Приложение В. Опыт проектирования и строительства автодорожного моста с фермами из полимерных композитных профилей в Сибири

Приложение В

Опыт проектирования и строительства автодорожного моста с фермами из полимерных композитных профилей в Сибири

Проектирование опытного пролетного строения

В 2011 году мостостроительной фирмой ООО "Опора" (Новосибирск) было спроектировано пролетное строение из полимерных композитных профилей (стеклопластик СППС-240). Был принят вариант, пригодный как для автодорожных, так и для пешеходных мостов: уровень движения должен быть поверху, а высота конструкций - не больше высоты типовых железобетонных балок. В результате получилась гибридная конструкция с многораскосными фермами из пултрузионных композитных профилей и железобетонной плитой сверху в качестве проезжей части (рисунок В.1). Это решение зарегистрировано как изобретение N 2464374 "Пролетное строение моста с многораскосными главными фермами" с приоритетом от 29.04.2011 г. (автор - Б.В. Пыринов, патентообладатель - ООО "Опора").

Рисунок В.1 - Опытное пролетное строение

Опытный пролет был запроектирован под пешеходную нагрузку в соответствии со СНиП 2.05.03-84* и СТО 39790001.03-2007: длина пролета -9,075 м, ширина пешеходной дорожки - 1,5 м, высота композитной фермы - 1,02 м, толщина плиты - 0,12 м, расстояние между осями ферм - 0,85 м. Материал фермы - стеклопластик СППС-240. Раскосы, стойки и нижние пояса выполнены из полосовых деталей, верхние пояса - из уголков. В качестве настила запроектирована бетонная плита, которая вовлекается в совместную работу с верхними поясами с помощью уголковых металлических упоров. Соединения элементов в узлах ферм и связей, а также прикрепления упоров реализованы на чистых болтах диаметра 12 мм. Изготовление пролетного строения и испытания выполнены в лаборатории "Мосты" СГУПСа совместными усилиями двух организаций.

Применение железобетонной плиты позволило существенно повлиять на прогибы ферм. Несмотря на то, что модуль упругости бетона не намного выше, чем у стеклопластика, доля плиты в повышении грузоподъемности и уменьшения прогибов оказалась значительной из-за большой площади ее поперечного сечения - на порядок больше, чем у всех композитных элементов.

Другая особенность пролетного строения - многораскосность - позволила снизить продольные и поперечные силы и изгибающие моменты в узлах, дающие свои слагаемые в напряжениях смятия под болтами и скалывания на концах элементов. Удалось запроектировать узлы вообще без фасонок, с прямым прикреплением элементов друг к другу. Характерно и то, что одна и та же группа болтов в любом узле прикрепляет к поясам сразу два раскоса - восходящий и нисходящий, или даже четыре элемента, если в этом узле поставлена стойка, состоящая из двух уголков. С раскоса на раскос усилия передаются напрямую, а узловая прибавка усилий в поясах оказывается небольшой и нарастает от узла к узлу плавно. Перенапряжений в соединениях при этом нигде нет - работают разные площадки смятия и скалывания.

Третья особенность конструкции - технология ее сборки, которая была взята по образцу давних решений. Фермы монтируются в горизонтальном положении. На монтажном столе аккуратно раскладываются в проектное положение все элементы и скрепляются в отдельных местах шурупами или струбцинами. В этом положении одно за другим делаются отверстия сверлом, диаметр которого всего на 0,1 мм больше диаметра болта. Но болты вставляются в отверстия сразу, как только очередное из них готово. Соблюдается также неписаный принцип: "не пускать резьбу в пластик", то есть в пластике должна быть гладкая часть болта. В результате получается очень плотное соединение, не дающее добавочных прогибов конструкции и концентраторов напряжений в зоне резьбы. Уменьшению прогибов способствует и прямое прикрепление элементов друг к другу, позволяющее сократить число болтов в узле. Фермы связей делались аналогично и объединялись с главными фермами уже в вертикальном положении. В этом же положении монтировались упоры, после чего устанавливалась опалубка и укладывался бетон.

