Приложение В. Расчёт жёсткого покрытия участка автомобильной дороги 5-й категории из ПНЖП в Белгородской области

Приложение В

Расчёт
жёсткого покрытия участка автомобильной дороги 5-й категории из ПНЖП в Белгородской области

В.1 Исходные данные для расчета

Габаритные размеры плиты в плане (длина x ширина): 6000x3500 мм;

- для однополосной дороги толщина плиты принимается 120 мм;

- для двухполосной дороги толщина плиты принимается 130 мм.

Плита изготавливается из бетона класса В60, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении. Расчетные сопротивления бетона согласно СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции:

- при расчете по предельным состояниям первой группы

- (33.0 МПа) - осевому сжатию;

- (1.65 МПа) - осевому растяжению;

- при расчете по предельным состояниям второй группы

- (43.0 МПа) - осевому сжатию;

- (2.5 МПа) - осевому растяжению при расчете предварительно напряженных элементов по образованию трещин;

- (4.75 МПа) - скалыванию при изгибе;

- (36.2 МПа) - осевому сжатию при расчете на стойкость против образования продольных микротрещин (mc) при предварительном напряжении, транспортировании и монтаже;

- (30.0 МПа) - осевому сжатию при расчете под эксплуатационной нагрузкой по формулам сопротивления упругих материалов (расчет на совместное воздействие силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды).

Модуль упругости бетона (40.0 МПа) принят из СП 35.13330.2011. Мосты и трубы.

Коэффициент условий работы бетона (СП 63.13330.2018). Коэффициент, учитывающий снижение модуля упругости бетона при тепло-влажностной обработке согласно СП 35.13330.2011 принимается равным 0,9.

Напрягаемая арматура по длине плиты - арматура периодического профиля класса прочности А1000 (Ат-VI) 012 мм, согласно ГОСТ 34028-2016 её характеристики следующие:

- (980 МПа) - нормативное сопротивление арматуры растяжению;

- (815 МПа) - расчетное сопротивление арматуры растяжению;

- ( МПа) (СП 35.13330.2011) - модуль упругости арматуры;

- коэффициент надежности при расчете по предельным состояниям 1-й группы , коэффициент надежности при расчете по предельным состояниям 2й группы (СП 63.13330.2018).

В качестве напрягаемых канатов для стягивания плит в пакеты взяты канаты защищенные в оболочке К7-12.5-1770 согласно СТО-71915393-ТУ100-2011. Канаты защищенные и в оболочке для предварительного напряжения. Скользящие канаты. Технические условия.

Характеристики профиля:

-  МПа - нормативное сопротивление растяжению;

-  тс - максимально допустимое разрывное усилие (табл. 3 СТО-71915393);

-  МПа - расчетное сопротивление арматуры растяжению (СП 63.13330.2018);

- (18 МПа) - модуль упругости арматуры согласно СП 63.13330.2018.

В.2 Сбор нагрузок

Расчет конструкции плиты (СП 35.13330.2011) должен производиться на действие постоянной и временной нагрузок.

В качестве постоянной нагрузки приняты:

- собственный вес плиты

(однополосная дорога),

(двухполосная дорога),

где - объемный вес бетона; h - высота плиты; - коэффициент надежности по нагрузке (СП 63.13330.2018, СП 35.13330.2011);

- усилие предварительного натяжения арматуры - 6 тс;

- усилие предварительного натяжения канатов - 11 тс.

Нормативную временную вертикальную нагрузку от подвижного состава на автомобильных дорогах (общего пользования, внутрихозяйственных в колхозах, совхозах и других сельскохозяйственных предприятиях и организациях), на улицах и дорогах городов, поселков и сельских населенных пунктов следует принимать (с учетом перспективы) согласно СП 35.13330.2011 от автотранспортных средств в виде полос АК (рис. В.1), каждая из которых включает одну двухосную тележку с осевой нагрузкой P = 20 тс и равномерно распределенную на обе колеи нагрузку интенсивностью тс/м (класс нагрузки К следует принимать равным 11 для всех мостов и труб).

Рисунок В.1 - Схема нагрузок от подвижного состава для расчета автомобильной плиты по ГОСТ Р 52748-2007

Коэффициент надежности по нагрузке (СП 35.13330.2011): для нагрузки ; для нагрузки . Коэффициент динамичности (СП 35.13330.2011) для автодорожных мостов:

.

