Соединения в сборной железобетонной проезжей части
|
Основные виды соединений В сборной железобетонной проезжей части следует различать прежде всего объединительные швы, передающие преимущественно сдвигающие, а также вертикальные (прижимающие и отрывающие) усилия, и стыковые швы, передающие главным образом перпендикулярные к шву горизонтальные усилия, а также изгибающие моменты и поперечные силы в плите. Кроме того, в случаях стыкования плиты над теми элементами, с которыми она объединяется (над главными, поперечными, продольными балками и т. д.), применяют совмещенные швы, выполняющие одновременно функции объединения и стыкования. Отдельно надо сказать о швах прикрепления к главным фермам поперечных ребер, горизонтальных диафрагм и других элементов. Эти швы имеют небольшую длину, позволяющую полагать распределение сдвигающих усилий равномерным. В швах сборной железобетонной проезжей части применяют многие виды соединений: вязку арматуры шва, сварку арматурных выпусков, сварку и приварку закладных деталей, высокопрочные болты с использованием закладных деталей, обычные болты (и даже заклепки) с использованием закладных деталей и рассверлозкой отверстий на монтаже, высокопрочные болты (или высокопрочную арматуру), обжимающие бетон, замоноличивание различных видов, сухое упирание. Виды замоноличивания также весьма разнообразны. Наиболее распространенным до последнего времени было замоноличивание швов и окон бетоном на мелком заполнителе. При этом толщина швов должна быть не менее 4—6 см. Швы меньшей толщины (1—3 см, иногда и больше) часто замоноличивают укладкой цементно-песчаного раствора или иногда зачеканкой жестким раствором. Имеется заслуживающий серьезного внимания опыт инъецирования в швы текучего цементно-песчаного (или цементного при толщине швов около 1 см) раствора под давлением. Перспективным является также заполнение швов толщиной около 1 см клее-песчаным раствором. Наиболее тонкие швы можно заполнять цементным клеем, эпоксидным клеем или сухим цементным порошком. Швы, в которых нет соединений посредством стальных деталей, способны передавать сжимающие и в некоторой степени сдвигающие усилия и напряжения. Швы с соединением, натяжением или заанкериванием стальных частей можно запроектировать равноценными с соединяемыми элементами по прочности и трещиностойкости на передачу всех видов усилий и напряжений, в том числе и растягивающих. Назначением замоноличивания является либо только увеличение долговечности сборной конструкции (предупреждение коррозии стали, выщелачивания бетона и т. д.), либо также и частичная или полная передача усилий (сжимающих или сдвигающих) через материал замоноличизания. Замоноличивание почти всеми применяемыми в настоящее время материалами (бетоном, раствором, клеем) является мокрым процессом, затрудняющим производство работ, особенно в зимних условиях. Наименее удобны для производства работ швы, не способные передавать усилия до того, как будет выполнено замоноличивание и материал его затвердеет. Значительно лучше с этой точки зрения так называемые монтажно-сухие швы, которые способны передавать без замоноличивания монтажные усилия, усилия временной эксплуатации или даже полное расчетное усилие, но требуют последующего замоноличивания (в теплое время года), чтобы придать конструкции долговечность или также увеличить несущую способность шва. И наконец, оптимальны с точки зрения производства работ сухие швы, вообще не требующие замоноличивания. Однако удовлетворительных конструкций сухих стыковых швов сборной железобетонной плиты пока еще нет. Экспериментальные исследования соединений При проектировании соединений, применяемых в сборной проезжей части сталежелезобетонных мостов, можно использовать значительный экспериментальный материал, накопленный в связи с применением аналогичных соединений в железобетонных мостах. Несколько типов конструкций стыков железобетонных плит было специально исследовано в ЦНИИСе под руководством автора. Опытные образцы, испытанные в 1958—1959 гг., состояли из двух блоков (бетон Rкуб = 300 кГ/см2) со швами, замоноличенными бетоном на мелком заполнителе (Rкуб = 350/400 кГ/см2). Продольную арматуру (сталь Ст. 3) перекрывали петлевым стыком с цилиндрическим ядром (рис. 145, а), плоскими закладными деталями, соединенными сваркой (рис. 145, б), и накладками, прижатыми высокопрочными болтами к фрезерованным торцам трубчатых закладных деталей (рис. 145, в). Испытания подтвердили, что при работе на сжатие швов, имеющих петлевые стыки с цилиндрическим ядром, арматура фактически оказывается неперекрытой. Неупругие деформации оказались наибольшими при петлевых стыках, причем полные относительные деформации сжатия в шве εшв в несколько раз превосходили полные относительные деформации обжатия в блоках εбл (табл. 19).  