авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

Пушков Никита Михайлович

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ

ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ ТРАНСПОРТНЫХ ЭСТАКАД

ИЗ СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Нестеров Иван Владимирович Москва-2013 Оглавление Введение………………………………………………………………………... 1. Исторический анализ известных конструктивных форм транспортных эстакад……………………………………………………………………….. 1.1. Пролётные строения мостов из сборного железобетона…………… 1.2. Несущие конструкции транспортных эстакад из сборного железо бетона над путями рельсового транспорта и автомагистралями….. 1.3. Выводы по главе 1……………………………………………………. 2. Новые конструктивные решения транспортных эстакад из сборного железобетона………………………………………………………………... 2.1. Конструкции диафрагм и монтажных соединений продольных ба лок пролётного строения с поперечными диафрагмами. ………….. 2.2. Усиление приопорных зон пролётных строений транспортной эс такады………………………………………………………………….. 2.3. Несущие конструкции двухуровневых галерей для возведения над существующими транспортными магистралями…………………… 2.4. Выводы по главе 2……………………………………………………. 3. Особенности технологии монтажа пролётных строений с поперечными сборными диафрагмами……………………………………………………. 3.1. Структура соединений элементов монтируемых пролётных строе ний, минимизирующая влияние процесса реконструкции на функционирование надстраиваемой магистрали…………………… 3.2. Антикоррозионная защита трубчатых соединений………………… 3.3. Выводы по главе 3……………………………………………………. 4. Расчётные математические модели для анализа напряжённо деформированного состояния композитных пролётных строений транспортных эстакад с поперечными сборными диафрагмами………... 4.1. Глобальная конечно-элементная линеаризованная модель пролёт ного строения со сборными диафрагмами………………………….

. 4.2. Конечно-элементная модель стыкового соединения сборных эле ментов…………………………………………………………………. 4.3. Выводы по главе 4……………………………………………………. 5. Вычислительная технология учёта нелинейного деформирования желе зобетона в балочных конструкциях……………………………………….. 5.1. Разработка расчётного алгоритма анализа деформирования сече ний железобетонных несущих элементов…………………………... 5.2. Взаимодействие разработанной вычислительной технологии с ли неаризованной расчётной моделью метода конечных элементов… 5.3. Выводы по главе 5……………………………………………………. Заключение……………………………………………………………………... Приложение А (справочное). Затраты на материалы на возведение эстака ды-галереи над однопутной неэлектрифицированной железнодорожной линией…………………………………………………………………………... Приложение Б (справочное). Результаты расчётов пролётных строений….. Приложение В (справочное). Эффект виляния промежуточных попереч ных диафрагм на перераспределение усилий в главных балках пролётного строения при действии нормативной нагрузки Н14…………………………. Приложение Г (справочное). Эффект виляния промежуточных попереч ных диафрагм на перераспределение усилий в главных балках пролётного строения при действии нормативной нагрузки А14…………………………. Приложение Д (справочное). Эффект виляния промежуточных попереч ных диафрагм на перераспределение усилий в главных балках пролётного строения при действии нагрузки А14, расчётный случай для крайней бал ки пролётного строения………………………………………………………... Приложение Е (справочное). Напряжения в замыкающих элементах про межуточных поперечных диафрагм при нормативной нагрузке Н14……… Библиографический список…………………………………………………… Введение Актуальность и степень разработанности темы исследования.

В настоящее время в Российской Федерации и в других странах эксплуати руются и продолжают возводиться городские транспортные эстакады и развязки.

Известная для таких объектов городской инфраструктуры идея об эффективности надстройки существующих железнодорожных магистралей, например, Москов ского узла, автодорожными галереями и даже зданиями более сложной структу ры, признаётся вполне перспективной, но требующей существенного развития как конструктивных форм, так и технологий возведения по существу нового для Рос сии класса инженерных сооружений. Сложившаяся практика показывает, что во многих случаях эстакады различных пролётов, протяжённости и формы в плане сооружаются из монолитного железобетона и сталежелезобетона. Вместе с тем, сборность таких конструкций позволила бы возводить эти сооружения в кратчай шие сроки на наиболее ответственных участках надстраиваемых магистралей, в том числе, при сохраняющемся интенсивном движении транспортных средств, а также там, где недостаточно территорий для организации больших площадок строительства.

Диссертация посвящена вопросам развития конструктивных форм пролёт ных строений транспортных эстакад-галерей из железобетонных монтажных эле ментов заводского изготовления, что в целом сводит к минимуму объёмы работ непосредственно на строительных площадках.

В Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) в 2012 г. разработана новая конструкция универсального соединения монтажных железобетонных элементов с помощью специальных закладных деталей [26].

Принцип стыковки состоит в объединении монтажных элементов замыкающими трубчатыми элементами, проходящими через соосные трубчатые отверстия, обра зованные закладными деталями в стыкуемых элементах [26]. Такая конструкция сводит к минимуму объёмы работ по омоноличиванию, что существенно повыша ет темпы возведения сборных конструкций.

Индустриальные методы возведения мостовых конструкций из сборного железобетона определяются заводским изготовлением важнейших несущих эле ментов мостовых железобетонных конструкций опор и пролётных строений и их поточным монтажом на площадках строительства мостовых переходов и город ских транспортных развязок. В то же время, одним из «слабых мест» любых сборных железобетонных конструкций справедливо считаются узлы стыковки монтажных элементов. При этом анализ возможности применения стальных за мыкающих трубчатых элементов для соединения монтажных элементов сборных железобетонных пролётных строений автодорожных мостов не проводился. Раз витие и обоснование математическим моделированием конструктивных форм же лезобетонных элементов сборных мостовых конструкций, для стыковки которых применяется техническое решение, сочетающее в себе простоту и сжатые сроки монтажа, а также достаточную несущую способность на стадии эксплуатации, яв ляется задачей актуальной и востребованной для практического использования.

Объект исследования – конструктивно-технические решения сборных же лезобетонных конструкций для мостовых сооружений.

Предмет исследования – стыковые соединения монтажных элементов сборных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Цели и задачи исследования.

Цель исследования – является разработка и обоснование конструктивных форм монтажных элементов сборных железобетонных пролётных строений авто дорожных эстакад-галерей, стыкуемых с помощью стальных замыкающих труб чатых элементов, и разработка оптимальной по размерности расчётной математи ческой модели таких монтажных соединений.

В работе решены следующие задачи:

- выполнен анализ существующих конструктивных решений сборных желе зобетонных автодорожных пролётных строений мостов и двухуровневых эстакад в целом;

- изучены применяемые и перспективные решения стыковых соединений сборных железобетонных конструкций для последующей разработки новых конструкций монтажных элементов;

- разработаны новые конструктивные формы железобетонных монтажных элементов, стыкуемых с помощью стальных замыкающих трубчатых эле ментов, для пролётных строений автодорожных эстакад с промежуточными поперечными диафрагмами и для надстройки существующих магистралей эстакадами второго уровня и галереями;

- разработаны расчётные математические пространственные модели автодо рожного пролётного строения с промежуточными поперечными диафрагма ми для оценки работы промежуточных поперечных диафрагм;

- разработана оптимальная по размерности расчётная математическая про странственная модель замыкающего трубчатого элемента для оценки напряженно-деформированного состояния стальных замыкающих трубча тых элементов;

- разработано программно-математическое обеспечение для расчёта попереч ных сечений железобетонных элементов на косой изгиб и плоский попереч ный изгиб с учетом требований действующих нормативных документов;

- раскрыто влияние промежуточных поперечных диафрагм на перераспреде ление усилий между главными балками пролётного строения;

- предложена последовательность монтажа новых сборных конструкций же лезобетонных пролётных строений, сводящая к минимуму ограничения движения поездов по надстраиваемой магистрали в процессе строительства.

Научная новизна исследования.

- Проведен анализ возможности стыковки монтажных элементов железобе тонного пролётного строения при помощи замыкающих трубчатых элемен тов без омоноличивания стыкового соединения.

- Разработаны пространственные математические модели нового железобе тонного пролётного строения автодорожного моста с промежуточными сборными поперечными железобетонными диафрагмами для оценки общей работы конструкции, для выявления наиболее нагруженных монтажных элементов и для моделирования работы новых стыковых соединений.

- Разработаны геометрические и структурные характеристики монтажных элементов эстакады-галереи для надстраивания действующей магистрали с минимальным ограничением движения по ней транспорта.

Методология и методы исследования.

Методологической базой исследований является анализ литературных ис точников по конструкциям сборных железобетонных мостовых сооружений.

В теоретических и численных исследованиях, выполненных в работе, ис пользованы общие методы теории упругости и теории железобетона, методы ма тематического моделирования конструктивных элементов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определя ется соответствием результатам экспериментальных и теоретических исследова ний в данной области других авторов, известным принципам построения расчет ных моделей метода конечных элементов, требованиям действующих норматив ных документов, а также результатам, полученных с использованием сертифици рованного программного обеспечения.

Практическая значимость и реализация работы.