Было проведено три серии испытаний с разными деталями узловых соединений: чистыми болтами диаметра 12 мм, высокопрочными болтами диаметра 10 мм и шурупами-саморезами диаметра 6,3 мм. Перед второй серией испытаний обычные два болта из четырех в каждом узле обеих ферм были поштучно заменены на высокопрочные, а затем убраны лишние чистые болты. Болты прикрепления упоров остались прежними. А перед третьими испытаниями в узлах главных ферм, мимо существующих отверстий, поставлено расчетное количество шурупов, после чего убраны высокопрочные болты. В каждой серии испытаний измерялись прогибы главных ферм, напряжения в ряде элементов главных ферм и в трех сечениях железобетонной плиты, определялись параметры вертикальных и горизонтальных колебаний. Вид пролетного строения под нагрузкой показан на рисунке В.2. Нагрузка прикладывалась и снималась ступенями до достижения расчетной величины. Проведено также испытание на длительное действие расчетной нагрузки в течение нескольких месяцев. При всех трех видах соединений пролетное строение работало удовлетворительно с конструктивным коэффициентом по напряжениям равным 0,85-0,95, а по прогибам - 0,7, т.е. имеется наличие заметных конструктивных запасов грузоподъемности.

Рисунок В.2 - Испытание опытного пролетного строения

Успешное испытание опытного пролетного строения позволило приступить к проектированию реального автодорожного моста с пролетными строениями данной конструкции.

Проектирование автодорожного моста на композитных фермах

В качестве объекта был подобран аварийный мост через реку Пашенку на местной автодороге Красный Яр - Сосновка вблизи Новосибирска. Размеры пролетного строения: длина 18 м, габарит проезжей части - 4,5 м, с двумя тротуарами по 0,75 м. В качестве расчетных нагрузок были приняты А14 и H14. В качестве материала главных ферм и связей был выбран стеклопластик марки СППС-240, для плиты - бетон класса В30, узловые соединения - на чистых болтах диаметра 12 мм из стали Ст3. Упоры, вовлекающие железобетонную плиту в работу главных ферм, приняты анкерно-стержневые. Схематический чертеж пролетного строения показан на рисунке В.3. Связи крестового типа поставлены во всех местах расположения стоек главных ферм. Предусмотрено полимерное износостойкое покрытие проезжей части по ГОСТ Р 53627-2009.

Рисунок В.3 - Схематический чертеж автодорожного пролетного строения

Расчет был выполнен по трем разным методикам. Было принято, что пояса ферм должны иметь постоянное поперечное сечение по длине ферм, составленное из двух уголков, с усилением нижнего пояса горизонтальным листом и с возможным стыкованием поясов около середины пролета. Раскосы должны быть одинакового прямоугольного сечения, а стойки - уголковыми для прикрепления к ним связей, с возможным учетом прокладок прямоугольного сечения под ними.

На первом этапе расчеты произведены по традиционным алгоритмам, без существенного применения компьютерных средств. Максимальная нагрузка, приходящаяся на ферму, определена по коэффициенту поперечной установки. Усилия в поясах ферм на первой стадии работы моста найдены путем деления на расчетную высоту фермы того изгибающего момента, который на нее действует. А в раскосах усилия вычислены через поперечную силу, действующую в данном сечении, в предположении, что все пересекаемые раскосы обоих направлений воспринимают ее поровну. На второй стадии (в работу фермы включена железобетонная плита) была применена методика расчета сталежелезобетонных ферм по СНиП 2.05.03-84*. Согласно этой методике, определены геометрические характеристики приведенного сечения фермы как изгибаемого элемента. В состав сечения в данном случае вошли пояса главных ферм и плита, причем размеры плиты учтены с коэффициентом приведения бетона к стеклопластику по соотношению модулей упругости того и другого материала. Такой подход позволил определить фибровые напряжения в поясах и, через них, -продольные усилия и изгибающие моменты, необходимые для проверок сечений, ослабленных отверстиями. Усилия в раскосах от нагрузок второй стадии определены тем же приемом, что и на первой стадии. Для проверки сечений были определены суммарные усилия, действующие на обеих стадиях. Усилия, действующие на упоры железобетонной плиты, определены через поперечные силы в местах их расположения, с использованием геометрических характеристик приведенного сечения. На основании расчетов, выполненных описанным способом, удалось задать размеры сечений всех элементов, спроектировать упоры и их расстановку, то есть выполнить работу, необходимую для создания удовлетворительной компьютерной модели, не требующей значительной переделки ее при пересчетах конструкции.

