УДК 624.272 Смолина Милена Васильевна ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»

УДК 624.272
Смолина Милена Васильевна
ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени
М.К. Аммосова»
Россия, Якутск
Старший преподаватель кафедры
«Автомобильные дороги и аэродромы»
E-mail: milena-smolina@ya.ru
Прохорова Анна Егоровна
ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени
М.К. Аммосова»
Россия, Якутск
Ассистент кафедры
«Автомобильные дороги и аэродромы»
E-mail: anyaproh@mail.ru
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ ВНЕШНЕГО
АРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
В статье рассмотрены опыт и перспективы усиления
железобетонных мостов системой внешнего армирования композитными
материалами в условиях Крайнего Севера. Приведены результаты
мониторинга работы эксплуатируемых железобетонных пролетных
строений автодорожного моста, усиленных углепластиковыми ламинатами
и холстами из углеволокна.
Ключевые слова: Железобетон, усиление, композиты, прочность,
грузоподъемность, мосты, пролетные строения, углепластик, угловолокно.
Smolina Milena Vasilievna
Federal State Autonomous Educational Institution
of Higher Professional Education
«North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov»
Russia, Yakutsk
Senior lecturer department of «Highways and airfields»
E-mail: milena-smolina@ya.ru
Prokhorova Anna Egorovna
Federal State Autonomous Educational Institution
of Higher Professional Education
«North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov»
Russia, Yakutsk
Assistant of the department of «Highways and airfields»
E-mail: anyaproh@mail.ru
EXPERIENCE WITH THE USE STRENGTHENING OF
CONCRETE STRUCTURES OF HIGHWAY BRIDGE SPANS WITH
COMPOSITE MATERIALS IN CONDITIONS OF EXTREME NORTH
The article discusses experience and perspectives of the use strengthening
of concrete structures of highway bridge spans with composite materials in
conditions of Extreme North. The results of experimental research work
exploited concrete structures of highway bridge spans reinforced with carbon
fiber lamels and carbon fiber webs.
Keywords: Reinforced concrete, reinforcement, composites, strength,
carrying capacity, bridges, bridge spans, carbon plastik, carbon fiber
В настоящее время на автомобильных дорогах общего пользования
Республики Саха (Якутия) эксплуатируются 736 мостов общей
протяжённостью более 20 тысяч погонных метров, в том числе более 250
мостовых сооружений с железобетонными пролетными строениями,
различающимися по конструктивным решениям, нормам проектирования,
технологии сооружения, действующими на них нагрузками. Техническое
состояние большинства из них оценено как неудовлетворительное или
аварийное по долговечности, грузоподъемности и более 85% по
безопасности движения. Более 56% эксплуатируемых мостов сооружены в
период с 1940 по 1980 годы. Срок эксплуатации менее пяти лет имеют
только 3% мостов. Лишь 8% конструкций рассчитаны на действующие
нормативные нагрузки.
Учитывая экстремальные условия работы железобетонных
конструкций мостов, эксплуатируемых на территории республики, а также
анализ результатов обследований, можно сделать вывод, что основными
причинами появления повреждений на железобетонных мостах являются:
во-первых, попадание воды с элементов мостового полотна на крайние
балки с проезжей части и тротуаров, торцы балок, ригели, верхнюю часть
опор через конструкцию деформационных швов [2]; во-вторых, влияние
отрицательных температур и попеременного замораживания и оттаивания,
приводящее к потери прочности бетона [1].
В связи с ростом интенсивности движения и увеличением объема
грузооборота возросла потребность в усилении несущих конструкций
автодорожных мостов до действующих нормативных нагрузок. Несмотря
на высокую стоимость композитов, использование их для усиления
строительных конструкций по совокупности затрат оказывается более
эффективным в сравнении с традиционными методами, так как работу
можно выполнять без вывода сооружения из эксплуатации, при этом
значительно сокращается трудоемкость производства [2]. Однако согласно
действующим нормативным документам по внешнему армированию
область применения технологии усиления с использованием лент и
холстов ограничена по характеристикам клеевого состава, и не может быть
использована на территориях с минимальной среднесуточной
температурой воздуха наиболее холодных суток (в зимний период) с
обеспеченностью 0,95 ниже минус 40 ºС по СНиП 23-01 [3]. Проведенные
в Сибирском государственном университете путей сообщения
теоретические и экспериментальные исследования влияния отрицательных
температур и попеременного замораживания и оттаивания на
железобетонные
конструкции,
усиленные
полимерными
композиционными
материалами,
выявили
перспективность
их
использования для климатических условий Республики Саха (Якутия) [1].
В
целях
уточнения
действительной
работы
усиленных
углепластиковыми ламинатами и холстами пролетных строений и
мониторинга технического состояния эксплуатируемого в условиях
Крайнего Севера моста через реку Протока на 11+079 км автомобильной
дороги «Подъезд к п. Кангалассы» были привлечены сотрудники кафедры
«Автомобильные дороги и аэродромы» Автодорожного факультета
Северо-Восточного федерального университета. Ниже кратко описаны
результаты проделанной работы.
Мост — железобетонный двух пролётный, запроектирован под
нагрузки Н-30, НК-80. Балки с предварительно напряженной арматурой
выполнены по типовому проекту 3.503-14. Статическая схема моста —
балочная разрезная. Продольный профиль приведен на рисунке 1, разрез
пролетного строения №1 с видом на промежуточную опору на рисунке 2.
