Способ предварительного напряжения многопролетных неразрезных железобетонных плитных пролетных строений мостов

 

Изобретение относится к мостостроению и может быть использовано при изготовлении предварительно напряженных железобетонных плитных пролетных строений мостов. Технический результат изобретения заключается в снижении трудоемкости и сложности производства работ. Способ включает операции укладки бетонной смеси в опалубку, формирования разности температур отдельных элементов поперечного сечения конструкции при сохранении нейтрального внутреннего напряженного состояния, закрепления этих элементов при разности их температур в единое, работающее совместно поперечное сечение и выстойки забетонированной конструкции до достижения ею температуры, соответствующей условиям эксплуатации. Новым является то, что перед бетонированием опалубку снизу утепляют теплоизоляцией (пенопласт, опилки и т.п.), размещаемой в обе стороны от каждой промежуточной опоры на участках длиной "а", а верхнюю поверхность бетонируемой конструкции покрывают слоем пленки. Для остальной части пролетного строения (за исключением этих участков длиной "а") создают условия теплообмена, одинаковые для верхней и нижней поверхностей, чтобы не допустить перепада температур по сечению. Операцию формирования разности температур отдельных элементов поперечного сечения при сохранении нейтрального внутреннего напряженного состояния осуществляют в период набора прочности бетоном за счет разности термического сопротивления теплоизоляции, размещаемой на верхней и нижней поверхностях бетонируемой конструкции в обе стороны от каждой промежуточной опоры моста на участках длиной "а". Операцию закрепления элементов сечения при разной их температуре в единое, работающее совместно поперечное сечение осуществляют с момента начала твердения бетона до момента набора им заданной прочности, составляющей (0,25-0,30)R₂₈, путем обеспечения расчетного температурного режима выстойки изготовленной конструкции при указанных значениях S термического сопротивления плиты пролетного строения. Длину участка "а" определяют из приведенной зависимости. 6 ил.

Изобретение относится к области мостостроения и может быть использовано при изготовлении предварительно напряженных железобетонных плитных пролетных строений мостов.

Известен способ предварительного напряжения железобетонных пролетных строений мостов [Стрелецкий Н. Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов. М. , Транспорт, 1981 г., с. 25-29]. Способ заключается в том, что пролетное строение бетонируют в положении, при котором оно над промежуточной опорой приподнято на величину Δ по сравнению с проектным положением, а после набора прочности бетоном осуществляют опускание на величину Δ средней части. В результате этого опускания в зоне промежуточной опоры и прилегающей к ней части возникает изгибающий момент, обратный по знаку тому, который возникает от эксплуатационной нагрузки. Недостаток данного способа - сложность производства работ и громоздкость оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ создания предварительного напряжения в железобетонных конструкциях, включающий операции укладки бетонной смеси в опалубку, формирования разности температур отдельных элементов поперечного сечения конструкции при сохранении нейтрального внутреннего напряженного состояния путем электротермического нагрева арматурных стержней, уложенных в каналы, выполненные в бетоне конструкции, закрепления этих элементов при разной их температуре в единое, работающее совместно поперечное сечение путем заанкеривания в бетоне нагретых стержней и выстойки забетонированной конструкции до достижения ею температуры, соответствующей условиям эксплуатации [Справочник строителя. Бетонные и железобетонные работы, под редакцией В.Д. Топчия, М., Стройиздат, 1980 г.].

Недостатком данного способа является сложное и трудоемкое производство работ, особенно в связи с тем, что нагреваемые стержни и каналы омоноличивания находятся в нижней части пролетного строения. Кроме того, осуществляются затраты на формирование дополнительных ненужных продольных сил, поскольку изгибающий момент образуется за счет внецентренного сжатия.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении трудоемкости и сложности производства работ.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе предварительного напряжения многопролетных неразрезных железобетонных плитных пролетных строений мостов, включающем операции укладки бетонной смеси в опалубку, формирования разности температур отдельных элементов поперечного сечения при сохранении нейтрального внутреннего напряженного состояния, закрепления этих элементов при разной их температуре в единое, работающее совместно поперечное сечение и выстойки забетонированной конструкции до достижения ею температуры, соответствующей условиям эксплуатации, операцию формирования разности температур отдельных элементов осуществляют в период набора прочности бетоном за счет разности термического сопротивления S теплоизоляции, размещаемой на верхней и нижней поверхностях бетонируемой плиты в обе стороны от каждой промежуточной опоры моста на участках длиной "а", при этом операцию закрепления элементов в единое, работающее совместно поперечное сечение осуществляют с момента начала твердения бетона до момента набора им заданной прочности, составляющей (0,25-0,30)R₂₈, путем обеспечения расчетного температурного режима выстойки изготовленной конструкции при указанных значениях S термического сопротивления плиты пролетного строения, при этом "а" определяют из выражения где l - средняя длина пролетов, см; M_1g - величина момента, на которую предполагается уменьшить ординату эпюры моментов на промежуточной опоре, кг·см; α - коэффициент линейного расширения, 1/град; Δt - перепад температуры между нижней и верхней поверхностями бетонируемой плиты в момент достижения бетоном прочности (0,25-030)R₂₈, град; R₂₈ - марочная прочность бетона, кг/см²; h₁₁ - высота плиты, см; E - модуль упругости бетона, кг/см²;
I - момент инерции сечения плиты пролетного строения, см⁴;
S - разность термического сопротивления теплоизоляции на нижней и верхней поверхностях плиты, час·град/ккал;
S = S_Н - S_В (на 1 м² поверхности);
S_Н ≥ 2,0 час·град/ккал - термическое сопротивление на нижней поверхности плиты в период набора прочности бетоном;
S_В ≅ 0,2 час·град/ккал - то же на верхней поверхности плиты.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена схема трехпролетной неразрезной балки моста прямоугольного поперечного сечения (плиты) постоянной высоты;
на фиг.2 - эпюра моментов в балке, изображенной на фиг. 1, от постоянной нагрузки при предварительном напряжении предлагаемым способом;
на фиг. 3 - схема трехпролетной неразрезной балки моста прямоугольного поперечного сечения (плиты) переменной высоты;
на фиг. 4 - эпюра моментов в балке, изображенной на фиг. 3, от постоянной нагрузки без предварительного напряжения;
на фиг. 5 - эпюра дополнительных моментов от предварительного напряжения за счет устройства теплоизоляции;
на фиг. 6 - эпюра разности температур по высоте сечения плиты, расположенного в пределах зоны "2а" (см. фиг. 1), в период превращения бетонной смеси в твердое тело.