Был произведен полный двухстадийный расчет в программном комплексе MIDAS/Civil на двух компьютерных моделях, в которых пояса, раскосы, стойки, связи изображались линейными элементами, а плита (во второй модели) - объемными. Многоболтовые узлы прикрепления раскосов к поясам приняты жесткими, а одноболтовые узлы в местах их пересечений - шарнирными. Упоры железобетонной плиты смоделированы жесткими элементами. Проверено воздействие нагрузки А14 совместно с пешеходной, затем - нагрузки А14, стоящей около барьера при отсутствии пешеходов и, наконец, нагрузки Н14. Для всех элементов и соединений опасной оказалась нагрузка Н14. От нее определены по три узловых расчетных усилия, от которых зависит давление смятия пластика вдоль и поперек волокон: продольная и поперечная силы и изгибающие моменты. Эти три усилия для каждого узла найдены в трех вариантах, когда одно из них является экстремальным, а два других ему соответствуют, то есть возникают при том же положении временной нагрузки, что и первое. Каждое экстремальное усилие программный комплекс определял при самом невыгодном положении временной нагрузки по длине пролета. Полное расчетное усилие от временной нагрузки и от постоянных нагрузок обеих стадий вычислялось отдельно, при этом коэффициенты надежности к постоянным нагрузкам принимались больше или меньше единицы для получения наиболее опасного главного усилия. Полученные усилия позволили проверить сечения нетто элементов и рассчитать число болтов во всех соединениях. Усилия, действующие на упоры, и их расстановка определились по разностям усилий в верхнем поясе в местах их расположения и проверены по разностям усилий в железобетонной плите.

Интересно отметить, что прогибы на разных стадиях работы пролетного строения, вычисленные по разным методикам, оказались практически одинаковыми. По результатам этих расчетов назначен строительный подъем ферм в размере 15 см. Продольные усилия в элементах также оказались сопоставимыми. Расчетом удалось определить узловые усилия (изгибающие моменты, продольные и поперечные силы в разных опасных сочетаниях). Это позволило так рассчитать число болтов в прикреплениях, чтобы не было превышено давление пластика на болт в продольном и поперечном направлениях, а также при совместном действии соответствующих напряжений.

Величины давления на упоры железобетонной плиты, рассчитанные по двум методикам, различались на величину до 15%, в компьютерном расчете часть из них оказались больше и были приняты к дальнейшему проектированию.

Третий расчет был предпринят для анализа местных напряжений в зонах узловых соединениях элементов. Усилия в деталях узла (в каждом по три компонента) были приняты по результатам предыдущего расчета, а сами детали (раскосы, пояса, стойки) моделировались плоскими конечными элементами с мелким разбиением. Все результаты данного расчета оказались благоприятными.

Сборка отдельных ферм и монтаж пролетного строения

Сборка ферм происходила в горизонтальном положении на специальном монтажном столе (рисунок В.4), который состоял из нескольких бетонных блоков, уложенных поперек фермы и выверенных по высоте. Блоки эти были размещены по длине пролета так, чтобы при сборке на них не легли стойки пролетного строения, узлы которых в местах прикрепления к поясам должны быть доступными снизу.

Рисунок В.4 - Сборка фермы на монтажном столе

На всех блоках были установлены по два металлических упора, расположенных по обе стороны фермы, для создания строительного подъема (рисунок В.5). Они имели по два регулировочных винта, которыми создавался выгиб отдельно каждому уголку пояса.

Первыми на сборку поступали нижние (при сборке) уголки обоих поясов, заранее состыкованные из двух девятиметровых частей, с прикрепленными к ним листовыми элементами поясов (включая стыковые накладки - рисунок В.5). Уголкам задавался выгиб, равный проектной величине строительного подъема 15 см. Далее к уголкам прикрепляли снизу нижние детали стоек, выше которых укладывали послойно раскосы двух направлений и прокладки между ними, заполняющие зазоры в поясах. Затем монтировались верхние уголки поясов с созданием проектного выгиба и верхние детали стоек.

Рисунок В.5 - Упоры монтажного стола

Значительная кривизна обоих поясов создала некоторые трудности при разметке положения узлов. Пришлось учесть разницу радиусов кривизны и заметные продольные деформации поясов при их длине 18,0 м, измеряемые сантиметрами. Разница шага раскосов в поясах составила 1 мм, неточность длины поясов не повлияла на величину зазора в деформационных швах и на положение опорных частей.

При раскладке элементов фермы, для исключения их сдвижки, они временно скреплялись струбцинами, а при небольшой общей толщине соединяемых деталей - шурупами-саморезами со сверловым наконечником. Шурупы ставились в тех точках, где расположены капитальные болтовые отверстия, в узлах решетки делались постоянные соединения.

Разметка положения болтовых отверстий в узлах поясов производилась после укладки верхних деталей поясов и стоек и тщательной проверки геометрии фермы. Рисунок расположения отверстий во всех узлах, присоединяющих раскосы, был одинаков, отличие было только в узлах стоек. Для разметки были изготовлены два шаблона с отверстиями для кернения. Все болты ставились сразу после сверления очередного отверстия и снабжались гайками. Проверка плотности затяжки болтов делалась уже после подъемки фермы в вертикальное положение.