С учетом коэффициентов надежности по нагрузке и динамичности (СП 35.13330.2011) будем иметь:

тс,

При этом от одной колеи на плиту будет действовать половина вычисленной нагрузки.

Для расчета плиты рассмотрим следующие варианты загружений:

- сосредоточенная нагрузка от тележки P посередине плиты и равномерно распределенная по длине плиты нагрузка v, ось полосы нагрузки совпадает с осью плиты (рис. В.2, а);

- сосредоточенная нагрузка от тележки P посередине плиты и равномерно распределенная по длине плиты нагрузка v, ось полосы нагрузки смещена от оси плиты на 0.7 м с сторону края плиты (рис. В.2, б);

- сосредоточенная нагрузка от тележки P у края плиты и равномерно распределенная по длине плиты нагрузка v, ось полосы нагрузки совпадает с осью плиты (рис. В.2, в);

- сосредоточенная нагрузка от тележки P у края плиты и равномерно распределенная по длине плиты нагрузка v, ось полосы нагрузки смещена от оси плиты на 0.7 м в сторону края плиты (рис. В.2, г);

Рис. В. 2 - Схемы нагружений плиты

Примечание - распределенная нагрузка v и собственный вес плиты условно не показаны.

В.3 Расчетная схема плиты

Для оценки несущей способности конструкции участка дороги из ПНЖБ плит расчет произведен по формулам главы 7 в программном комплексе "Лира 9.6".

Моделировалась отдельная плита пластинчатыми конечными элементами с размерами 100x100 мм., при этом размер плиты в плане был принят 6000x3500 мм. Жесткость плиты: пластина толщиной 120 мм для однополосной дороги и пластина толщиной 130 мм для двухполосной дороги, модуль упругости E=3.67x10 , коэффициент Пуассона .

Для моделирования грунтовых условий заданы коэффициенты постели упругого основания: , тс/м.

Жесткость арматуры по длине и по ширине - арматура класса А1000 (Ат-VI) 012 мм. Количество стержней по длине плиты 16 шт (по 8 стержней у верхней и у нижней граней). Защитный слой бетона - 30 мм. Схема расположения арматуры в плите показана на рис. В. 3.

В расчете рассмотрено два варианта стяжки плит в блоки: для однополосной и для двухполосной дороги. В случае однополосной дороги плиты стягиваются в блок только продольными канатами, при двухполосной дороге плиты стягиваются канатами в двух направлениях - по длине и по ширине.

Жесткость стягивающих канатов - канаты 012 мм. Количество канатов:

- для однополосной дороги - 4 шт. в продольном направлении;

- для двухполосной дороги - 8 шт. (по 4 шт. по ширине и по длине плиты).

Схема расположения стягивающих канатов в плане плиты показана на рисунке В.4.

Рисунок В.3 - Схема расположения арматуры в плане плиты

Рисунок В.4 - Схема расположения стягивающих канатов в плане плиты (пунктиром показаны канаты в плите для двухполосной дороги)

В качестве нагрузок на плиту рассматривались 4 варианта загружений, описаных в п. В.2 расчета.

В.4 Результаты расчета

По результатам расчета получены:

- деформированные схемы плит;

- мозаики вертикальных перемещений плиты;

- мозаики напряжений по ;

- мозаики напряжений по ;

Результатами расчета плит для однополосной и двухполосной дороги являются прогибы (столбец 2) и напряжения (столбцы 3-6), которые представлены в таблице В.1. При анализе напряжений не учитывались локальные всплески в местах приложения сосредоточенных сил P от подвижного состава, так как реальный характер распределения нагрузки учитывается по площади из-за того, что нагрузка от автомобиля передается на плиту через колеса, которые, в свою очередь, не являются абсолютно жесткими и деформируются.