- Предложенные в диссертационной работе новые монтажные элементы для транспортных сооружений, включающих сборный железобетон, предназна чены для изготовления на заводах железобетонных мостовых конструкций и могут использоваться для разработки новых технических решений мосто вых сооружений и модификации существующих типовых проектов балоч ных железобетонных пролетных строений.

- Конструкция стыкового соединения, использованного при разработке новых монтажных элементов, сводит к минимуму объёмы работ по омоноличива нию стыков, что существенно повышает темпы возведения мостового со оружения в целом.

- Геометрия и технология установки разработанных монтажных элементов не требуют какого-либо нестандартного оборудования или специальной ква лификации персонала на площадке строительства.

- Разработанные расчётные математические модели пролётных строений ав тодорожных мостовых сооружений из сборного железобетона могут быть использованы проектными организациями, занимающихся проектировани ем мостовых конструкций, а также учреждениями, ведущими научное со провождение проектирования объектов транспортного строительства.

- С помощью компьютерных программ, разработанных в диссертации, и сер тифицированных программ проведен сравнительный анализ пространствен ных расчётных схем сборных железобетонных пролётных строений мостов для нескольких уровней сгущения сетки конечных элементов. На основании серии проведённых расчётов были выработаны практические рекомендации по выбору оптимального уровня сгущения сетки конечных элементов в за висимости от задач конкретного расчёта.

- Подана заявка в Роспатент РФ на изобретение «Пространственная балочная конструкция из сборного железобетона» № 2013152895 с приоритетом от 29.11.2013 г в соавторстве с В.М. Фридкиным, И.В. Нестеровым, Т.В. Шепитько, В.А. Грудским.

Апробация работы. Основные научные положения работы доложены:

- на научно-практической конференции «Неделя науки-2010. Наука - транс порту» (МИИТ). Москва 2010 г.

- на 69 Научно-методической конференции (МАДИ). Москва 2011 г., - на научно-практической конференции «Неделя науки-2013. Наука - транс порту» (МИИТ). Москва 2013 г.

На защиту выносятся:

- новые конструктивные решения автодорожного сборного железобетонного пролётного строения с промежуточными поперечными диафрагмами, двух уровневой эстакады-галереи из сборного железобетона и варианта усиления надопорной зоны пролётного строения из сборного железобетона, в кото рых для стыковки монтажных элементов используются стальные замыкаю щие трубчатые элементы без омоноличивания стыкового соединения;

- новая расчётная математическая модель пролётного строения с промежу точными поперечными диафрагмами, в которой диафрагмы моделируются стержневыми конечными элементами без учёта замыкающих трубчатых элементов;

- новая расчётная математическая модель пролётного строения с промежу точными поперечными диафрагмами, в которой диафрагмы моделируются пластинчатыми конечными элементами, а замыкающие трубчатые элементы моделируются стержневыми конечными элементами;

- новая расчётная математическая модель замыкающего трубчатого элемента, в которой стыкуемые монтажные элементы моделируются стержневыми конечными элементами эквивалентной жесткости и пластинчатыми конеч ными элементами;

- результаты сравнительного анализа разработанных расчётных математиче ских моделей.

Публикации.

По материалам выполненных исследований опубликовано 6 работ, из них в издании, рекомендуемом ВАК РФ для кандидатских диссертаций.

Объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литерату ры, включающего в себя 93 наименования. Общий объём диссертации составляет 170 страниц печатного текста, включая 71 рисунок, 10 таблиц и 6 приложений.

Исторический анализ известных конструктивных форм 1.

транспортных эстакад Пролётные строения мостов из сборного железобетона 1.1.

Применение сборного железобетона позволяет осуществлять возведение малых и средних мостов индустриальными методами, благодаря существенному снижению трудоёмкости строительно-монтажных работ и сокращению продол жительности строительства мостовых сооружений по отношению к возведению конструкций в монолитном исполнении, как отмечалось, например, в трудах [37, 59, 74]. Индустриализация строительства в данном случае в первую очередь опре деляется заводским изготовлением важнейших несущих элементов мостовых же лезобетонных конструкций опор и пролётных строений и их поточным монтажом на площадках строительства мостовых переходов и городских транспортных раз вязок. Эффективность доступности организации поточного метода возведения, в первую очередь автодорожных мостов, определяется тем, что мосты полной дли ной до 60 м признаются, например, в работе (1985 г., [59]) «…наиболее распро страненным видом искусственных сооружений на автомобильных дорогах». Это положение может стать актуальным в дорожном строительстве России и в насто ящее время.

Первые железобетонные мосты появились в СССР в 20-е и 30-е годы XX века. Как правило, эти мосты имели арочные монолитные пролётные строения [37]. Вместе с тем, в 50-е годы XX века, в рамках общих тенденций развития строительного комплекса страны, получила мощное развитие промышленность сборного железобетона [12]. В итоге к началу 80-х годов, как отмечается в рабо тах [37, 74], для пролётных строений автодорожных и городских мостов длиной до 150 м использовались преимущественно сборные железобетонные или стале железобетонные конструктивные элементы заводского или полигонного изготов ления по типовым и в меньшей мере индивидуальным проектам. В настоящее время, в основном по технологическим соображениям, применяются конструкции как из монолитного и сборно-монолитного, так, реже, и из сборного железобето на. Тем не менее, необходимо отметить в целом негативный исторический опыт применения сборного железобетона, поскольку исключительно высокие темпы строительства достигались, к сожалению, в ущерб долговечности возводимых со оружений.

Весьма распространены крупногабаритные железобетонные балочные не сущие элементы прямоугольного, таврового, двутаврового (как правило, до 33 м), или коробчатого сечения (свыше 63 м,), широко применяемые в конструкциях промышленного, транспортного и гражданского строительства, воспринимающие собственный вес и вес оборудования, а также широкий спектр кратковременных внешних нагрузок и воздействий. При этом для пролётов 33-63 м применяются плитно-ребристые конструкции (например, для мостов – блоки ПРК ЦНИИС, ри сунок 1.1) [14].

Рисунок 1.1 – Плитно-ребристый монтажный элемент Такие элементы в качестве монтажных блоков производятся в промышлен ных масштабах по типовым или индивидуальным проектам заводами железобе тонных изделий, что обеспечивает их достаточно широкое применение при отно сительно низкой стоимости. Однако в ряде случаев использование указанных тех нических решений оказывается весьма трудоёмким или нерациональным с точки зрения затрат и повышенной строительной высоты пролётных строений при пере крытии значительных пролётов. В частности, это относится к возведению пролёт ных строений на кривых, съездах, с переменной шириной проезжей части на ав тодорожных мостах, путепроводах и транспортных развязках [14]. Оптимизация конструкций данных сооружений обычно достигается применением монолитного железобетона или различным конструктивными решениями соединения сборных балочных конструкций. Кроме того, используется встраивание диафрагм для по вышения общей жесткости пролётного строения или перекрытия.

Получили широкое распространение балочные пролётные строения и стро ительные конструкции перекрытий из монолитного железобетона, сооружаемые на строительной площадке объекта или непосредственно в проектном положении.

Среди таких объектов можно привести ряд многопролётных путепроводов и транспортных развязок на Московской кольцевой автодороге постройки второй половины 90-х годов XX века и на современных развязках и реконструируемых московских «вылетных магистралях». В таких сооружениях применялись и при меняются плитные, ребристые, плитно-ребристые и коробчатые пролётные строе ния из монолитного железобетона с длиной пролётов порядка 20-60 м. Отношение высоты пролётного строения к длине пролёта составляет от 1/14 до 1/25 (рису нок 1.2). При этом дополнительно в коробчатых пролётных строениях устраива лись (например, на МКАД) диафрагмы над опорами, которые представляют собой сплошные стенки толщиной 180 см из монолитного железобетона [14]. Подобные конструкции предоставляют широкие возможности для индивидуального проек тирования, однако трудоёмкость и сроки их возведения в ряде случаев суще ственно выше по сравнению с аналогами из сборного железобетона.

Рисунок 1.2 – Поперечное сечение балки пролетного строения путепровода через МКАД (11-й км Новорязанского шоссе) [14] В статье В.М. Фридкина «Новый сборный железобетон как перспективное направление создания инженерных сооружений XXI века» (подготовлена к печати в журнале «Промышленное и гражданское строительство») ситуация объясняется тем, что «…при монолитном исполнении весьма трудоёмко и затратно использо вание геометрически и конструктивно сложных, малооборачиваемых и, как пра вило, неинвентарных опалубок и недостаточно производительного ручного труда для установки арматуры и бетонирования». Кроме того, там же подчеркивается, что «…во всех случаях применения монолитного железобетона необходимо и, вместе с тем, сложно корректно учитывать существенную изменчивость во вре мени физико-механических характеристик бетонов и связанных с этим изменений во времени геометрии возводимых конструкций». Для конструкций в сборном ис полнении сложность обеспечения точности, высокой надежности и большой дол говечности конструктивных форм инженерных сооружений связывается так же с трудоёмкостью омоноличивания монтажных соединений.

