Долговечность железобетонных конструкций транспортных сооружений


В. Г. Пастушков






            ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ



Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 624.21.095.3
ББК 38.53
     П19



Рецензент: действительный член РАТ, МАН ВШ, ЖКАРФ, АПКРФ, ASCE, IABSE, RILEM, д-р техн. наук, проф. Саратовского государственного технического университета И. Г. Овчинников





     Пастушков, В. Г.

П19 Долговечность железобетонных конструкций транспортных сооружений : монография / В. Г. Пастушков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 148 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0989-6

     Изложены вопросы расчёта напряжённо-деформированного состояния и долговечности проезжей части малых пролётных строений транспортных сооружений. Приведены основные принципы проектирования железобетонных мостовых конструкций с уровнем надежности, заложенным в нормы. Дана оценка долговечности железобетонных плит проезжей части по признаку выносливости бетона. Рассмотрены особенности экспериментального проектирования и строительства пешеходных мостов.
     Для инженерно-технических и научных работников проектных, дорожностроительных организаций, а также для преподавателей, студентов и аспирантов, обучающихся по направлению «Строительство».

УДК 624.21.095.3
                                                       ББК38.53








ISBN 978-5-9729-0989-6

     © Пастушков В. Г., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................4
1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ...................................7
Выводы по разделу 1......................................30
2. ВЛИЯНИЕ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ............................32
Выводы по разделу 2......................................53
3. ПРОГНОЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ПЛИТЫ ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ...........................................54
Выводы по разделу 3......................................75
4. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МНОГОСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ..................76
Выводы по разделу 4......................................91
5. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ...............................................92
Выводы по разделу 5.....................................132
Рекомендации по практическому использованию результатов.133
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................134
Список публикаций авторов...............................142

3

    ВВЕДЕНИЕ


    Транспортные сооружения, эксплуатируемые на автомобильных дорогах России и Республики Беларусь, включают мосты и путепроводы, эстакады, многоярусные транспортные пересечения, пешеходные тоннели, засыпные водопропускные сооружения и т.д. Эти транспортные сооружения построены в разное время по индивидуальным или типовым проектам, разработанным на основе нескольких поколений нормативных документов.
    Среди всех транспортных сооружений наиболее распространены железобетонные мосты всех разновидностей и трубы. В последние годы широкое применение получают городские железобетонные транспортные сооружения, в том числе подземные.
    Опыт эксплуатации транспортных сооружений свидетельствует о том, что при действующих нагрузках под влиянием агрессивных воздействий окружающей среды их несущая способность и долговечность, в первую очередь железобетонных мостов, значительно снижаются.
    Проблема долговечности приобретает в последнее время первостепенное значение, о чем свидетельствуют результаты обследований преждевременно выходящих из строя несущих конструкций транспортных сооружений.
    К основным причинам, приводящим к ухудшению технического состояния транспортных сооружений, можно отнести следующие:
    -  непрерывный рост подвижных нагрузок и интенсивности движения;
    -  усиление влияния агрессивности окружающей среды;
    -      недооценка значимости проблемы эксплуатации и содержания транспортных сооружений;
    -      отсутствие четких сведений о физико-химических, химических и других факторах, действующих на конструкции сооружений и способных привести к снижению их долговечности;
    -      отсутствие работающих систем управления эксплуатацией сооружений, плохой уровень оснащенности современными приборами и оборудованием как эксплуатирующих организаций, так и специализированных лабораторий научноисследовательских организаций и высших учебных заведений;
    -      отсутствие комплексного подхода к решению вопросов первичной и вторичной защиты от коррозии железобетонных элементов сооружений при воздействии агрессивной среды и др.
    Усиленное внимание к исследованию работы конструкции проезжей части, обусловленное ее ведущей ролью в обеспечении долговечности транспортного сооружения, вполне закономерно.
    Следует отметить два характерных типа конструктивных решений проезжей части транспортных сооружений:
    -      одежда ездового полотна устраивается непосредственно на железобетонной плите проезжей части;
    -      дорожное покрытие отделено от конструкции гидрозащиты и плиты покрытия засыпного транспортного сооружения грунтовой засыпкой.