Таблица В.1

Нагружение (рис. В.2)	Максимальное вертикальное перемещение, мм	, (т х м)/м	, (т х м)/м	, (т х м)/м	, (т х м)/м
1	2	3	4	5	6
Плита для однополосной дороги
0 (СВ+ПН)	-0.060	-	-	-	-0.007
1 (СВ+ПН+ВН)	-1.06 0.12	1.27	-0.621	1.29	-0.43
2 (СВ+ПН+ВН)	-2.85 0.185	1.30	-1.54	1.63	-1.23
3 (СВ+ПН+ВН)	-3.00	1.77	-1.72	1.02	-1.58
4 (СВ+ПН+ВН)	-6.77 0.201	1.76	-3.46	2.12	-3.13
Плита для двухполосной дороги
0 (СВ+ПН)	-0.223	-	-1.08	0.149	-0.077
1 (СВ+ПН+ВН)	-0.998 0.138	1.20	-1.08	1.30	-0.391
2 (СВ+ПН+ВН)	-2.73 0.232	1.28	-1.70	1.74	-1.21
3 (СВ+ПН+ВН)	-2.78	1.67	-1.76	0.95	-1.65
4 (СВ+ПН+ВН)	-6.35 0.054	1.73	-3.72	2.08	-3.25

Допустимое значение растягивающего напряжения:

.

Допустимое значение сжимающего напряжения:

.

Учитывая, что напряжения в таблице представлены распределенными по площади поперечного сечения конечных элементнов плиты, пересчитаем допустимые значение напряжений для однопролетной плиты ( , ):

тс; тс (однополосная дороги);

тс; тс (двухполосная дороги) (умножение на 100 производится для перевода из МПа в ).

По результатам расчета наибольшее растягивающее напряжение в плите:

- для однополосной дороги - 2.12 тс, что меньше допустимого на 29.3%;

- для двухполосной дороги - 2.08 тс, что меньше допустимого на 36.0%.

Наибольшие сжимающие напряжения в плите:

- для однополосной дороги - 3.46 тс, что меньше допустимого на 93.3%;

- для двухполосной дороги - 3.72 тс, что меньше допустимого на 93.3%.

Согласно СП 35.13330.2011, для обеспечения плавности передвижения транспортных средств вертикальные упругие прогибы не должны превышать величины:

 мм.

Наибольший прогиб по результатам расчета:

- для однополосной дороги равен 6.77 мм, что на 32.3% меньше допустимого;

- для двухполосной дороги равен 6.35 мм, что на 36.5% меньше допустимого.

Следует отметить, что указанный в СП 35.13330.2011 допустимый прогиб вычисляется для пролетных строений, в то время как рассчитываемая автодорожная плита лежит на упругом основании и работает совместно с другими плитами в блоке. Кроме того, упругий элемент, размещенный между торцами смежных плит, конструктивно фиксирует кромки плит от взаимного смещения, поэтому фактический прогиб в реальных условиях эксплуатации будет меньше, чем расчетный.

Согласно полученным данным можно сделать вывод, что оба варианта применения плиты удовлетворяют требованиям прочности и жесткости, при этом результаты расчетов достаточно близки между собой.

В.5 Выводы и рекомендации

1 Расчет конструкции жесткой дорожной одежды из преднапряженных плит, стянутых стальными канатами, показал результаты удовлетворяющие требованиям по прочности и жесткости. В случае, когда дорога однополосная, плиты стягиваются канатами только в продольном направлении; для двухполосной дороги плиты стягиваются канатами в двух направлениях - по длине и по ширине.

2 В качестве преднапрягаемой рабочей арматуры принята арматура класса А1000 (Ат-VI) 012 мм в количестве 16-ти стержней - по 8 у верхней и у нижней граней. Плиту необходимо армировать отдельными стержнями для обеспечения более качественного включения арматуры в работу.

3 В качестве напрягаемых канатов для стяжки плит в блок использовать канаты, защищенные и в оболочке для предварительного напряжения К7-12.5-1770-ТУ100 012.5 мм производства ОАО "Северсталь-Метиз". Количество канатов в плите по длине для однополосной дороги - 4 шт., для двухполосной - 8 шт.; по ширине плиты - 4 шт.

4 Для уменьшения толщины плиты при ее изготовлении применяется бетон повышенной прочности (класс В60). С целью отработки процедур монтажного стягивания рекомендуется провести испытания узлов анкеровки канатов, а также узла сопряжения плит (резинового упругого элемента), применяемого в качестве компенсатора температурных деформаций для уточнения его физико-механических свойств.

5 Использование предварительно напряженной высокопрочной арматуры по длине плит и их постнапряжение по ширине, позволяет получить ортотропно обжатое дорожное полотно с жестким покрытием. Такая конструкция значительно снижает растягивающие напряжения в бетоне и уменьшает вероятность появления трещин, а также позволяет уменьшить диаметр и количество арматуры и долговременно обеспечить в работоспособном состоянии верхнюю дорожную одежду.