В качестве несущих элементов из сборного железобетона наибольшее рас пространение получили плитные и ребристые унифицированные балки [74]. Как правило, плитные пустотные конструкции применяются при возведении пролёт ных строений до 18-24 м. Характерные плитные пролётные строения, выполнен ные, к примеру, по типовому проекту [66] (рисунок 1.3), состоят из блоков, арми рованных предварительно напрягаемой арматурой, которые имеют высоту от 0, до 0,75 м и содержат полости круглого или овального поперечного сечения. Со гласно данному проекту [66], «…совместная работа блоков обеспечивается шпо ночным соединением из бетона марки 400».

Рисунок 1.3 – Плитное пролетное строение (типовой проект 3.503-12, вып.16) Вместе с тем, в методических рекомендациях СоюзДорНИИ [44] отмечают ся повышенные материальные и трудовые затраты, связанные с предусмотренным технологией омоноличиванием швов между плитами на строительной площадке и устройством многослойной одежды ездового полотна. Там же указывается на не оправданность таких затрат при строительстве мостов на дорогах низких катего рий.

В качестве варианта для малых мостов дорог низких категорий, исключаю щего необходимость бетонирования на строительной площадке, СоюзДорНИИ предложена конструкция [44] из не объединяемых между собой сводчатых плит длиной 12 м без устройства одежды ездового полотна (допускается установка впоследствии) (рисунок 1.4). При этом в [44] уточняется, «…чтобы предотвратить самопроизвольную раздвижку сводчатых плит, к стальным уголкам на их торцах необходимо приварить арматурные стержни из стали класса А-1 (диаметр 20 мм, длина 680 мм), а к закладным деталям на насадках опор – стальные уголки». В продольном направлении рекомендуется объединять блоки смежных пролётов в температурно-неразрезную схему с помощью соединительного стального стерж ня, который проходит по всей ширине пролётного строения. Стержень располага ется в зазоре между сводчатыми плитами и приварен вразбежку к закладным де талям в верхней части торцов сводчатых плит [44].

Рисунок 1.4 – Пролетное строение из сводчатых плит СоюзДорНИИ Ребристые железобетонные балки имеют, как правило, тавровое или дву тавровое поперечное сечение. Такая конструкция позволяет свести к минимуму объем бетона растянутой зоны, оставив максимум в сжатой зоне верхней плиты (рисунок 1.5). Ребристые балки таврового сечения с обычной рабочей арматурой, согласно типовому проекту [67], имеют длину 12, 15 или 18 м (согласно укруп ненному модулю длины, принятому в 1962 г., [74]) при высоте 0,9 м. Для повы шения технологичности производства, а именно удобства извлечния из опалубки, ребра таких балок могут иметь наклонные стенки. Балки больших пролётов (до 33 м) имеют, как правило, двутавровое сечение для размещения пучков напрягае мой арматуры [68]. «…Объединение балок в пролётное строение производится обетонированием выпусков из плиты проезжей части, включая добетонирование консолей плиты крайних балок, служащих тротуарами» [67]. Балки подобной конструкции, адаптированные под современную нагрузку А14 вместо А11 (в частности, за счет увеличения высоты балок до 1,1 м) выпускаются по настоящее время рядом отечественных заводов железобетонных мостовых конструкций.

Рисунок 1.5 – Балки пролётных строений таврового и двутаврового поперечного сечения При этом для повышения уровня индустриализации отмечена тенденция к уменьшению числа несущих продольных балок при их укрупнении и увеличении расстояния между ними [74]. Для бездиафрагменных балок максимальное рассто яние между их осями ограничено 2,5 м. Превышение этой величины для таких конструкций приводит к неоптимальному увеличению толщины и армирования балочных стенок и к утощению плиты проезжей части, что объясняется неравно мерностью работы бездиафрагменных тавровых балок, так как «…объединение только по плите проезжей части не обеспечивает поперечной жесткости, из-за че го плита не одинаково напряжена по сечению пролётного строения» [74].

Известны различные соединения типовых сборных балочных пролётных строений в продольном направлении путем омоноличивания стыков (в итоге кон струкция работает по неразрезной схеме), а также путем создания температурно неразрезной схемы работы (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Варианты омоноличивания пролетных строений В частности, известна конструкция, «…включающая сборные плитно ребристые балки с поперечными монолитными железобетонными стыками и со единительную плиту, выполненную с зазором относительно ребер балок в надо порных участках. Соединительная плита оперта по своим концам посредством опорных частей на ребра балок, по длине пролётного строения отделена от плиты балок посредством вертикальных зазоров, в которых расположены вертикальные прокладки, преимущественно резинометаллические, в продольном направлении соединительная плита соединена с плитой балок посредством горизонтальных стержней, имеющих защитную упругую оболочку в вертикальных зазорах…» [52] (рисунок 1.7). Подобные конструктивные схемы позволяют достичь существенно го снижения усилий в главных балках, однако учитывают совместную работу не сущих конструкций только в продольном направлении, что может быть недоста точным для перекрытий, ширина которых сопоставима с длиной, а также для до статочно широких автодорожных путепроводов и путепроводов, расположенных на кривых.

Рисунок 1.7 – Температурно-неразрезное пролетное строение (патент RU 2 296 193 С1) В качестве способа решения задачи равномерного распределения нагрузки между продольными несущими балками в работе [74] предлагается организовать перекрестную в плане несущую структуру путем объединения продольных балок поперечными диафрагмами.

Поперечные диафрагмы использовались в сборных конструкциях железобе тонных пролётных строений начиная с середины XX века. Так, в типовом проекте [70] предлагается перекрестная несущая структура, которая состоит из продоль ных балок таврового сечения (пролёты от 7,5 до 20 м) и поперечных диафрагм (рисунок 1.8). Расстояние между осями балок составляет 140 см. При этом, диа фрагмы выполнены как часть предварительно изготавливаемого монтажного эле мента продольной балки. Другими словами, такой монтажный элемент включает в себя балку (крайнюю или промежуточную) и половины диафрагм. Арматурный каркас диафрагм промежуточных балок пересекает насквозь ребро балки. Таким образом, диафрагмы и полки продольных балок стыкуются омоноличиванием на одном уровне в плане сечения. «…Стыки блоков проезжей части запроектирова ны только в пределах диафрагм и разработаны с металлическими накладками, привариваемыми к планкам, выпускаемым по концам диафрагм» [70].

Рисунок 1.8 – Пролетное строение с диафрагмой, 1958г.

Более поздний проект [69] (рисунок 1.9) предлагает схожие подходы к про ектированию сборных железобетонных пролётных строений с диафрагмами (про лёты 12, 15 и 18 м). Но в этом случае применяется стыковка блоков пролётного строения (продольных балок с диафрагмами) «…только по диафрагмам – при по мощи сварки выпусков арматуры, с последующим бетонированием стыка между диафрагмами» [69]. По технологическим соображениям балки имеют наклонные стенки ребер подобно проекту [67] без диафрагм.

Рисунок 1.9 – Пролетное строение с диафрагмой, 1977г.

В статье [36] исследуется работа железобетонного пролётного строения при различном количестве диафрагм. В качестве примера рассмотрен типовой проект Укргипротранса ВТП-16 (рисунок 1.10). Пролётные строения, выполненные по данному проекту отличаются значительным числом небольших двутавровых предварительно напряженных балок и поперечных диафрагм. Расстояние между осями балок (пролёт 16,76 м) составляет 85 см. В пределах пролёта установлено опорных и 5 промежуточных диафрагм. Несмотря на отмечаемый в [36] повы шенный расход материала, небольшой вес блоков сборной конструкции позволял использовать для их монтажа распространенные краны небольшой грузоподъем ности (в том числе, автокраны), что обеспечило массовое применение таких ис кусственных сооружений в транспортной сети Украины. При этом избыточное количество диафрагм нивелируется невысоким качеством монолитных работ по объединению блоков в единую пространственную систему, поскольку авторами [36] отмечались «…разрывы стыков диафрагм в процессе эксплуатации».

Рисунок 1.10 – Типовой проект ВТП-16 с диафрагмами В связи с изложенным, исследование [36] было нацелено в первую очередь на оценку несущей способности пролётного строения при выходе из строя диа фрагм. Тем не менее, исследование представляет интерес и с точки зрения оценки влияния работы диафрагм как в продольном, так и в поперечном направлении. По результатам данной работы [36], наиболее существенный вклад в сопротивление всего пролётного строения действию изгибающих моментов вносят диафрагмы, расположенные в «продольной вертикальной плоскости». Выключение таких диафрагм из работы приводит к значительному невыгодному перераспределению напряжений в балках. В то же время, диафрагмы в «поперечной вертикальной плоскости» не вносят существенного вклада в перераспределение напряжений в случае их выключения из работы. В работе [36] считается целесообразным оста вить лишь одну промежуточную диафрагму. При этом подчеркивается суще ственная экономия материала и особенно трудозатрат «…по объединению глав ных балок в единую пространственную систему», поскольку требуется выполнить качественное омоноличивание несущих стыков.

