УДК 69.023
Бабков В.В., Недосеко И.В., Дистанов Р.Ш., Ивлев В.А.
Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), г.Уфа
В дорожном строительстве широко производятся и применяются типовые сборные водопропускные трубы кольцевого и прямоугольного сечений, армированные стержневой арматурой классов А300-А400.
Главные недостатки этих конструкций [1,2]:
1. Высокая трудоемкость при изготовлении вследствие специфики их армирования кольцевой стержневой арматурой (для круглых труб), сложности размещения арматуры в проектном положении в площади тонкостенного кольцевого сечения.
2. Повреждаемость конструкций при транспортировке и монтаже в силу их тонкостенности и хрупкости бетона.
3. Достаточно высокая стоимость конструкций в силу названных выше обстоятельств.
Одной из сравнительно новых возможностей в технологии производства дорожного железобетона является дисперсное армирование хрупкого по своей природе бетона фиброй — стальной или синтетической. Сталефибробетон особенно перспективен в производстве кольцевых водопропускных труб. Опыт изготовления сталефибробетонных смесей и изделий на ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор» (водопропускные трубы, телескопические водосбросные лотки, арочные мосты малых пролетов) показал, что для изготовления сталефибробетонных конструкций в большинстве случаев могут применяться те же технологические приемы, что и для конструкций из железобетона со стержневым армированием.
Перевод производства труб на использование сталефибробетона позволяет в значительной степени смягчить перечисленные выше недостатки. Сталефибробетон по отношению к стандартному железобетону обладает такими достоинствами, как повышенная ударостойкость и ударная выносливость, повышенная прочность на растяжение, трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость [3]. Он обеспечивает однородность структуры в сечении, тогда как обычное смещение рабочей стержневой арматуры от проектного положения резко снижает характеристики кольцевого сечения по прочности, трещиностойкости, долговечности.
В производстве сборных кольцевых водопропускных труб на ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор» используется стальная фибра одного из предприятий Челябинской области — НПК «ВОЛВЕК», получаемая рубкой отходов некондиционной листовой холоднопрокатной стали с временным сопротивлением около 560 МПа при приведенном диаметре df около 0,7 мм, длине lf≈ 35-60 мм с анкерами на концах, т.е. при основном расчетном геометрическом параметре фибры lf/df около 70-80. Расчетное сопротивление такой фибры — около 440 МПа.
Параметр l/d=75 в данном случае ниже оптимального для прочности фибробетона на растяжение (l/d=100), однако это обстоятельство компенсируется наличием у фибры анкеров на концевых участках. Укороченная фибра оказалась также оптимальной в реальной технологии производства по условиям формуемости, однородности и удобоукладываемости фибробетонной смеси.
На нескольких предприятиях Южного Урала в настоящее время производится стальная фибра широкого спектра по исходному сырью и физико-механическим характеристикам:
1 — ООО «Научно-производственная компания «ВОЛВЕК». Геометрические и прочностные свойства фибры регламентированы ТУ 1276-002-51484465-2002. По величине условного диаметра поперечного сечения и общей длине фибра изготавливается 9 групп (df = 0,2-1,2 мм, lf= 10-110 мм), по категориям прочности стальная фибра подразделяется на 5 групп в зависимости от временного сопротивления на разрыв (σврmin= 400-800 МПа);
2 — ОАО «Магнитогорский калибровочный завод». Фибра выпускается согласно ТУ 14-176-119-2002 (df = 0,2-1,6 мм, lf= 20-160 мм, σврmin= 500-800 МПа), полученной рубкой проволоки;
3 – ЗАО «Курганстальмост» с геометрическими параметрами фибры lf= 32 мм, сечение треугольной формы 3,8´0,6 мм, на концах фибры имеются зацепы 2 мм, прочность на разрыв 600-900 МПа; фибра получена путем фрезерования стальных заготовок (слябов).
В практике строительства дорог часто возникает проблема появления различного рода повреждений конструкций на стадии монтажа. Такого рода повреждения, трещины наиболее опасны для сталефибробетонных конструкций. Стальная фибра, используемая в качестве армирующих волокон, имеет сечение в диаметре менее 1 мм и под действием атмосферной влаги, проникающей сквозь трещину, быстро коррозирует, снижая при этом несущую способность (прочностные характеристики). Одна из причин появления повреждений связана с нарушением технологии производства работ.
Анализ строящихся объектов в дорожной отрасли позволил выявить следующие существенные нарушения технологии производства работ:
— отсутствие или несвоевременное выполнение операции зачеканивания цементно-песчаным раствором монтажного зазора между отдельными звеньями сборных железобетонных водопропускных труб и малопролетных арочных мостов;
— устройство насыпи над сооружениями и на подходах к ним до отметок ниже проектных, при допуске движения тяжелой строительной техники по ним.
В результате отсутствия цементно-песчаного шва на безусадочных и расширяющихся цементах на стадии монтажа и устройства насыпи звенья труб и арок воспринимают нагрузки без их перераспределения на соседние элементы.
Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкции и выявления роли устройства цементно-песчаного шва были рассчитаны компьютерные модели, созданные в программном комплексе SCAD.