При пульсационных испытаниях таких образцов на сжатие (р = 0,2) в швах раскрывались поперечные трещины. При увеличении нагрузки до Рмакс бетон в шве необратимо сминался под арматурными петлями, и при уменьшении нагрузки до Рмин происходила обратная упругая деформация сместившейся арматуры, разрывавшая бетон. В результате сжимающих пульсационных воздействий разрушение при петлевых стыках всегда происходило по шву, хотя прочность бетона в шве была больше, чем в блоках. Испытания на сжатие швов со сварными стыками и стыками на высокопрочных болтах дали вполне удовлетворительные результаты. В них не было больших дополнительных деформаций обжатия швов, которые, как указывалось ранее, вызывают не только общее перераспределение усилий между железобетоном и сталью (учитываемое в соответствующих случаях расчетом), но и местные перенапряжения в стальной конструкции, объединенной с железобетоном.   В испытаниях на растяжение трещины при петлевых стыках концентрировались в шве (по плоскостям контакта бетона блоков с бетоном замоноличивания), а при других видах стыков распределялись по всей длине образца достаточно равномерно. Деформации в швах с петлевыми стыками были в 9—13 раз больше, чем при других видах стыков (см. табл. 19). Таким образом, испытания выявили неудовлетворительную работу петлевых стыков с цилиндрическим ядром. В 1961 г. испытывали образцы со швами без стыкования арматуры (рис. 145, г) и со швами, перекрытыми накладками, прижатыми высокопрочными болтами-глухарями к плоским закладным деталям (рис. 145, д). Образцы по рис. 145, г испытывали в трех вариантах: насухо; с непосредственным упором торцов и инъецированным в неплотности шва раствором; со швом толщиной 2 см, заполненным раствором обычным способом. Образцы по рис. 145, д испытывали со швом, незамоноличенным и замоноличенным бетоном на мелком заполнителе. Целью испытаний была проверка возможности использования стыков как монтажно-сухих, т. е. когда они работают насухо на ограниченные усилия, соответствующие условиям монтажа или временной эксплуатации, и приобретают полную грузоподъемность после замоноличивания (инъецированием или другим способом) в теплое время года. По сравнению с вариантом, имеющим обычное замоноличивание, испытания образцов по рис. 145,г в сухом варианте показали уменьшение несущей способности в среднем на 43% и увеличение деформативности шва в 6,5 раза, а испытания их в варианте с инъецированным раствором — уменьшение несущей способности в среднем на 30% и увеличение деформативности шва в среднем в 3,5 раза. Если при обычном замоноличивании образец разрушался почти всем объемом, то при сухом упирании и заполнении неплотностей инъецированием трещины и разрушения сосредоточивались около шва. Следует отметить, что качество заполнения неплотностей инъецированным раствором было не вполне удовлетворительным.  Испытания образцов по рис. 145, д показали, что деформативность при незамоноличенном шве в 3,5 раза больше, чем при замоноличенном. Были измерены также значительные деформации изгиба стальных накладок из их плоскости, по-видимому, от эксцентричного приложения сжимающих сил. Экспериментальные разрушающие нагрузки при замоноличенных швах были близки к теоретическим. Экспериментальные данные о работе соединений сборной железобетонной проезжей части получены не только на образцах стыков плит, но и на образцах объединения железобетона и стали, работающих на продавливание и на моделях объединенных балок. В результате пульсационных испытаний ни в одном из стыков и присоединений не отмечено разрушений сварных швов, хотя эти швы рассчитывали на выносливость при неполном учете всех концентраций напряжений. Установлено, что наличие бетона, а также раствора подливки облегчает условия работы фланговых швов. Пульсационными испытаниями проверена также надежность защиты раствором закладных деталей после сварки при отсутствии специальной анкеровки раствора ( см. рис. 117, г и д). Образцы по рис. 117, е и ж показали дополнительные деформации сдвига от значительных эксцентрицитетов прикрепления закладных деталей к полкам высокопрочными болтами. При подливке эти деформации были много меньше, чем без нее. Исследования допустимости и условий сварки в контакте с бетоном показали, что сварочные высокие температуры распространяются в бетоне на небольшую глубину (рис. 146), а снижение его прочности происходит в слое толщиной всего от 2 до 6 мм и шириной 10—15 мм, что может иметь значение только при работе бетона под закладной деталью на местное смятие. В остальных случаях сварка в контакте с бетоном, вообще говоря, допустима. Однако закладные детали подвергаются от сварки короблению и сцепление их с бетоном нарушается. Во избежание коррозии в образующейся щели такие закладные детали необходимо