Более того, в работе [74] в качестве серьезного недостатка подобной кон струкции также рассматривается повышенная трудоёмкость заводского изготов ления балок и их последующего монтажа. Как отмечалось выше, рассмотренные проекты [69] и [70] предполагают заводское изготовление диафрагм в общей опа лубке с продольными балками.

Таким образом, в работах [36], [74] при анализе работы сборных железобе тонных пролётных строений перекрестной структуры (продольные балки с диа фрагмами) указывается лишь на технологические издержки, связанные с задачей быстрой и качественной стыковки монтажных элементов между собой, что влечет за собой более сложное конструктивное исполнение монтажных блоков. Основ ные трудности связываются авторами в то числе с работами по омоноличиванию несущих стыков. При этом отмечена эффективность такой конструктивной схемы с точки зрения равномерности включения элементов в работу, а также преимуще ство сборного железобетона с точки зрения индустриальных темпов возведения искусственных сооружений.

В качестве альтернативы, свободной от указанных технологических недо статков в работах [74] рассматривается конструкция пролётного строения, состо ящая из железобетонных блоков коробчатого сечения. Составные по длине блоки, не перекрывающие пролёт целиком, объединяются болтовыми соединениями, об разуя неразрезную многопролётную систему (рисунок 1.11). В качестве примера приведен проект путепровода Киевгипротранса, выполненного по схеме 42+260+42. В данном проекте каждый блок коробчатого сечения имеет длину 12 м. В поперечном направлении путепровод состоит из четырех балок [74].

Рисунок 1.11 – Соединение коробчатых сегментов Технология с принципиально близким подходом получила широкое распро странение за рубежом и в нашей стране (рисунок 1.12). Так, в работе [80] подчер кивается, что в течение последних 40 лет мосты и путепроводы больших пролётов в западных странах сооружаются из сборных монтажных блоков коробчатого се чения, стыкуемых различными способами. Как правило, строительная высота монтажных элементов коробчатого сечения для перекрытия больших пролётов составляет от 1,5 до 4 м [42, 80, 86]. Стыковка таких блоков возможна как омоно личиванием выпусков арматуры, так и с помощью замковых соединений. После сборки возможен пропуск через всю систему дополнительных пучков напрягае мой арматуры.

Успех данной технологии связывается, с одной стороны, с надежностью и долговечностью возводимых конструкций, а с другой стороны, с весьма высокими темпами возведения при возможности обеспечения качественного проведения монтажных работ. По такой технологии сооружен ряд технически сложных транспортных развязок, в частности, развязки “High Five” в Далласе, США [79] (рисунок 1.13). Данная развязка сооружалась между 2004 и 2006 гг. на замену су ществующему пересечению двух автомагистралей. Пятиуровневая развязка со стоит из 43 эстакад и путепроводов из сборного железобетона. Максимальная вы сота составляет 37 м над землей. Большинство эстакад развязки сооружалось над действующими транспортными путями без остановки движения. В Китае первый мост по подобной технологии (мост Сутонг через р.Янцзы) сооружен между и 2007 гг.

Рисунок 1.12 – Мост через р.Москву, пролёт 117 м Рисунок 1.13 – Транспортная развязка “High Five”, Даллас, США В работе [80] сопоставляется опыт сооружения таких сборных железобе тонных путепроводов с аналогичными конструкциями из монолитного железобе тона. При этом отмечаются следующие три преимущества сборных конструкций:

1. На специализированной площадке или заводе проще контролировать одно родность смеси и, как следствие, обеспечить требуемое качество и заявлен ную прочность бетона.

2. Монтажные элементы могут быть произведены задолго до их установки в проектное положение, а также задолго до установки напрягаемой арматуры, таким образом, ко времени снижается влияние усадки и ползучести.

3. Значительно выше сроки сооружения пролётного строения, поскольку нет привязки ко времени твердения бетона.

Очевидно, что несмотря на хорощо контролируемое высококачественное заводское изготовление монтажных элементов, в обеспечении надежности и дол говечности сборной железобетонной конструкции исключительно важна техноло гия стыковки этих элементов. К сожалению, в ряде случаев, в том числе, в неко торых рассмортенных выше, стыки оказываются «слабым звеном» всей конструк ции, сводя на нет преимущества сжатых сроков возведения по сравнению с моно литным железобетоном.

В отечественной практике широкое распространение получило омоноличи вание, включающее в себя соединение по швам выпусков арматуры стыкуемых элементов (плит соседних балок) и бетонирование продольных швов ([36, 67, 68, 69, 70]). Известно соединение арматурных стержней, как с помощью сварки, так и с устройством петлевых стыков, замков или болтовых соединений, с обжатием встык при помощи гидравлического пресса [77]. При сварке арматурные выпуски необходимо предварительно выправить и подтянуть. Затем производится сварка при помощи накладок, либо ванным методом [17, 58, 65]. Известные стыки Пере дерия (рисунок 1.14), как отмечается в [77], обладают значительной прочностью, но такой тип стыкового соединения требует «обязательного обеспечения проект ной марки бетона омоноличивания» и длительного использования «монтажных креплений на период его твердения».

Рисунок 1.14 – Стыки Передерия Между тем, таким работам по омоноличиванию присущи практически те же особенности, характерные для возведения монолитных пролётных строений. Опа лубка для бетонирования продольного шва между плитами балок нередко устраи вается в виде подвешенных снизу щитов. В [26] отмечается высокая трудоёмкость работ, связанных со стыковкой арматуры или закладных деталей, а также работ по установке/снятию опалубки. Там же указывается, что «…процесс монтажа при этом может быть затруднён необходимостью производства работ в сложных при родно-климатических условиях площадки строительства». Так, при укладке бето на в зимнее время, как правило, требуется электропрогрев. «Применение обычных металлических закладных деталей в монтажных железобетонных элементах тре бует выполнения больших объемов работ по подгонке деталей и их стыковке с помощью электросварки или болтовых соединений» [26]. Как отмечается в пояс нительных записках к соответствующим типовым проектам, «…бетонирование стыка должно производиться при тщательном контроле и с принятием мер по обеспечению сцепления бетона омоноличивания с бетоном конструкции» [69].

Помимо омоноличиваемых выпусков арматуры, весьма распространена, в том числе в мостостроении, стыковка монтажных железобетонных элементов с помощью замковых соединений, поскольку такие соединения обладают достаточ ной геометрической точностью [80]. Тем не менее, там же рекомендуется допол нительно применять специальные эпоксидные клеевые составы, которые дают дополнительные преимущества на стадии монтажа и в процессе эксплуатации. На стадии монтажа рассматривается смазывающий эффект применения такого соста ва, а также возможность устранения небольших несовершенств контактируемых поверхностей. В процессе эксплуатации конструкции отмечены как изолирующие свойства (водонепроницаемость) клеевого состава, так и определенный вклад в работу конструкции, благодаря восприятию напряжений сжатия и сдвига, прихо дящих на стык [80].

Исследования [80] определяют оптимальные размеры замков для стыковки сегментов коробчатых балок. Исторически применялись отдельные замки высо той порядка 30 см и глубиной порядка 10 см (рисунок 1.15). Сразу после установ ки сегмент соединялся с предыдущими напрягаемой арматурой. Поперечное уси лие от веса нового сегмента приходится на замок. В 70-е годы XX века во Фран ции было начато крупное исследование несущей способности замковых соедине ний, как уязвимых мест сборной конструкции из коробчатых сегментов. Как пока зали результаты испытаний, на несущую способность отдельных замков не ока зывали существенное влияние ни их армирование, ни увеличение их высоты.

Приемлемым решением стало устройство множественных замков меньших габа ритов: высотой до 10 см и глубиной до 3 см (рисунок 1.16). Данное техническое решение обеспечило несущую способность стыка, практически близкую к анало гичной монолитной конструкции, и получило распространение практически по всему миру наравне со сборными пролётными строениями из коробчатых сегмен тов [80].

Рисунок 1.15 – Конструкция замка Рисунок 1.16 – Новая конструкция замка При этом в [80] дополнительно подчеркивается, что замковые соединения, обеспечивающие качество всего монтажного блока в целом, не должны подвер гаться последующей обработке после извлечения из опалубки. Это относится и к пескоструйной обработке, и к обработке густым слоем эпоксидного клеевого со става, оптимальная толщина которого не должна превышать 0,5 мм [80].

Известны патентованные соединения железобетонных элементов в виде шпонок, штырей или резьбовых соединений [49, 50, 51] (рисунок 1.17). Примене ние подобных узлов в мостостроении и промышленном и гражданском строитель стве позволяет в ряде случаев существенно повысить производительность работ при достаточном обеспечении надежности конструкции. Однако существует по вышенная трудоёмкость заводского изготовления подобных монтажных элемен тов и их установки в проектное положение.

