КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І

АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.21.004.69

КВАША ВІКТОР ГРИГОРОВИЧ

ефективні системи розширення і підсилення залізобетонних балкових прольотних будов автодорожнІх мостів

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2002

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.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і додатку. Обсяг дисертації 459 стор., у тому числі основний текст 300 стор., ілюстрації 110 стор., таблиці 12 стор., список використаних джерел (298 найменувань) 32 стор., додаток 5 стор.

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 2.05.03–84, 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.

В другому розділі описані запропоновані конструктивно-технологічні рішення розширення прольотних будов різними типами монолітної, збірно-монолітної і збірної накладної плити з виступаючими консолями без розширення опор. На відміну від відомих, основна їх особливість – поширення діапазону використання накладної плити за рахунок збільшення довжини її консолей до 4...5 м для розширення вузьких мостів з габаритами 6...8 м і тротуарами по 0,75...1,0 м до габаритів Г-11,5+2х1,5 або Г-10+2х1,0...1,5 м без розширення опор при забезпеченні вантажопідйомності на нормовані тимчасові навантаження А11 і НК-80.

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 l02 / ( E Ired ) ; | feр = s1 Mep l02 / B, | (9)

де В – фактична жорсткість балки у відповідній стадії роботи; EIred - початкова жорсткість балки; s, s1 - коефіцієнти, що ураховують статичну схему і схему навантаження балки відповідно у пружній і пружно-пластичній стадіях роботи. За експериментальними даними s1 /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