4

    Если конструктивные слои проезжей части первого типа при наличии серьезных повреждений могут быть заменены, то для второго типа это трудновыполнимо или практически невозможно. Поэтому и требования к долговечности конструкций проезжей части второго типа должны быть выше.
    Низкое качество и несовершенство конструкции гидрозащиты приводят к тому, что в результате агрессии воды с солями на плиты проезжей части бетон плиты деградирует, и срок ее службы резко сокращается.
    В сложившейся практике проектирования и эксплуатации, при отсутствии расчетного инструмента, прогнозирующего степень износа конструкции в момент наступления опасного состояния, этот процесс трудно предсказуем и практически не управляется.
    Существующие нормативные методы расчета являются полувероятностными и прямо не учитывают фактор времени, а также повреждения различного рода, появляющиеся в процессе эксплуатации сооружений. Возникает проблема оценки изменения напряженно-деформированного состояния конструкции, связанного с постоянным ростом подвижных нагрузок и накапливающихся повреждений.
    Определение напряженно-деформированного состояния с оценкой спада ресурса сооружения во времени представляет собой сложнейшую задачу проектирования и эксплуатации. В процессе диагностики необходимо выявить не только сами повреждения, но и вызвавшие их причины.
    Решение комплекса вопросов, связанных с выбором конструктивных слоев проезжей части транспортных сооружений и определением изменения их напряженно-деформированного состояния с течением времени, а также обеспечением требуемой системы контроля качества, позволит обеспечить надежную защиту плит проезжей части сооружений и строить сооружения, обладающие высокой эксплуатационной долговечностью.
    Важное место в решении вопросов проектирования конструкции проезжей части занимают учет изменения напряженного состояния с течением времени и определение срока службы многослойной конструкции. В действующих нормативных документах вопросы комплексного проектирования плит с учетом напряженно-деформированного состояния составной конструкции не нашли должного отражения.
    Актуальность выполняемых исследований несомненна, так как продление срока службы транспортных сооружений является важнейшей народнохозяйственной задачей.
    Целью исследования (раздел 1-5) является разработка научно обоснованного метода расчета напряженно-деформированного состояния и долговечности многослойной составной конструкции проезжей части транспортных сооружений на основе деформационной модели с учетом трансформации диаграмм деформирования материалов во времени
    Задачи исследования:
    -      разработать метод расчета многослойных составных конструкций на основе деформационной модели с учетом трансформации диаграмм деформирования материалов во времени;

5

     -     разработать методику расчета-прогноза долговечности конструктивных слоев проезжей части;
     -     получить экспериментальные данные для построения диаграмм деформирования материалов с учетом их трансформации во времени;
     -     разработать конструктивные решения проезжей части транспортных сооружений с устройством гидроизоляции повышенной прочности и деформативности;
     -     получить экспериментальное подтверждение разработанного метода расчета при обследовании, проектировании и строительстве объектов транспортных сооружений.
     В результате были получены основные научные результаты:
     1.     Предложен новый научно обоснованный метод расчета многослойных конструкций проезжей части при действии изменяющихся во времени значений нагрузок и прочности материалов.
     2.     Разработан метод расчета с оценкой изменения напряженно-деформированного состояния многослойной конструкции проезжей части транспортных сооружений во времени на основе деформационной модели с использованием диаграмм деформирования материалов. Разработаны расчетные базовые диаграммы «напряжение - деформация - время» для бетона в начале эксплуатации и их трансформация при действии многократно-повторных загружений в стадии эксплуатации.
     3.     Метод расчета по предельным состояниям дополнен новым предельным состоянием 2-й группы - расчетом на долговечность.
     4.     Предложены гидроизоляционные материалы с повышенной прочностью на растяжение (не менее 4,5 МПа) и деформативностью (относительное удлинение - не менее 250 %), которые позволяют обеспечить работу гидроизоляции без разрыва при образовании на изолируемой поверхности плиты проезжей части трещин с раскрытием до 0,2-0,3 мм.
     5.     Для полидисперсной системы «битумно-полимерное вяжущее - цементобетонная поверхность» установлена оптимальная область содержания вяжущего, при котором его адгезия к бетонной поверхности имеет наибольшее значение. За пределами этой области адгезия вяжущего к бетонной поверхности резко снижается.
     6.     Даны предложения по выбору многослойной конструкции проезжей части требуемой долговечности в зависимости от принятого конструктивного решения сооружения.
     Новое решение конструкции проезжей части повышенной долговечности в виде монолитной плиты покрытия с гидрозащитой с использованием геосинтетиков апробировано при строительстве экспериментального подземного транспортного сооружения в г. Минске. Проведенные натурные экспериментальные исследования при действии испытательной нагрузки, соответствующей проектной, показали надежную работу предложенной конструкции проезжей части. Новое решение гидрозащиты оказалось дешевле традиционного примерно на 25% и в 2,5 раза менее трудоемко.