Рисунок 1.17 – Болтовое соединение (патент RU 2 175 702 С2) В дальнейшее развитие представленных выше разработок в Московском государственном университете путей сообщения разработана (2007-2012 годы) конструкция соединения монтажных элементов с помощью специальных заклад ных деталей [26] (рисунок 1.18). Одна из особенностей рассматриваемой кон струкции состоит в том, что «…композитные несущие блоки, включающие за кладные детали в виде полых элементов из отрезков труб, в процессе монтажа об разуют сквозные отверстия, проходящие соосно через все объединенные в одном стыке композитные несущие блоки» [26]. В свою очередь, «…замыкающий за кладной элемент также выполнен полым, из отрезка трубы, например, стальной, или из её фрагментов, и жестко прикреплен по своим торцам к закладным трубча тым элементам монтажных блоков или из стальных арматурных стержней, жестко прикрепленных по своей длине к внутренним поверхностям закладных трубчатых элементов… В полость замыкающего закладного элемента или в пространство между конструкциями, или между замыкающим закладным элементом и заклад ными деталями введен заполнитель из отвердевающего материала, например, бе тона» [26].

Рисунок 1.18 – Примеры универсальных монтажных элементов [26] Как отмечается в [26], закладные детали из труб можно использовать в про цессе бетонирования для фиксации элементов инвентарной опалубки, поскольку крепежные элементы можно пропускать через отверстия закладных деталей. Од ной из перспективных сфер применения данного принципа стыковки сборных же лезобетонных элементов могут стать конструкции пролётных строений.

Преимущества предлагаемой в [26] конструкции состоят, в том числе, в от носительно низкой трудоёмкости, как изготовления монтажных блоков, так и сборки их в единую конструкцию. Встраивание таких закладных деталей в желе зобетонные элементы потребует минимальных изменений в инвентарную опалуб ку. Монтаж несущих конструктивных элементов с помощью закладных деталей [26], в свою очередь, существенно сокращает необходимый объем работ по омо ноличиванию, что напрямую сказывается на сроках возведения конструкции.

Кроме того, низкая трудоёмкость, т.е. относительно простые операции по органи зации монтажного соединения, в потенциале при массовом применении позволяет обеспечить стабильное качество стыка на уровне, заложенном при проектирова нии. Как отмечалось выше по ряду других работ, качество стыка напрямую ска зывается на надежности и долговечности сборной железобетонной конструкции в целом.

В связи с изложенным представляет интерес использование монтажного со единения [26] в качестве развития конструктивных форм пролётных строений из сборного железобетона. При обеспечении надежности и долговечности, сравни мой с аналогами, такие перспективные конструкции обладают достаточной степе нью индустриализации в сочетании с относительно низкой трудоёмкостью мон тажа.

1.2. Несущие конструкции транспортных эстакад из сборного железобетона над путями рельсового транспорта и автомагистралями Эффективные конструкции из сборного железобетона применимы для надстройки существующих транспортных магистралей вторым уровнем. Такая задача приобрела актуальность в последние годы для крупных городов нашей страны, в первую очередь для московского транспортного узла. Очевидно, что конструкция транспортной эстакады, возводимой, например, над действующей железнодорожной линией, помимо приемлемой стоимости сооружения, должна отвечать следующим требованиям:

1. Возведение конструкции должно в минимальной степени влиять на работу существующих магистралей.

2. Конструкция должна предусматривать возможность устройства проезжей части переменной ширины для организации развязок и промежуточных съездов.

3. Необходимо обеспечить безопасное функционирование надстраиваемых ма гистралей в режимах их нормальной эксплуатации и защиту возводимых конструкций от каскадных процессов разрушения при аварийных воздей ствиях техногенного и природного характера, а также от последствий тер рористических актов.

В работе В.М. Фридкина «Критерии технического регулирования проект ных решений инженерных сооружений, возводимых в мегаполисах и крупных го родах России над путями железнодорожного транспорта» (подготовлена к печати в журнале «Вестник МГСУ») приведен подробный перечень критериев техниче ского регулирования таких линейно-протяженных конструкций, возводимых над действующими магистралями, на основе действующих отечественных норматив ных документов и мировой практики эксплуатации аналогичных конструкций, к которым отнесены, в числе прочего, «…совмещённые переходы через водные преграды, а также совмещённые эстакады, включая транспортные развязки в го родах и на выходах из крупных городов с двумя и более ярусами проезда для не скольких видов транспорта – автомобильного, железнодорожного, метрополите на, монорельсового, пешеходного, трамвая».

Относительная новизна самой потребности в подобных конструкциях и специфика их возведения предопределяют ограниченное число известных реали зованных проектов в этой области.

Среди первых городов, где появилась сеть двух и трехуровневых улиц и го родских дорог можно назвать города Чикаго и Атланту, США. В центральной ча сти этих городов в начале XX века остро встала проблема пропускной способно сти улиц. Для этого в Атланте в 20-е годы были сооружены бетонные эстакады [87], в результате нижний уровень стал использоваться преимущественно для служебного и грузового движения, а верхний стал основным. В настоящее время эта зона стала преимущественно торгово-пешеходной, поскольку границы города существенно расширились, и отпала необходимость использования этой террито рии по прямому назначению.

В Чикаго подобные улицы, возникшие в это же время, до сих пор исполь зуются по прямому назначению, при этом нижний уровень не имеет доступа для пешеходов и служит преимущественно для сквозного скоростного проезда авто транспорта, верхний – как обычные улицы [82]. Кроме того, в Чикаго существуют эстакады над улицами для линий метрополитена (рисунок 1.19). Такие эстакады сооружены в конце XIX века и эксплуатируются по настоящее время, но, в отли чие от рассмотренных выше, они выполнены из металлических конструкций.

Необходимо отметить, что осуществление таких проектов было невозможно без прекращения движения по надстраиваемой магистрали на время проведения ра бот.

Рисунок 1.19 – Эстакада метрополитена в Чикаго (США) К настоящему времени во многих крупных городах известны многоуровне вые транспортные магистрали, своего рода, галерейные системы. Среди них зна чительную долю занимают железобетонные конструкции. Часто конструкция опор таких магистралей, например, в городах Мехико (Мексика) и Манила (Фи липпины), представляет собой монолитную железобетонную раму, возводимую над магистралью 1 уровня (рисунок 1.20). На такие рамы устанавливаются в про дольном направлении балки пролётных строений второго уровня. В Москве при сооружении участка монорельсовой транспортной системы над трамвайной лини ей использовалась следующая конструкция: на опоры, возведенные по обеим сто ронам трамвайной линии, устанавливалась поперечная балка, на которую затем были уложены ходовые балки монорельса. Однако проведение строительных ра бот в 2002 г. потребовало прекращения движения трамваев на данном участке в течение нескольких месяцев (рисунок 1.21).

Рисунок 1.20 – Современные эстакады-галереи в Мехико (Мексика) и Маниле (Филиппины).

Рисунок 1.21 – Эстакада монорельса над трамвайной линией в Москве В то же время, в некоторых случаях такие конструкции сооружаются без прекращения движения по магистрали 1 уровня (рисунок 1.22). Такие примеры известны в Японии, где чрезвычайно высокая плотность городской застройки, с одной стороны, создает потребность в широком развитии многоуровневых транс портных эстакад, а с другой стороны, требует при их возведении или реконструк ции минимально ограничивать движение на существующих транспортных путях.

К примеру, при сооружении такой эстакады на магистрали «Аритас» за 4 года движение по действующей магистрали, остающейся на первом уровне, перекры валось лишь 27 раз в ночь с субботы на воскресенье, в общей сложности на часов [84].

Рисунок 1.22 – Надстраивание действующей эстакады в Осаке (Япония) Как отмечается в [84], на магистрали «Аритас» опоры сооружались из мо нолитного железобетона, где позволяло место на строительной площадке. В стес ненных условиях монтировались стальные колонны, для чего требовалось пере крыть одну полосу движения. Затем, движение по магистрали останавливалось для установки на опоры стальных поперечных балок коробчатого сечения длиной 33 м, перекрывающих проезжую часть. Продольные балки устанавливались с ми нимальным ограничением движения двумя способами [84]:

1. Продольная балка устанавливалась на подмости параллельно действующей магистрали и затем сдвигалась в поперечном направлении по поперечным балкам в проектное положение.

2. Продольная балка перемещалась вдоль трассы до установки в проектное положение на многоосных транспортерах.

В крупных городах Японии, в том числе, в Токио, железнодорожные пути проходят, как правило, по каменным или более современным железобетонным эс такадам. При этом пространство под эстакадой может использоваться максималь но возможным образом вплоть до возведения зданий под пролётными строения ми. Существуют конструкции таких эстакад из сборного железобетона, где опоры разнесены по сторонам пролётного строения, что конструктивно допускает дви жение транспорта на нижнем уровне (рисунок 1.23). Вместе с тем, такого исполь зования пространства под железнодорожными эстакадами на практике не наблю далось [89].

Рисунок 1.23 – Железнодорожный путепровод в Токио (Япония) Двухуровневая организация движения транспорта в параллельном направ лении весьма распространена с применением тоннелей. При этом в тоннеле рас полагается, как правило, рельсовая магистраль. Такая конструкция обеспечивает высокую степень защиты магистрали первого уровня от различных внешних воз действий техногенного характера и человеческого фактора. В нашей стране в ка честве одной из освоенных технологий строительства метрополитена получил распространение открытый способ строительства линий и станций метрополитена с применением конструкций из сборного железобетона [11].