закрывать после сварки защитным слоем бетона или раствора. Наложение сварных швов ближе 25 мм от поверхности бетона допустимо при толщине стали не менее 10 мм, высоте сварного шва не более 10 мм и длине его не более 300 мм. Опыт применения соединений и рекомендации по их проектированию До последнего времени в сборной железобетонной проезжей части обычно применяли замоноличиваемые швы. Объединительные швы первоначально осуществляли по проектам Проектстальконструкции с устройством на нижних поверхностях железобетонных блоков вдоль стальных поясов сквозных пазов для жестких упоров. Последние размещали с переменным шагом, изменяющимся в соответствии с изменением сдвигающих сил по длине пролета. Пазы заполняли бетоном через окна, расположенные с постоянным шагом, что позволяло иметь однотипные блоки сборной плиты. Заполнение паза бетоном получалось недостаточно удовлетворительным. В последующих проектировках каждый жесткий упор размещали в собственном окне (или в поперечном шве плиты). В первых конструкциях такого типа предусматривали укладку блоков плиты на слой незатвердевшего раствора толщиной 1—3 см. После твердения раствора подливки окна и остальные швы сборной плиты замоноличивали бетоном на мелком заполнителе. Замоноличивание невозможно было выполнить в зимних условиях, а заполнение нижних частей объемов окон раствором, а не бетоном значительно ухудшало условия работы упоров. В большинстве сравнительно недавно выполненных проектов Проектстальконструкции, Гипротрансмоста, Ленгипротрансмоста и других организаций предусмотрена раскладка блоков сборной плиты насухо на подкладки толщиной 4—7 см с последующим за-моноличиванием окон и швов бетоном на мелком заполнителе. Расстояние между окнами и швами при этом должно назначаться с учетом возможности хорошего заполнения бетоном шва подливки принятой толщины. Это решение для объединительных швов с замоноличиванием упоров в окнах и швах можно признать наиболее удачным. По проектам Киевского филиала Союздорпроекта блоки укладывают на затвердевший выравнивающий слой раствора толщиной до 10 см, заблаговременно уложенный (с армированием сеткой) на стальных поясах. Непосредственно перед укладкой блоков на выравнивающий слой наносят тонкий слой цементного раствора или сухой цементный порошок. Окна и остальные швы замоноли-чивают бетоном на мелком заполнителе.  Опыт строительства показал, что количество горизонтальных арматурных стержней, пропускаемых через окна, должно быть минимальным во избежание трудностей при устройстве опалубки окон и при их замоноличивании; с учетом неизбежных неточностей изготовления проектные зазоры между конструкциями упора и окна должны быть не менее 5 или 3 см (рис. 147). Расширяющаяся кверху форма окон облегчает освобождение их от опалубки и улучшает воспринятие отрывающих усилий между железобетоном и сталью. Совмещенные швы над стальными балками (рис. 148) передают не только сдвигающие или вертикальные силы, но и отрицательные изгибающие моменты, а в ряде случаев — и осевые усилия в плите. Ширина поясов главных балок обычно достаточна для опирания плит и размещения в шве объединительных деталей, а также стыков арматурных выпусков. Передача через шов сжимающих напряжений облегчается при устройстве у плиты вутов. Если шов используют одновременно как открытый канал для высокопрочной арматуры, то последнюю размещают под сминающими планками упоров или над упорами. Сварочные работы при наличии в шве высокопрочной арматуры не допускаются.  Устройство швов над поперечными и продольными балками проезжей части, имеющими узкие пояса, представляет большие конструктивные трудности. Плиту на балки опирают армированными выступами блоков (Киевский филиал Союздорпроекта) или усиленными арматурными выпусками (Проектстальконструкция). Сдвигающие усилия в швах передают с бетона замоноличивания на выпуски арматуры или же на выступы бетона. Выпуски арматуры рассчитывают на передачу сдвигающих сил как гибкие упоры независимо от расчета арматуры на воспринятие изгибающего момента и осевого усилия в плите. При устройстве в блоках закладных деталей, присоединяемых к стальной балке, сдвигающее усилие передается на железобетон, минуя бетон замоноличивания шва. Конструкция поперечных стыковых швов в сборной проезжей части определяется прежде всего тем, перекрывается ли в шве продольная арматура плиты. В железнодорожных мостах с ездой поверху арматурные выпуски или закладные детали следует стыковать во всех ненапрягаемых поперечных швах даже при отсутствии выявленных расчетом растягивающих напряжений, так как в результате многократно повторных воздействий в плите могут при разгрузках возникать растягивающие напряжения, не учитываемые расчетом. В автодорожных и городских мостах с полотном проезда без оклеечной гидроизоляции