Расчеты показали, что при подъемке за две точки, расположенные в четвертях пролета, прогибы могут достигнуть от 4 до 5 см, а напряжения не превысят расчетных сопротивлений. Поднятие фермы было осуществлено через траверсу за три точки (рисунок В.6).

Рисунок В.6 - Подъемка фермы из горизонтального положения

К балкам были прикреплены специальные строповочные узлы. После подъемки строительный подъем фермы за счет действия их собственного веса уменьшился на 10 мм.

Далее две готовые фермы объединялись поперечными связями в один монтажный элемент весом около 6,0 тонн, который перевозили к месту строительства на трейлере (рисунок В.7). Процесс установки этих легковесных монтажных блоков на мост не представил никаких сложностей (рисунок В.8). В пролете монтажные блоки соединялись недостающими поперечными связями, к ним прикреплялись упоры, монтировалась опалубка (рисунок В.9).

Бетонирование было проведено захватками длиной по 3,6 м на всю ширину моста: вначале были забетонированы два крайних и один средний участки (рисунок В. 10), затем - два оставшихся. Бетонирование захватками при тщательной укладке и последующем уходе за бетоном позволили избежать появления усадочных трещин и получить отличную, ровную поверхность, почти не потребовавшую выравнивания.

Рисунок В.7 - Погрузка монтажного блока на трейлер

Рисунок В.8 - Установка монтажного блока в пролет

Рисунок В.9 - Расстановка упоров, устройство опалубки

Рисунок В. 10 - Устройство железобетонной плиты

Чувствительность прогибов композитных ферм ко всем существенным нагрузкам определили контроль строительного подъема ферм на всех этапах строительства моста. Бетонирование плиты захватками позволило снизить расчетные прогибы главных ферм до 6 см, так как бетон первой очереди к моменту укладки последних двух захваток успел набрать достаточную прочность и включился в работу ферм на своих участках. Таким образом, общая потеря строительного подъема от собственного веса ферм и веса бетона составила примерно 7 см, а оставшийся подъем к этому моменту равнялся у всех ферм около 8 см. Укладка полимерного износостойкого покрытия и устройств безопасности (рисунок В.11) изменили эту величину незначительно.

Рисунок В. 11 - Полимерное покрытие проезжей части и устройства безопасности

Мониторинг и испытание пролетного строения

Контроль за работой пролетного строения проводила лаборатория "Мосты" СГУПСа. Мониторинг выполнялся при всех манипуляциях со всеми фермами, начиная с создания строительного подъема за счет изгиба поясов на монтажном столе и кончая наблюдениями за пролетным строением в целом. Для этого во многих выбранных элементах ферм - раскосах, поясах, стойках, а позднее и в плите были заложены несколько десятков мерных баз, по деформациям которых можно определить напряжения в элементах. Контролировался постоянно ход изменения строительного подъема: его расчетные значения нигде не были превышены, конструктивный коэффициент отмечался в интервале значений от 0,7 до 0,9.

Рисунок В.12 - Испытание моста

Испытание моста было проведено двумя автосамосвалами HOWO, загруженными щебнем до общей массы около 50 тонн каждый (рисунок В.12). Расчетная машина Н14 с массой 102,75 т, согласно правилам загружения, не имеет права заезжать на полосы безопасности и при ширине проезжей части 4,5 м располагается на мосту строго по его оси. Прогиб ферм при этом почти одинаков и составляет по расчету 44 мм. После обкатки моста одиночной машиной обе машины устанавливались кузов к кузову сначала около одного барьера, затем у другого. Каждый заезд повторялся, при этом мост выдерживался под нагрузкой и после снятия ее не менее 20 минут. Средний прогиб ферм под такой нагрузкой по расчету мог составить около 30 мм, реальный оказался менее 20 мм. На загруженной стороне крайняя ферма показала прогиб 24,5 мм, на противоположной - 10 мм. Эти показатели соответствуют значению конструктивного коэффициента 0,7. Таким образом, пролетное строение имеет запасы грузоподъемности сверх проектных. Все работы по его возведению, начиная с изготовления отдельных элементов, включая разработку и освоение технологии и кончая испытанием моста, заняли 4 месяца.

Выводы

Опыт проектирования и постройки первого автодорожного пролетного строения моста с главными фермами из пултрузионных композитных профилей с железобетонной плитой проезжей части, результаты испытания и мониторинг состояния ферм и моста можно признать успешными. Данная конструкция предлагается для широкого применения при строительстве мостов в первую очередь в труднодоступных районах Сибирского Севера в районах с экстремальными температурами.