Конструкция трехпролётной колонной станции определенными ограниче ниями может служить примером транспортной галереи из сборного железобетона.

Такие станции сооружались в массовом количестве во второй половине XX века в Москве и некоторых других городах СССР. В работе [11] приведена эта кон струкция, которая «…представляет собой трехпролётную раму равных пролётов, состоящую из монолитной железобетонной нижней плиты 1 … и сборных желе зобетонных элементов: стеновых ребристых блоков 2, блоков перекрытия 5, про гонов 5 и двух рядов колонн 4, опирающихся на башмаки 6» (рисунок 1.24). Из вестно расположение таких станций под проезжей частью городских улиц, парал лельных линии метрополитена, к примеру, на северо-западном участке Таганско Краснопресненской линии Московского метрополитена.


Рисунок 1.24 – Колонная станция метрополитена мелкого заложения [11] Наряду с меньшей трудоёмкостью и более быстрыми сроками строитель ства таких станций («…тоннели сооружаются общестроительными методами с применением высокопроизводительных машин и крупноразмерных конструкций на большой длине участка…») по сравнению со станциями, сооружаемыми за крытым способом, в той же работе [11] отмечены и технологические ограничения открытого способа работ, связанные с выработкой котлована, и как следствие, с нарушением «…нормальной жизни города в период строительства».

Из зарубежного опыта строительства галерейных систем такого типа следу ет отметить четырехпутный железнодорожный тоннель длиной около 3 км под улицей Парк-Авеню (Нью-Йорк, США) [81]. Тоннель в своем теперешнем виде сооружен в начале XX века открытым способом, над ним устроен бульвар, при этом крайние полосы движения автомобильной проезжей части также находятся над тоннелем (рисунок 1.25).

Отдельное место среди различных типов галерейных систем занимает кон струкция станции Мякинино Московского метрополитена, открытая в конце 2009 г. Эта наземная станция с береговыми платформами встроена в здание мно гоэтажной автомобильной стоянки. Конструкции стоянки, расположенные над станцией, поддерживаются колоннами, выполненными из стальных труб. Стены и перекрытия станции выполнены из монолитного железобетона. При этом обеспе чена независимая работа несущих конструкций объектов двух уровней, в том чис ле для повышения безопасности станции. Необходимо отметить, что это было но вое строительство вне ограничений городской застройки (рисунок 1.26).

Рисунок 1.25 – Портал ж.д. тоннеля под Парк Авеню, Нью-Йорк (США) Рисунок 1.26 – Строительство станции м. Мякинино (Москва) Таким образом, к настоящему времени известен ряд осуществленных про ектов двухуровневых транспортных магистралей, как автомобильных, так и сов мещённых с рельсовым транспортом. Эти проекты выполнены в разные годы, с использованием как металлических, так и железобетонных (сборных и монолит ных) несущих элементов. При необходимости защиты магистрали первого уровня от внешнего воздействия наиболее распространены защитные стены из железобе тонных блоков или устройство магистрали в тоннеле. Вместе с тем, технология строительства большинства таких объектов потребовало полное прекращение движения по магистрали первого уровня на время производства работ. Известно крайне ограниченное число проектов надстраивания действующих магистралей вторым уровнем практически без ограниения движения. Такие объекты располо жены преимущественно в Японии. Минимально допустимое влияние на движение по действующей магистрали и сжатые сроки возведения предопределили исполь зование в таких конструкциях сборных железобетонных и металлических несу щих монтажных элементов. Монтажный элемент [26] может быть использован в развитие конструктивных форм транспортных галерей, надстраиваемых над дей ствующими магистралями.

1.3. Выводы по главе В главе рассмотрены исторический опыт и современное применение про летных строений из сборного железобетона. Кроме того, в главе приведены неко торые известные примеры сооружения транспортных галерейных систем, а также варианты надстройки существующих магистралей вторым уровнем. На основе сравнительного анализа ряда осуществлённых отечественных и зарубежных про ектов сформулированы следующие выводы:

1. Темпы строительства мостовых сооружений с пролетными строениями пре имущественно из сборного железобетона существенно выше по сравнению с темпами возведения аналогичных объектов в монолитном исполнении.

2. Весьма распространенные за рубежом пролётные строения из сборных же лезобетонных коробчатых сегментов имеют повышенную строительную высоту по сравнению с многобалочными пролётными строениями и исполь зуются, преимущественно, для перекрытия больших пролётов.

3. Для повышения изгибной жёсткости пролётных строений из сборных реб ристых балок на кривых в плане участках мостового перехода известно применение железобетонных поперечных диафрагм, изготавливаемых в со ставе монтажных элементов балок, что повышает трудоёмкость производ ства таких элементов и требует омоноличивания монтажных соединений диафрагм на площадке строительства.

4. Конструкция стыка монтажных элементов нередко играет определяющую роль в надежности и технологичности всей конструкции из сборного желе зобетона.

5. Последние разработки универсальных монтажных соединений могут пре одолеть указанные выше недостатки балочных пролётных строений из сборного железобетона.

6. В некоторых крупных городах мира имеется весьма ограниченное число смешанных галерейных систем для движения автомобильного и рельсового транспорта, включающих как металлические, так и железобетонные пролёт ные строения. Значительное большинство таких конструкций представляет собой новое строительство или реконструкцию существующих магистралей с временным прекращением движения на время производства работ.

7. Единичные случаи надстройки действующих магистралей практически без остановки движения известны преимущественно в Японии. Техническая возможность таких решений связана с применением сборных конструкций, как правило, металлических.

8. Ограниченность применения в таких сборных конструкциях монтажных элементов из железобетона может быть связана, в том числе, с задачей надёжной, быстрой и технологичной стыковки монтажных элементов.

9. Эффективность решения задач развития конструктивных форм транспорт ных галерейных систем из сборного железобетона может определяться при менением наиболее технологичных стыковых соединений, в том числе, включающих последние отечественные разработки в этом направлении.

Таким образом, развитие конструктивных форм монтажных элементов из сборного железобетона с применением инновационных стыковых соединений может на современном этапе способствовать созданию ребристых пролетных строений пониженной строительной высоты, а также галерейных систем, возво димых над существующими магистралями с минимальным ограничением движе ния транспортных средств. При этом сохраняются известные преимущества сбор ного железобетона, связанные с поточным методом возведения мостовых соору жений.

Новые конструктивные решения транспортных эстакад 2.

из сборного железобетона Конструкции диафрагм и монтажных соединений продольных балок 2.1.

пролётного строения с поперечными диафрагмами В известных решениях стыковки диафрагм балочных железобетонных про лётных строений в стыках предусматриваются весьма трудоёмкие монтажные со единения арматуры, как сварные так и петлевые – с применением так называемо го «стыка Передерия», с последующим омоноличиванием зоны стыка в процессе монтажа. Вместе с тем, инновационное монтажное соединение железобетонных элементов [26], разработанное в Московском государственном университете пу тей сообщения, позволяет эффективно решить поставленную выше задачу созда ния высокотехнологичных и одновременно достаточно надёжных монтажных со единений для балочных диафрагменных пролётных строений автодорожных мо стов.

Работа монтажного стыка блоков сборных строительных конструкций пред ставлена в [26] следующим образом. «При эксплуатации созданного сборного же лезобетонного сооружения внутренняя потенциальная энергия деформации накапливается и распределяется между конструкцией и заполнителем в соответ ствии с закономерностями механики деформирования твердого тела в рамках пространственной задачи. Временная нагрузка над отдельным блоком за счет монтажных стыков включает в работу смежный блок, который, в свою очередь, включает в работу следующий, что повышает несущую способность создаваемых сооружений» [26].

Сущность рассматриваемого стыкового соединения заключается в том, что в сборной строительной конструкции железобетонные несущие монтажные эле менты включают закладные детали в виде полых элементов из отрезков труб, ко торые в процессе монтажа образуют сквозные отверстия. Эти отверстия располо жены соосно для всех объединенных в одном стыке монтажных элементов. С дру гой стороны, согласно изобретению [26], «…замыкающий элемент также выпол нен полым, из отрезка трубы, например, стальной» и жестко прикреплен кольце вым электросварным угловым швом по своим торцам к внутренней поверхности закладного элемента. Замыкающий элемент также может быть усилен заполните лем (бетоном), иметь дополнительную продольную стальную диафрагму или дру гие усиления, предусмотренные изобретением [26]. В целом, таковы основные конструктивные требования, накладываемые использованием данного стыка при развитии новых форм железобетонных монтажных элементов.

Развитие новых конструктивных форм пролётных строений из сборного же лезобетона проведено в направлении улучшения следующих показателей соору жения:

• технологичность, малые сроки возведения пролётных строений при их до статочной надёжности и долговечности, • экономичность конструкции по затратам материалов, • пониженная строительная высота пролётных строений, что всегда снижает затраты на создание транспортного перехода.