стыкование требуется, если при расчете на трещиностойкость растягивающие фибровые напряжения σБф>0. При полотне проезда с оклеечной гидроизоляцией следует исходить из раскрытия трещины в непростыкованном шве. Допустимое раскрытие трещины принимают, как обычно, 0,02 см, а если в шве нет стальных деталей, то можно обосновать и большее раскрытие в зависимости от конструкции шва и гидроизоляции. Раскрытие трещины в непростыкованном шве определяют по деформациям стальной конструкции в предположении, что в каждом шве раскрывается одна трещина, а бетон блоков между ближайшими к шву объединительными деталями не деформируется. Независимо от расчетных и конструктивных особенностей для замоноличиваемых швов рекомендуется пескоструйная обработка поверхностей, добавка в бетон блоков сульфитно-спиртовой барды, применение цементного или эпоксидного клея непосредственно перед замоноличиванием и другие мероприятия, повышающие сцепление между бетоном блоков и бетоном (или раствором) замоноличивания. В швах, где арматура не состыкована, часто для воспринятая поперечной силы устраивают бетонную шпонку, армированную спиралью (рис 149).  Для соединения арматурных выпусков в швах сборной плиты в недавнем прошлом чаще всего применяли петлевые стыки (с вязкой арматуры). В настоящее время в соответствии с результатами проведенных исследований и учитывая неблагоприятный опыт эксплуатации (частое раскрытие трещин по контакту бетона блока и бетона замоноличивания) петлевые стыки с цилиндрическим ядром не рекомендуются к применению. Петлевые стыки с прямой вставкой требуют увеличенного объема бетона замоноличивания и по опыту строительства хуже стыков со сваркой арматурных выпусков или с соединением закладных деталей. Опыт строительства показал также, что исправление погрешностей изготовления и погнутостей при петлевых выпусках очень трудоемко. Разработанный Гипротрансмостом типовой стык железобетонных плит со сваркой арматурных выпусков внахлестку в вертикальной плоскости парными фланговыми швами представлен на рис. 150. Для арматурных стержней значительных диам можно применять сварку ванным способом.  Крупнейшим недостатком всех рассмотренных конструкций сборной проезжей части является применение замоноличиваемых швов. Сборная проезжая часть с замоноличиваемыми швами хотя и более индустриальна, чем монолитная проезжая часть, однако значительно уступает по индустриальности стальной конструкции, легко и быстро монтируемой в любое время года. Необходимо отметить, что при возведении конструкции в зимних условиях прогрев объединительных замоноличиваемых швов, в связи с большой теплопроводностью стали и малыми объемами бетона, особенно сложен. Перспективным является применение конструкций с сухими или монтажно-сухими швами. Для этого требуется повышенная точность изготовления железобетонных блоков в жестких инвентарных формах, являющихся одновременно кондукторами для размещения соединительных устройств, и применение конструктивных деталей, допускающих компенсацию в случае неточностей как в железобетонной, так и в стальной конструкции. Устройство монтажно-сухих или сухих объединительных швов возможно при применении монтажных соединений на сварке или высокопрочных болтах. В монтажно-сухих швах зазор между железобетонной плитой и стальной конструкцией замоноличивают подливкой после окончания монтажа или после начала эксплуатации в теплое время года. В сухих объединительных швах толщина зазора, оставляемого открытым, должна быть не менее 5 см для возможности периодической окраски стальной конструкции. Приведем конструктивные решения монтажно-сухих и сухих объединительных швов, предложенных в ЦНИИСе автором этой книги. Монтажно-сухой объединительный шов со сварными монтажными соединениями, приведенный на рис. 151, детально разработан в 1959 г. Ленгипротрансмостом для железнодорожного объединенного пролетного строения 45 м. Блоки сборной железобетонной плиты изготовляются с двухстенчатыми закладными деталями, размещенными в ребрах. Для удобства наложения монтажных швов (фланговых) высота железобетонного ребра должна быть не менее 30 см. Если при установке блока закладные детали неплотно опираются на стальную конструкцию, то в неплотности забивают перед сваркой тонкие стальные прокладки или подрезают автогеном отдельные выступы закладных деталей по месту. Такие операции составляют основной недостаток конструкции. Полки стальных поясов должны быть проверены на изгиб от давления закладных деталей, когда еще не сделана подливка, инъецируемая в теплое время года.  