6

    1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

    Типы железобетонных мостовых сооружении и особенности их эксплуатации

    Мостовые сооружения России и Республики Беларусь, построенные в разное время, отличаются по своим техническим параметрам, имеют различную конструкцию и техническое состояние. Они были запроектированы по ранее действовавшим нормативам СССР и обладают различной грузоподъемностью.
    В настоящее время в Республике Беларусь на автомобильных дорогах общего пользования эксплуатируется свыше 6 тысяч мостов и путепроводов. Из них большие и средние мосты составляют 37,3 % и по протяженности 75,5 %, а малые соответственно 62,7 % и 24,5 %. На дорогах республиканского значения находится около 50 % мостов, протяженностью свыше 82 %. Остальные находятся на местных дорогах (рисунок 1.1, 1.2). Самый длинный мост на реке Припять в районе г. Мозырь имеет протяженность свыше 1000 м. К числу больших относятся мосты на реках Березина (г. Бобруйск), Днепр (дорога С. Петербург - Одесса), Сож (дорога Буда-Кошелево - Чериков) и др. [53].
    Мостовые сооружения принято классифицировать по типам и назначению, по материалам, по основным параметрам (длине, ширине, числу пролетов), капитальности и сроку службы, по методам строительства.
    Абсолютное большинство малых и средних мостов - железобетонные. Пролетные строения 70 % железобетонных мостов балочного типа и 30 % - плитные. Опоры изготавливают преимущественно из железобетонных свай, но имеют место опоры в виде железобетонных стенок и стоек. Мостовое полотно - асфальтобетонное. Путепроводы и большие мосты имеют, как правило, более сложную конструкцию как пролетного строения, так и опор. Здесь можно встретить балки коробчатого сечения, сваи-оболочки и другие конструктивные элементы.
    Начиная с середины прошлого века в нашей стране происходило постоянное совершенствование конструкций сборных железобетонных пролетных строений с минимумом выполнения мокрых работ на строительной площадке. Главной особенностью мостов, сооруженных в России и Республике Беларусь, являются их небольшие пролеты, в основном в диапазоне от 6 до 42 метров. Наиболее многочисленную группу составляют сборные балочные разрезные мосты.
    Уже в 1950-е годы широкое распространение получили сборные диафрагменные пролетные строения с балками с каркасной арматурой (типовой проект 56), сборность которых достигала 100 % (рисунок 1.3). Соединение таких балок выполнялось при помощи диафрагм, а плиты проезжей части работали как консоли. При таком конструктивном решении происходило быстрое разрушение гидроизоляционного слоя, а протечки (с солями) способствовали возникновению и развитию дефектов и повреждений, деградации структуры и снижению прочности бетона конструктивных элементов.


7

        Годы

Рисунок 1.1 - Количество автодорожных мостов и путепроводов, возведенных в 1941-1992 гг.


Рисунок 1.2 - Количество городских мостов, возведенных в 1938-1990 гг.

8

а-с балками длиной 22,16 м;б- разрезной с балками длиной 11,36 м; 1- диафрагмы;
2 - объединяющие металлические накладки


Рисунок 1.3 - Конструкции сборных диафрагменных пролетных строений из балок с многорядной каркасной арматурой

а - фасад и поперечный разрез; б - поперечный разрез; в - деталь объединения балок

Рисунок 1.4 - Конструкция сборного без диафрагменного пролетного строения из балок с многорядной каркасной арматурой


