збірно-монолітною накладною плитою підтвердили задовільну збіжність розрахованих і експериментальних згинальних моментів і прогинів у балках прольотних будов. Запропоновані конструкції залізобетонної накладної плити застосовані для розширення 42-х мостів з прольотними будовами різних конструктивних схем в Україні, Росії, Білорусі, Казахстані і увійшли складовою частиною в “Инструкцию по уширению автодорожных мостов и путепроводов” ВСН 51-88.
Ключові слова: залізобетонні балкові прольотні будови, розширення прольотних будов, залізобетонна накладна плита, просторовий розрахунок, дискретна модель, напружено-деформований стан і міцність перерізів, перерозподіл зусиль, експериментальні дослідження існуючих і розширених прольотних будов, реконструкція мостів.
АННОТАЦИЯ
Кваша В.Г. Эффективные системы уширения и усиления железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.01 строительные конструкции, здания и сооружения. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2002.
Диссертация посвящена разработке, теоретическому и экспериментальному обоснованию эффективных способов уширения и одновременного усиления существующих железобетонных балочных пролетных строений различными конструкциями железобетонной накладной плиты с выступающими консолями без уширения опор.
В предисловии обоснована актуальность, научная новизна, практическое значение работы, представлена ее апробация и дана общая характеристика.
В первом разделе изложен обзор и анализ различных аспектов проблемы реконструкции, уширения и усиления пролетных строений автодорожных мостов. Показано формирование парка мостов во времени и нормирования их основных технических и эксплуатационных параметров –грузоподъемности и габарита проезжей части. Критически проанализированы конструктивные решения базовых способов уширения и усиления железобетонных балочных пролетных строений, их экспериментальные исследования на моделях и опытных натурных образцах. Показано, что экспериментальных исследований проведено мало, а для расчетов в основном использованы методы расчета вновь проектируемых мостов. На основе анализа выполненных исследований сформулированы цели и задачи диссертации.
Во втором разделе представлены новые конструктивные решения уширения и усиления железобетонных балочных пролетных строений монолитной, сборно-монолитной и сборной железобетонной накладной плитой с длиной консолей до 4,0…4,5 м, конструкции узлов объединения накладной плиты с существующими балками и блоков накладной плиты между собой. Они позволяют расширять существующие пролетные строения до габаритов по нормативам дорог II-й и III-й технических категорий (Г-11,5+2х1,5 м и Г-10+2х1…1,5 м) при обеспечении грузоподъемности на действующие нормируемые временные нагрузки А11 и НК-80. Новизна разработок защищена 8-ю авторскими свидетельствами, 4-мя патентами Украины и патентом России.
В третьем разделе представлены разработанные в диссертации методики пространственных расчетов существующих и уширенных приставными элементами и железобетонной накладной плитой пролетных строений в упругой и физически нелинейной стадиях их работы с учетом предыдущего периода эксплуатации, локальных неликвидированных дефектов, а также перераспределения внешних нагрузок и усилий. Особенностью их есть использование одной и той же системы линейных уравнений для расчетов на ЭВМ в упругой и упруго-пластической стадиях работы. В последнем случае используется метод последовательных приближений. Разработаны также новые предложения по расчету несущих элементов и узлов объединения, существующих и уширенных накладной плитой железобетонных пролетных строений по 1-й и 2-й группами предельных состояний на статические и многократно повторные нагрузки.
В четвертом разделе дано описание и анализ комплексных экспериментальных исследований пространственной работы и предельных состояний существующих и уширенных приставными элементами и различными конструкциями накладной плиты большеразмерных (в масштабе 1:4 к натурным) железобетонных моделей пролетных строений. Всего испытано 20 моделей. Получены новые экспериментальные данные о пространственной работе и распределении усилий между балками при различных уровнях нагружения вплоть до разрушения, о механизме перераспределения внешних нагрузок и усилий при изменении жесткости балок в процессе увеличения нагрузок, а также о прочности моделей, уширенных накладной плитой, по изгибаемому моменту и поперечной силе. Опытные и рассчитанные по предлагаемой методике изгибающие моменты и прогибы в балках пролетных строений согласуются вполне удовлетворительно. Максимальное расхождение –в пределах 5…8 %, что отвечает точности проведения экспериментов.
Пятый раздел содержит результаты и анализ экспериментального исследования натурного сборного железобетонного диафрагменного пролетного строения, собранного из балок с многорядной сварной арматурой по ТП вып. 56 до и после уширения сборно-монолитной железобетонной накладной плитой. Изучали пространственную работу, изменение под нагрузкой напряженно-деформируемого состояния балок и несущую способность пролетных строений по изгибающему моменту и поперечной силе. Включение в работу накладной плиты приводит к увеличению прочности балок на изгибающий момент более чем в 2 раза, а на поперечную силу –на 40…500 %, прогибы эксплуатационных уровнях нагрузок уменьшаются в 2,5…2,8 раза.
В шестой главе представлены результаты внедрения разработки. При уширении 42-х мостов с пролетными строениями конструктивных различных схем в Украине, России, Белоруси, Казахстане. Статические и динамические испытания пролетных строений до и после уширения показали, что после включения в работу накладной плиты достигнута достаточная несущая способность балок для восприятия нормированных нагрузок А11, НК-80, более чем в 2 раза уменьшились прогибы, увеличилась общая поперечная жесткость пролетных строений, улучшились их динамические характеристики. Достигнута комплексность в модернизации сооружений и доведение их эксплуатационных показателей до уровня новых современных мостов.
В выводах отмечена необходимость уширения и усиления пролетных строений, автодорожных мостов, обобщены представленные в работе новые научные результаты теоретических и экспериментальных исследований, указана высокая эффективность и возможность уширения пролетных строений ребристой накладной плитой по нормативам проектирования новых мостов.
Ключевые слова: железобетонные балочные пролетные строения, уширение пролетных строений, железобетонная накладная плита, пространственные расчеты, дискретная модель, напряженно-деформированное состояние и прочность сечений, перераспределение усилий, экспериментальные исследования, существующие и уширенные пролетные строения, реконструкция мостов.
SUMMARY
Kvasha V. G. Effective systems of widening and strengthening the reinforced concrete beam spans of highway bridges. Manuscript.
Thesis for a doctor's degree by speciality 05.23.01 structural construction, buildings and structure. The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2002.
The dissertation is devoted to the problem of development, theoretical and experimental analysis of effective systems of the existing RC beam spans widening with one-time strengthening by new monolithic, precast-monolithic and precast RC superimposed plate construction with 4...4.5 m consoles. The author’s 8 certificates, four patents of Ukraine and patent of Russia carry the newness of research effort. The computation methods of existing and widening by attached elements and RC superimposed plate spans at the elastic and physical-nonlinear stage was carried out. The new proposition of computation of carrying elements and joint nodes of existing and widened RC spans at 1-st and 2-nd groups of limit states by static and fatigue loading was worked out too. The computation methods by testing of existing RC models and in situ test of span with TP 56 14.06 m length beams before and after widening with ribbed precast-monolithic superimposed plate were controled. Good coincidence of calculated and measured bending moments and deflections of span beams were obtained. The proposed construction of RC superimposed plate have been used in the reconstruction of 42 bridges with different span schemes in Ukraine, Russia, Belorussia, Kazakhstan and as a component of the part in the “Highway Bridge Reconstruction Instruction”BCH 51-88.
Key words: RC beam spans, widening of span, RC superimposed plate, spatial computation, discrete model, stress-strained state and durability of section, redistribution of efforts, experimental research of existing and widened spans, reconstruction of bridges.