Для реализации возможно полного соответствия указанным факторам с уче том сравнительного анализа известных строительных решений, проведенного в главе 1, были разработаны новые конструктивные формы пролётных строений крупногабаритной перекрёстной структуры. Решение задачи обеспечения техно логичного возведения конструкций определило применение диафрагменных про лётных строений. В качестве базового варианта такая конструкция состоит из следующих основных несущих монтажных элементов:

• Ребристые балки, которые обеспечивают экономичный расход материалов при возведении пролётных строений средних пролётов и широко представ лены в современном ассортименте заводов мостовых железобетонных кон струкций.

• Поперечные диафрагмы, как самостоятельные монтажные элементы, слу жащие для объединения главных балок в перекрёстную структуру с целью перераспределения усилий между главными балками, в результате чего возможно применение балок меньшей высоты.

• Универсальное монтажное соединение [26], позволяющее быстро и техно логично объединить продольные балки и поперечные диафрагмы в несу щую перекрёстную структуру.

В простейшем случае конструкция состоит из шарнирно опертых железобе тонных однопролётных главных балок, объединяемых в пределах пролёта в жест кий пространственный каркас железобетонными диафрагмами с помощью мон тажного соединения [26]. Применение диафрагм позволяет варьировать шаг глав ных балок в поперечном направлении в зависимости от условий работы сооруже ния. Данная конструкция может применяться в качестве пролётного строения, например, автодорожных путепроводов, а также в качестве перекрытий сооруже ний (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Пример пролётного строения перекрёстной структуры с двутавровыми балками длиной 33 м с напрягаемой арматурой Железобетонная диафрагма представляет собой двутавровый в плане кон структивный элемент (рисунок 2.2). Он состоит из железобетонной стенки, вы полняющей основную несущую функцию элемента, и двух полок, через которые осуществляется соединение с главными балками конструкции и передача усилий на стенку. Простое и технологичное соединение с главными балками выполнено с помощью универсального монтажного элемента [26]. Для этого на каждой сто роне полки устроено две и более круглых металлических трубчатых закладных детали, образующих сквозные отверстия в железобетоне. Такие отверстия могут располагаться в пределах полки как вертикально, так и в шахматном или сотовом порядке.

Рисунок 2.2 – Варианты поперечных диафрагм Диаметр соединительных сквозных отверстий назначается по результатам аналитических или численных расчётов с учетом действующего сортамента ме таллических прокатных труб [16]. Минимальная толщина стенок используемых отрезков труб должна составлять не менее 5 мм при наружном диаметре от 102 мм для стали 10ХСНД. Допустимо использовать и высокопрочные легиро ванные стали, такие как 40Х. Способы армирования зон установки закладных де талей исчерпывающе представлены в [26]. Армирование стенки и полок диафраг мы выполняется по результатам расчетов и включает в себя рабочую и конструк тивную арматуру. Возможно применение типовых арматурных сеток и каркасов, применяемых в промышленном производстве ребристых балок из обычного желе зобетона.

Грани полок диафрагмы, примыкающие к главным балкам, должны обеспе чивать гладкую стыковку со стенками главных балок. В зависимости от формы используемых главных балок, грани полок диафрагмы могут быть как вертикаль ными, так и наклонными, параллельно стенкам главных балок. Грани полок, об ращенные внутрь диафрагмы, могут иметь плавные очертания для повышения технологичности процесса бетонирования диафрагмы. Габариты диафрагмы мо гут варьироваться в зависимости от условий строительства (рисунок 2.2).

Для стыковки главных балок с поперечными диафрагмами с использовани ем монтажного соединения [26] во всех стыкуемых стенках балок создаются круглые сквозные отверстия с помощью металлических трубчатых закладных де талей, аналогичных используемым в рассмотренной выше конструкции диафрагм.

Эти отверстия расположены соосно с отверстиями в полках стыкуемых диафрагм и имеют тот же диаметр. После установки стыкуемых монтажных элементов в проектное положение в образовавшееся сквозное отверстие монтируются замы кающие элементы, представляющие собой полые отрезки металлических труб, и производится усиление и финишная обработка стыка в соответствии с требовани ями, изложенными в заявке [26]. Количество и частота расположения мест соеди нений может быть определена в соответствии с расчётом. Основное условие – восприятие замыкающими трубчатыми элементами, расположенных в сквозных отверстиях, усилий на срез.

Закладные детали, устраиваемые в стенках стыкуемых железобетонных элементов, предназначены, помимо конструктивных требований, для восприятия напряжений, возникающих в этих стенках в области образованных сквозных от верстий. В теории упругости известна задача Кирша, в которой оценивается ко эффициент концентрации напряжений у круглого отверстия радиуса a в пластине при ее простом растяжении напряжением [1]. В работе [1] приведены выраже ния для поля нормальных напряжений и касательных напряжений у отверстия в полярной системе координат (r, ) с центром отсчёта в центре отверстия (=0 по оси действия простого растяжения ):

a2 a a r = 1 2 + 1 4 2 + 3 4 cos 2, 2 r r r a2 a = 1 + 2 + 1 3 4 cos 2, (2.1) 2 r r a a r = 1 + 2 2 3 4 sin 2.

2 r r Из формул (2.1) видно, что с удалением от отверстия ( r a, = ) поле напряжений быстро сходится к простому растяжению, действующему в пластине в рамках задачи Кирша. В то же время, на границе отверстия ( r = a, = ) нор мальные напряжения достигают величины 3, то есть «…коэффициент концен трации при одноосном растяжении у отверстия равен 3» [1]. Там же показано, что в случае чистого сдвига этот коэффициент равен уже 4. В монографии [60] пока зано, что подкрепление отверстий в пластинах кольцами, более жесткими, чем материал пластины, позволяют уменьшить напряжения за счет некоторого уве личения напряжений r. «При этом даже в предельном случае абсолютно жестко го кольца они остаются все же меньшими, чем напряжения, соответствующие случаю, когда материал пластинки и кольца одинаков» [60]. Например, для случая чистого сдвига коэффициент концентрации снижается с 4 до 1,5.

Других условий, влияющих на изменение конструкции главных балок, мон тажное соединение [26] не накладывает. В связи с этим, требуется лишь незначи тельная корректировка известных и освоенных промышленностью типовых про ектов ребристых балок, как таврового, так и двутаврового поперечного сечения, для использования их в качестве основных несущих элементов рассматриваемой конструкции. В свою очередь, монтажные блоки диафрагм весьма компактны и имеют достаточно простую опалубочную форму. Это означает, что все использу емые несущие конструктивные элементы могут как изготавливаться в промыш ленных масштабах заводами ЖБИ по типовым или индивидуальным проектам (с последующей транспортировкой их на строительную площадку, в том числе, ав томобильным транспортом), так и сооружаться непосредственно на строительной площадке объекта.

Конечно, устройство закладных деталей [26] усложняет изготовление мон тажных элементов, поскольку требует повышенной точности установки арматур ных каркасов и опалубочных форм. С другой стороны, возможность промышлен ного изготовления таких элементов предполагает и промышленные методы кон троля качества выпускаемых изделий. В главе 1 приведен также вариант исполь зования закладных деталей [26] для фиксации деталей опалубки на стадии произ водства монтажных элементов. Кроме того, известно применение специальных добавок к составу бетона [45], позволяющее исключить тепловую обработку в процессе заводского производства железобетонных элементов, что способствует снижению общих производственных затрат. Необходимо отметить, что заводское изготовление элементов конструкции позволяет к моменту возведения практиче ски исключить влияние длительных процессов в бетоне и обеспечивает усилен ный контроль качества используемых материалов.

Существует два возможных случая расстановки железобетонных диафрагм на плане пролётного строения. Оба случая имеют свои преимущества и недостат ки, как с точки зрения работы конструкции, так и в плане производства монтаж ных работ. Во-первых, (рисунок 2.3) возможна стыковка двух диафрагм к главной балке с обеих сторон балки через общие сквозные отверстия в ее стенке.

Рисунок 2.3 – Вариант стыковки поперечных диафрагм через общий замыкающий элемент В таком случае число необходимых отверстий в балках для организации пространственной структуры сводится к минимуму. В то же время, при этом воз растает нагрузка на замыкающие трубчатые элементы, а также повышаются тре бования к точности геометрического расположения отверстий во всех стыкуемых элементах. В качестве альтернативы возможна шахматная расстановка попереч ных диафрагм (рисунок 2.4). В этом случае снижаются требования к соосности расположения сквозных отверстий во всех балках поперек моста. Кроме того, за мыкающие трубчатые элементы передают нагрузку только на одну диафрагму.

Рисунок 2.4 – Вариант расстановки поперечных диафрагм в шахматном порядке Также возможна произвольная комбинация рассмотренных случаев расста новки диафрагм. По условиям работы конструкции может варьироваться как шаг и/или сечение балок, так и частота расстановки диафрагм. Такие мероприятия теоретически позволяют оптимизировать расход материала в конструкции про лётного строения. Допустима установка таких диафрагм между главными балка ми с непараллельными осями. Такое решение позволяет конструировать пролёт ные строения переменной ширины, что актуально при необходимости организа ции, к примеру, съезда с автодорожной эстакады. Для этого полки диафрагм должны быть не перпендикулярны стенке, причем под разными углами, чтобы оставаться параллельными осям смежных балок. Конструктивно это достигается незначительной корректировкой опалубки при изготовлении монтажного элемен та.