Рис. 1. Схема моста через реку Протока на 11+079 км автомобильной дороги «Подъезд
к п. Кангалассы»
Рис. 2. Разрез пролетного строения №1 моста через реку Протока на 11+079 км
автомобильной дороги «Подъезд к п. Кангалассы» с видом на промежуточную опору
По результатам обследования моста до усиления были выявлены
следующие дефекты и повреждения, влияющие на грузоподъемность:
коррозия двух пучков третьего ряда преднапряженной арматуры в ребре
балки №1 пролета №1, пониженная прочность бетона продольных швов
омоноличивания. Фактическая грузоподъемность пролетных строений,
расчитанная с учетом фактических размеров конструкций и выявленных
дефектов, составила для нагрузки по схеме «АК» — 10.5 тс, по схеме НК80 — 80 тс; предельный изгибающий момент расчитан для балки №1
пролета №1 с учетом выявленных дефектов и равен 1135 кНм, предельная
поперечная сила — 871,23 кН.
Комплекс ремонтных работ и опытное усиление балок пролетных
строений произведено в 2013 году путем наклейки на боковые
поверхности по низу ребер предварительно натянутых лент FibARM Tape230/300 и ламинатов Sika Carbodur S1012, для фиксации концов элементов
усиления, а так же для работы балок по поперечной силе выполнена
наклейка хомутов из холстов композиционного материала, как показано на
рисунке 3.
Рис. 3. Фотография усиленных композитными материалами балок пролетных
строений №1 и 2 моста через реку Протока. Вид с правой стороны моста против хода
километража
В соответствии с рекомендациями ОДМ 218.3.027-2013 в процессе
мониторинга за состоянием усиленных конструкций проверялся внешний
вид системы усиления, визуальное обследование показало, что
композитные материалы находятся в нормальном состоянии, видимые
дефекты и повреждения отстутвуют.
В целях оценки эффективности усиления произведен расчет
прочности усиленной конструкции в составе эксплуатируемого пролётного
строения по нормальным и наклонным сечениям в соответствии с
положениями СП 35.13330, СП 164.1325800.2014, ОДМ 218.3.027-2013,
СТО 13613997-001-2011. Однако в указанных нормативных документах
принципиальные схемы усиления тавровых балок по нормальному
сечению представлены с наклейкой композитных материалов по нижней
грани усиливаемой конструкции, а примененная схема на мосту через реку
Протока произведена путем наклейки на боковые поверхности по низу
ребер [3, 4, 5]. В связи с этим при расчете несущей способности
соотвествующие значения приравнены к нулю, а предварительное
напряжение арматуры железобетонных балок из-за отсутствия проектных
данных не учитывалось. Композиционный материал учтен в совместной
работе с балкой на изгиб при воздействии постоянной и временной
нагрузок. Расчётные сопротивления на растяжение ламинатов и холстов с
учётом коэффициентов надёжности γf по назначению для автодорожных
мостов (0,95) и по материалу (1,1 и 1,2), а также коэффициента условия
работ Cf (0,85 и 0,8) приняты соответвенно 2055 МПа и 2533 МПа [4, 5].
Результаты расчетов усиленной конструкции составили следующие
значения: предельный изгибающий момент — 3590 кНм, предельная
поперечная сила — 7857,81 кН. Усиление эксплуатируемых пролетных
строений с использованием композиционных материалов на основе тканей
и ламинатов из углеродных волокон позволило увеличить несущую
способность пролетных строений по изгибающему моменту в 3,16 раза, по
поперечной силе в 9,01 раза. При этом грузоподъемность моста после
усиления соответствует требуемому классу нагрузки АК-14, НК-14.
На основе выше сказанного можно сделать вывод, что применение
системы внешнего армирования композиционными материалами в уловиях
Крайнего Севера является эффективным, однако действующие
нормативные документы в полной мере не учитывают климатические
особенности работы усиленных конструкций, что безусловно требует
дополнительных исследований в этой области и постоянное наблюдение за
работой опытных конструкций. Также следует отметить, что действующие
нормативные документы по усилению предварительно напряженных
железобетонных конструкций композитными материалами имеют ряд
пробелов в части принципиальных схем усиления и методов расчета, что
не позволяет получить достоверную информацию о напряженнодеформированном состоянии усилинных элементов.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Бокарев С.А., Смердов Д.Н. Исследование многократного
замораживания и оттаивания на изменение несущей способности и
деформативности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных
композиционными материалами. Научно-технический журнал Транспорт
Урала. — Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2010. - №3. С. 98 — 104.
2.
Овчинников И.Г., Валиев Ш. Н., Овчинников И.И., Зиновьев
В.С., Умиров А.Д. Вопросы усиления железобетонных конструкций
композитами: 1. экспериментальные исследования особенностей усиления
композитами изгибаемых железобетонных конструкций // Интернетжурнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» 2012, №4, с.1-22.
3.
ОДМ 218.3.027-2013. Рекомендации по применению тканевых
композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций
мостовых сооружений. — Введ. 2013-04-01. — Москва, 2013. — 56 с.
4.
СТО 13613997-001-2011. Стандарт организации. Усиление
железобетонных конструкций композитными материалами фирмы «Sika».
— Введ. 2011-06-11. — Москва, 2011. — 62 с.
5.
СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций
композитными материалами — Введ. 2014-09-01. — Москва, 2015. — 52 с.