9

    Практически от 80 до 90 % плит проезжей части автодорожных мостов такой конструкции работают с недопустимо низким уровнем надежности: фактический срок их службы без капитального ремонта составил всего 20-25 лет. В настоящее время стоит вопрос о полной замене пролетных строений таких мостов, как не удовлетворяющих требованиям эксплуатационной надежности.
    Трудоемкость изготовления предварительно напряженных балок с диафрагмами заставила перейти к более простым и технологичным балкам, не имеющим диафрагм. С начала 70-х годов прошлого столетия широкое распространение получило строительство разрезных без диафрагменных балочных пролетных строений с пролетами от 12 до 42 метров (рисунок 1.4).
    В без диафрагменных пролетных строениях объединение балок в единую пространственную конструкцию происходило по плите проезжей части при помощи небольших по ширине продольных стыков Передерия, выполняемых с помощью петлевых арматурных выпусков, внутри которых бетон работает в условиях всестороннего сжатия. Стык Передерия является универсальным, так как обеспечивает работу объединенной конструкции не только на срез и изгиб, но и на растяжение. По ширине стык назначался не менее 300 мм для взаимной анкеровки арматуры соединяемых элементов. После прокладки продольной арматуры стык бетонировался, и после набора бетоном прочности конструкция могла включаться в пространственную работу. Однако стыку Передерия присущи низкая трещиностойкость и большая, по сравнению с монолитным сечением, податливость. В без диафрагменном пролетном строении часто наблюдалось нарушение монолитности плиты и гидроизоляции вдоль продольных стыков, особенно около крайних балок, деструктивные процессы в бетоне омоноличивания и выкрашивание бетона околошовной зоны плиты под действием усилий от нагрузок. Как правило, при повышенных нагрузках происходит ухудшение пространственной работы пролетных строений и их постепенное расчленение продольными трещинами по плите проезжей части на отдельные блоки.
    Были предложены и другие конструктивные решения стыковки балок в единую пространственную конструкцию с минимумом «мокрых работ». И хотя не все из применяемых решений бесспорны, но в каждом из них присутствовало стремление создать непрерывную плиту проезжей части, обеспечить взаимодействие отдельных плит в составе пролетного строения при местном действии нагрузки.
    Однако минимизация объема бетона омоноличивания не способствовала повышению надежности соединений в эксплуатации.
    Долговечность железобетонных конструкций зависит от многочисленных факторов и в первую очередь от силовых, тепловлажностных и агрессивных воздействий окружающей среды.
    Опыт эксплуатации автодорожных мостов в климатических условиях Республики Беларусь свидетельствует о том, что под влиянием окружающей среды совместно с действующими нагрузками несущая способность и долговечность балочных железобетонных мостов значительно снижаются.

10

    Конструкции проезжей части мостовых сооружений работают в особо сложных эксплуатационных условиях. Уровень напряжений в тонкостенных элементах проезжей части от действия постоянных нагрузок мал, и при прохождении по мосту временных нагрузок в элементах проезжей части возникает не только пульсирующий цикл напряженно-деформированного состояния, но и знакопеременные чрезвычайно жесткие режимные нагружения, при которых происходит накопление усталостных повреждений, появляются и развиваются трещины.
    Следует отметить, что ранее действовавшие нормативные документы, по которым выполнялось проектирование железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, не содержат расчета на выносливость.
    Так как дефекты и повреждения мостового полотна и плиты проезжей части определяют долговечность мостового сооружения в целом, то вопросам проектирования и правильной эксплуатации элементов проезжей части должно уделяться особое внимание.
    В последние годы возросли требования СНиП 2.05.03-84* [90] к величине защитного слоя бетона в плитах проезжей части, что привело к необходимости при новом проектировании увеличивать их толщины на20 ... 30 мм.
    Таким образом, толщина плиты по ранее разработанным проектам оказывается недостаточной и не удовлетворяющей современным требованиям обеспечения долговечности конструкции.
    Среди факторов, приводящих к ухудшению технического состояния плит проезжей части мостов, следует рассматривать несовершенство конструкции гидроизоляции и водоотвода. В результате сульфатной агрессии происходит деградация структуры бетона плиты проезжей части, цементный раствор выщелачивается, прочность бетона снижается, что приводит к сокращению срока службы. Без качественного улучшения конструкции гидроизоляции и самого мостового полотна невозможно решить проблему повышения долговечности мостового сооружения.
    Балочные пролетные строения из монолитного железобетона по сравнению с балочными пролетными строениями из сборного железобетона имели, как правило, более низкую прочность бетона (до 30 МПа), более массивные поперечные сечения, армированные стержнями из гладкой арматуры диаметром до 40 мм, большую толщину бетона защитного слоя (40 мм). Состояние таких пролетных строений в основном удовлетворительное.
    Однако и эти конструкции в настоящее время подверглись как физическому, так и моральному износу. Физический износ обусловлен состоянием гидроизоляции в отдельные периоды их эксплуатации, механическими повреждениями, разрушением бетона защитного слоя, коррозией арматуры по нижним граням плиты и ребер, моральный - изменением параметров нагрузок, несоответствием габаритов ездового полотна, интенсивности движения.
    Строительство монолитных железобетонных мостовых сооружений, избавленных в ряде случаев от перечисленных недостатков, широко распространено зарубежом (рисунок 1.5).

11