Расчет напряжений и деформаций производился методом конечных элементов. Рассматривалось 2 типа расчетных схем двухшарнирного арочного моста пролетом 4 метра: одиночная работа звена длиной 2 метра и совместная работа трех звеньев арки с общей длиной 6 метров. Узел сопряжения звеньев арки растворным швом приведен на рис. 2.
В результате были получены изополя напряжений на наружной и внутренней поверхностях конструкции с выявлением зон концентраций напряжений, позволяющие оценить работу конструкции при различных вариантах загружения.
Характер распределения изополей на расчетных схемах позволяет спрогнозировать область появления трещин и принять необходимые меры по их предотвращению.
На рис. 2 представлена расчетная схема одиночного звена двухшарнирной арки, загруженной симметрично приложенной колесной нагрузкой в виде одиночной тележки с давлением на ось Р=11тс и распределение напряжений по поверхностям конструкции.
Принятая схема загружения конструкции имитирует реальное загружение конструкции на стадии монтажа груженым двухосным грузовым автомобилем, когда отсутствует вышележащая насыпь или её высота недостаточна для распределения вертикального давления от временной нагрузки.
На рис.3 представлена модель трех звеньев двухшарнирных арок, объединенных растворным швом снизу на высоту h=125 мм (h/H=0,5) шириной 50 мм. Среднее звено загружено по той же схеме, как и в случае с одиночным звеном.
Данные рис.2, показывают, что концентрация сжимающих напряжений наблюдается на краях наружной поверхности арки (в точках приложения нагрузки, (зона 1) и растягивающих напряжений в коньковой части внутренней поверхности арки. Зона 2 – соответствует максимальным растягивающим напряжениям, возникающим на наружной поверхности арки. На рис.3 характер распределения напряжений, аналогичен 1 случаю, а значения напряжений растяжения уменьшились по внутренней и наружной поверхности в 2 раза, напряжения сжатия по наружной поверхности в 1,24 раза. Существенное снижение напряжений растяжения – сжатия объясняется установкой растворной шпонки, разгружающей края арки и уменьшающей напряжения в растянутой зоне.
Сравнительный анализ результатов расчета, полученных методом компьютерного моделирования в программном комплексе SCAD для комбинаций расчетных схем арочных мостов без растворного шва и с растворным швом высотой h = 30; 70; 125; 170; 250 мм (в диапазоне относительных высот h/H = 0,12…1,0) представлены на рис. 4, 5. Шов устраивается по нижней грани конструкции, согласно схеме приведенной на рис.1.
Из графиков, представленных на рис. 4,5, следует, что монтажный шов с минимальной высотой h=70 мм (h/H=0,28), установленный по нижней границе конструкции, снижает напряжения растяжения по внутренней и наружной поверхностям в среднем в 2 раза, что чрезвычайно важно, так как расчет по прочности сталефибробетонных и железобетонных элементов производится на действие растягивающих напряжений.
Проведенные исследования указывают на необходимость своевременного устройства шпонки по всему периметру соседних элементов на стадии монтажа отдельных звеньев водопропускных труб и малопролетных арочных мостов для обеспечения совместного восприятия конструкцией деформационных нагрузок и её работы как единое целое. Тем самым конструкция работает в более благоприятных условиях как в период надвижки насыпи, когда нет распределения давления от строительной техники через грунтовую подушку, а нагрузка прикладывается непосредственно на конструкцию, так и в период эксплуатации с отсыпанной до проектных отметок насыпью.
В противном случае, загружение отдельных звеньев нагрузкой вызывает возникновение напряжений, соизмеримых с расчетным сопротивлениям сталефибробетона на растяжение.
Согласно типовым проектам сборных водопропускных труб для автомобильных дорог (серии 3.501.-59 и 3.501.1-144) швы в стыках звеньев или секций труб с внутренней стороны заделываются цементным раствором на глубину 30 мм. Из графиков приведенных на рис. 4, 5, видно, что заделка растворным швом на высоту 30 мм (h/H=0,12) недостаточна. Уменьшение растягивающих напряжений по внутренним и наружным поверхностям арки и их благоприятное перераспределение на соседние звенья наблюдается при минимальной высоте растворного шва h=70 мм (h/H=0,28).
Аналогичные расчеты выполнены для схемы объединения звеньев арок растворным швом сверху на различную высоту. Расчеты показали, что размещение цементно-песчаной шпонки по верхней или нижней грани конструкции особого значения для напряженного состояния соседних звеньев не имеет и её устройство может выполняться исходя из наиболее приемлемой технологии производства работ.
Библиографический список
1. Бабков В.В., Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Недосеко И.В., Мохов В.Н., Дистанов Р.Ш. Сталефибробетонные конструкции в автодорожном строительстве Республики Башкортостан //Строительные материалы. – 2006. — №3. – С. 50-53.
2. Бабков В.В., Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Недосеко И.В., Дистанов Р.Ш., Ивлев В.А. Сталефибробетон в производстве конструкций для дорожного строительства // Строительный вестник российской инженерной академии: Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. — Вып. 7. – М.: 2006. – С.102-109.
3. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. –М.: Стройиздат, 1989. — 176 с.