Монтаж перекрёстной структуры из главных балок пролётных строений (таврового или двутаврового сечения) и железобетонных поперечных диафрагм производится последовательно: сначала устанавливается первый ряд главных ба лок, к ним с одной стороны стыкуется диафрагма. Затем устанавливается на опо ры второй ряд главных балок, стыкуемых с диафрагмой с другой стороны. В каче стве альтернативы, стыковка второго и последующих рядов главных балок к диа фрагмам может выполняться через общие сквозные отверстия одновременно к двум прилегающим с разных сторон диафрагмам. Во всех случаях до окончатель ной стыковки с главными балками диафрагма должна быть установлена на вре менные подмости или жестко закреплена каким-либо иным способом.

В случае использования балок таврового сечения теоретически возможна установка диафрагм снизу после завершения монтажа главных балок (рису нок 2.5). Это также дает возможность провести реконструкцию существующего пролетного строения из таких балок, если технически допустима организация сквозных отверстий в существующих балках для крепления поперечных диа фрагм.

Рисунок 2.5 – Пример пролётного строения перекрёстной структуры с тавровыми балками 18 м (для автодорожного моста) Возможно применение предложенных железобетонных диафрагм как в ка честве элементов пространственной структуры перекрытий зданий, так и в про лётных строениях эстакад. Наиболее широкая область использования – автодо рожные эстакады, в том числе кривые в плане. Допустимо также применение та ких железобетонных диафрагм при строительстве эстакад, предназначенных для высокоскоростного железнодорожного сообщения. Для данного случая возможна конструктивная схема пролётного строения, включающая две двутавровых глав ных балки, объединенных предлагаемыми диафрагмами.

Класс бетона, используемого в производстве конструктивных элементов диафрагм, должен быть не ниже класса бетона стыкуемых главных балок и может быть уточнен по результатам расчета.

В данном разделе приведен базовый вариант однопролётной перекрёстной несущей структуры из сборного железобетона, образованной продольными бал ками и поперечными диафрагмами с помощью технологичного монтажного со единения [26]. Возможно дальнейшее развитие рассмотренных конструктивных форм монтажных элементов пролётного строения в направлении усиления прио порной зоны.

Усиление приопорных зон пролётных строений 2.2.

транспортной эстакады Разрезные балочные пролётные строения, в том числе, новые конструктив ные формы, рассмотренные в разделе 2.1, при всех преимуществах статически определимой схемы работы и относительной простоте монтажа, имеют повышен ную строительную высоту для увеличения изгибной жесткости в средней зоне пролёта [74]. Для снижения строительной высоты однопролётные балки объеди няют в продольном направлении в неразрезную структуру. В главе 1 рассматри вался ряд известных способов создания неразрезной схемы работы для сборных железобетонных пролётных строений. Так, весьма распространено соединение выпусков рабочей арматуры в надопорной зоне балок смежных пролётов с даль нейшим омоноличиванием этой зоны, а также последующий пропуск по специ альным каналам по длине всего мостового перехода пучков напрягаемой армату ры [80].

Вместе с тем, объём трудозатрат, связанных со стыковкой арматуры и мо нолитными работами, можно существенно сократить с помощью дополнительных конструктивных элементов, объединяемых в единую структуру трубчатым мон тажным соединением [26]. Такие монтажные элементы делают возможным разви тие рассмотренной в разделе 2.1 конструктивной формы в «упруго защемлён ную», что должно способствовать более равномерному распределению изгибаю щих моментов от постоянной и временной нагрузки по всей длине мостового пе рехода. Поскольку рассматривается объединение пролётных строений перекрёст ной структуры, то можно говорить о повышении совместной работы несущих элементов по всей площади сооружения.

Дополнительные монтажные элементы, служащие для решения поставлен ной выше задачи, включают в себя:

• специальные надопорные железобетонные балки, воспринимающие значи тельную часть временной нагрузки в надопорных зонах и перераспределя ющую её между смежными продольными главными балками смежных про летов, • металлические надопорные стяжки, служащие для недопущения темпера турных деформаций продольных главных балок смежных пролётов, • металлические болты, служащие для крепления стяжек к главным балкам подобно замыкающим трубчатым элементам [26].

Принципиально создание упруго защемлённой конструкции из пролётных строений перекрёстной структуры представляет собой объединение в зоне опоры двух соседних главных балок одного пролёта и соосных с ними двух главных ба лок смежного пролёта с помощью дополнительной короткой железобетонной балки (рисунок 2.6). Этот монтажный элемент должен быть установлен на ригель опоры в средней зоне своего пролёта между главными балками параллельно их осям. Такая балка консольно выступает в каждый из смежных пролётов, перекры вая менее половины длины каждого смежного пролёта. Балка должна быть объ единена с двух сторон с примыкающими главными балками соседних пролётов с помощью поперечных диафрагм, аналогичных подробно рассмотренных в разде ле 2.1. Соединение этой балки с диафрагмами осуществляется аналогично глав ным балкам с помощью замыкающих трубчатых элементов [26]. При этом целе сообразно объединять диафрагмы с обеих сторон стенки через общие сквозные отверстия в ней. Рассматриваемая балка имеет двутавровое или тавровое сечение, в зависимости от условий работы (рисунок 2.7).

Рисунок 2.6 – Вид в плане упруго защемлённого пролётного строения Рисунок 2.7 – Варианты поперечных сечений дополнительной балки Если рассматривать поперечное сечение пролётного строения, балка должна свободно размещаться в пространстве, ограниченном стенками и плитами глав ных балок. Следовательно, эта балка имеет строительную высоту меньшую, чем, у главных балок на высоту плиты главных балок с необходимыми допусками. При этом в плане плиты главных балок частично перекрывают плиту дополнительной балки, что дает возможность объединить их в этом месте с помощью монтажного соединения [26].

Объединённые главные балки и дополнительные балки располагаются на ригеле общей промежуточной опоры. Количество монтажных соединений плит стыкуемых балок и поперечных диафрагм, необходимое для передачи усилия с главных балок на дополнительную балку, определяется в соответствии с расчё том. Оставшееся пространство между плитами соседних главных балок (над пли той дополнительной балки) может быть омоноличено и дополнительно включено в работу конструкции. Подобным образом объединяются все главные балки попе рек моста, формируя упруго защемлённую структуру.

Необходимо отметить, что температурные деформации главных балок такой конструкции при перекрытии значительных пролётов могут вызывать чрезмерные дополнительные поперечные усилия в замыкающих трубчатых элементах между главными балками и дополнительной балкой, а также в поперечных диафрагмах.

Для недопущения таких деформаций главных балок дополнительно могут быть применены металлические стяжки, объединяющие соосные балки соседних про лётов (рисунок 2.8). Крепление таких стяжек с обеих сторон стенок главных балок осуществляется металлическими болтами, проходящими через сквозные отвер стия в стенках главных балок с помощью закладных деталей, аналогичных [26].

На концах металлических болтов приварены шайбы.

Необходимое количество монтажных отверстий и геометрические размеры стяжек могут быть определены расчетом. Такие отверстия могут располагаться как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости стяжки. Такое конструк тивное решение технически оправдано для прямых участков трассы.

Рисунок 2.8 – Пример металлической стяжки для недопущения температурных деформаций Поперечный шов между плитами главных балок смежных пролетов заделы вается для герметизации Т-образным металлическим профилем.

В данном разделе был предложен способ создания упруго защемлённого пролётного строения перекрёстной структуры из сборного железобетона с помо щью дополнительных монтажных элементов. Объединение монтажных элементов балок пролётных строений в упруго защемлённую схему предложенным спосо бом позволяет:

• снизить строительную высоту конструкции, • обойтись без омоноличивания надопорного стыка главных балок с объеди нением арматурных выпусков, что существенно повышает темпы возведе ния конструкции.

Технология монтажа такого узла конструкции подробно рассмотрена в гла ве 3. Пролётные строения перекрёстной структуры из сборных железобетонных элементов (следовательно, пониженной строительной высоты) могут также найти применение в конструкции транспортных эстакад, надстраиваемых над действу ющими магистралями.

Несущие конструкции двухуровневых галерей для возведения 2.3.

над существующими транспортными магистралями Задача надстраивания действующих магистралей вторым уровнем может быть успешно решена применением сборных конструкций из железобетонных монтажных элементов, создаваемых по аналогии с рассмотренными в предыду щих разделах данной главы. К преимуществам такой конструкции относятся:

• технологичная стыковка монтажных элементов с помощью универсального монтажного соединения [26], • большое количество однотипных и одинаковых монтажных элементов, что удобно для рассматриваемых линейно-протяженных конструкций, посколь ку упрощает промышленное производство элементов и поточный метод возведения, • пониженная строительная высота пролётных строений, благодаря использо ванию перекрёстной структуры из совместно работающих продольных реб ристых балок и поперечных диафрагм.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.