Сухой объединительный шов на высокопрочных болтах, соединяющих плоские закладные детали железобетонных блоков с полками стальных поясов (рис. 152), детально разработан в 1962 г. Гипротрансмостом для типовых проектов железнодорожных объединенных пролетных строений. Опытное их возведение показало, что натяжением высокопрочных болтов свободно устраняются зазоры величиной 5—6 мм, возникающие между верхними поясами и закладными деталями вследствие неточностей изготовления железобетонных блоков, а также перекосов и грибовидностей стальных верхних поясов. При больших зазорах приходится применять стальные прокладки, что нежелательно. Соответственно опалубка блоков должна обладать большой жесткостью и точно выверяться. Для увеличения предельной величины зазора, не требующего прокладок, выпуски закладных деталей и полки верхних поясов следует конструировать более гибкими из своей плоскости. Вертикальные ребра жесткости не должны препятствовать стягиванию полок поясов с закладными деталями высокопрочными болтами.  В каждом блоке предусмотрены только две закладные детали, по одной на каждую балку. Разность диам между отверстием в закладной детали и высокопрочным болтом может быть 4—6 мм и даже более. В связи с наличием открытого зазора между железобетоном и сталью плита должна быть проверена на местный изгиб между объединительными деталями. Монтажно-сухой объединительный шов на высокопрочных болтах, обжимающих железобетонную плиту (рис. 153), разработан в 1964 г. Проектстальконструкцией для пролетного строения 42,5 м автодорожного моста через р. Салмыш. В зазоре между железобетонной плитой и стальным поясом помещены жесткие прокладки, через которые полностью передаются усилия натяжения высокопрочных болтов. Головки стыковых болтов верхнего пояса размещают между прокладками. Отверстия в плите делают диаметром 50 мм при болтах диаметром 22 мм. Если после укладки блоков между некоторыми прокладками и нижней поверхностью плиты обнаруживаются зазоры, то перед натяжением болтов их заполняют стальными вилкообразными шайбами различной толщины.  Шов может быть осуществлен без жестких прокладок при устройстве блоков плиты с вутами переменной высоты, отвечающей размещению болтовых стыков верхнего пояса и изменениям его толщины. Для улучшения подтягивания листов верхнего пояса к плите ребра жесткости не следует приваривать к верхнему поясу. Движение может быть открыто непосредственно по железобетонной плите. В теплое время года через отверстия в плите в зазор между плитой и стальным поясом инъецируют раствор, а затем укладывают цементно-бетонный выравнивающий слой полотна проезда. Большие трудности представляет устройство монтажно-сухих и сухих поперечных стыковых швов плиты. Сухое стыкование плит, уложенных на балки, составляет более сложную задачу, чем сухое стыкование блоков свободно располагаемой железобетонной балки. Это же относится и к клеевым стыкам с тонким (в пределах 1 мм) клеевым слоем. Монтажно-сухие поперечные швы плит можно осуществлять, если в них сжимающее усилие, возникающее при монтаже или временной эксплуатации, существенно меньше, чем при нормальной эксплуатации. В этих случаях в стыках можно применить закладные детали, накладки или другие устройства, соединяемые сваркой или высокопрочными болтами. Возможно также размещение в шве клиновидных стальных прокладок. Простейшими приемами устройства монтажно-сухого шва может явиться сварка арматурных выпусков, если состыкованная арматура способна воспринять монтажное усилие при незамоноличенном шве. Иногда пропуск монтажных нагрузок возможен и по пролетному строению с несостыкованной сборной железобетонной плитой. Если монтажные нагрузки пропускают до объединения железобетона со сталью, то плиту необходимо надежно опереть и закрепить против горизонтальных смещений. Большой практический интерес представляют и такие конструкции, в которых объединительные швы осуществляются сухими или монтажно-сухими, а поперечные стыковые швы — замоноличиваемыми, поскольку осуществить прогрев при замоноличивании поперечных стыковых швов гораздо проще, чем объединительных. В частности, прогревать бетон поперечных швов можно, пропуская пар в выполненные в виде коробов инвентарные элементы опалубки. Такое решение принято в типовых железобетонных объединенных пролетных строениях Гипротрансмоста 1962 г. и в некоторых других проектах. Весьма просто осуществляется также электропрогрев поперечных стыковых швов. Особого внимания заслуживает предложение о заполнении объединительных и стыковых швов прогреваемым клее-песчаным раствором. Электропрогрев клее-песчаного раствора можно осуществить гораздо проще, чем цементного раствора. Ток можно пропускать, в частности, через нагревательные сетки, помещенные в самом шве или в железобетоне у его поверхности, либо снаружи стального пояса. Объединительные швы при этом следует делать на высокопрочных болтах, выдавливающих из шва лишний раствор в подвижном состоянии и обжимающих соединение проектным усилием после отвердения раствора. |