Предлагаемый способ предварительного напряжения многопролетных неразрезных железобетонных плитных пролетных строений мостов заключается в следующем.

Способ содержит 4 операции.

Операция 1. Укладка бетонной смеси в опалубку.

Пролетное строение 1 (неразрезное: например, трехпролетное) бетонируют в опалубке в проектном положении на подвижных 2 и неподвижной 3 опорных частях, размещенных, в свою очередь, на опорах 4 моста. Длина пролетов в общем случае разная - l₁, l₂ и l₃, но не отличается более чем на 10-20%. Перед бетонированием опалубку у каждой промежуточной опоры на длине 2а снизу утепляют теплоизоляцией 5 (пенопласт, опилки и т. п.) с термическим сопротивлением S_Н. Это термическое сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы практически ликвидировать на стадии набора прочности бетоном, когда идет интенсивный разогрев бетона за счет экзотермии цемента, теплообмен с окружающим воздухом.

Расчеты показали, что минимальным значением такого сопротивления является значение 2,0 час·град/ккал (на 1 м² площади).

Для верхней поверхности требуется, наоборот, сильный теплообмен с окружающей средой с целью недопущения разогрева этой поверхности за счет экзотермии цемента. Однако с точки зрения недопущения влагообмена поверхность бетона должна покрываться, по крайней мере, одним слоем пленки. Это соответствует термическому сопротивлению, равному примерно S_В = 0,2 час·град/ккал. Для остальной части пролетного строения (за исключением этих участков длиной 2а) создают условия теплообмена одинаковые для верхней и нижней поверхностей, чтобы перепада температур по сечению не допустить.

Операция 2. Формирование разности температур отдельных элементов поперечного сечения при сохранении нейтрального внутреннего напряженного состояния (т.е. при отсутствии внутренних напряжений).

Эта операция предполагает выдерживание забетонированного пролетного строения в соответственном расчетном температурном режиме с момента укладки бетонной смеси до момента, пока бетон находится в пластичном состоянии.

Температуру наружного воздуха над верхней поверхностью, начальную температуру бетона, состав бетона и вид цемента подбирают теплофизическим расчетом так, чтобы в пределах зон 2а в процессе нахождения бетонной смеси в пластичном состоянии постепенно сформировался перепад температур ΔT, а распределение температур по высоте имело бы форму 6 (см. фиг. 6).

Температура воздуха снизу для зон в пределах 2а существенного значения не имеет, так как в этих зонах снизу расположена мощная теплоизоляция, практически исключающая теплообмен. Для остальной части пролетного строения температура воздуха снизу должна обеспечивать при соответствующем значении теплоизоляции снизу тот же теплообмен, что и происходит сверху (перепада температур быть не должно).

Операция 3. Закрепление элементов сечения при разной их температуре в единое, работающее совместно поперечное сечение (т.е. замыкание в единое сечение).

Эта операция заключается в выстойке забетонированной конструкции в определенном температурном режиме в период превращения бетонной смеси в бетон и набора им нужной степени прочности (0,25-0,30)R₂₈, где R₂₈ - марочная прочность бетона. Режим охарактеризован при описании операции 2.

Операция 4. Выстойка изготовленной конструкции до достижения ею температуры, соответствующей условиям эксплуатации.

Эта операция заключается в выстойке забетонированной конструкции с момента набора прочности (0,25-0,30)R₂₈ до выравнивания температуры по сечению, распалубливании, укладке проезжей части и вводе в эксплуатацию.

Дополнительное напряженное состояние возникает после остывания пролетного строения (точнее выравнивания температуры по сечению). В этот момент возникает условный перепад температур по сечению (-Δt), характеризуемый эпюрой 7 (см. фиг. 6), которая полностью соответствует эпюре 6, но противоположна по знаку. Это происходит потому, что более нагретая часть сечения пытается сократиться при остывании до той же температуры, что и менее нагретая часть, но при этом она встречает сопротивление последней. В соответствии с основной предпосылкой сопротивления материалов - гипотезой плоских сечений - сечение после деформации из вертикального положения 8 в момент формирования перепада температур 6 займет положение 9. При этом для рассматриваемых условий Δt₁≈ -Δt, т.е. условный перепад сохранится таким же. При этом укорочение нижних волокон сечения по сравнению с верхними приведет к искривлению пролетного строения на участках 2а и попытке "оторваться" от промежуточных опор, что приведет к появлению в указанных опорах дополнительной реакции и, как следствие, к образованию дополнительной эпюры моментов с максимальной ординатой M_1g (фиг. 5). Суммирование эпюр моментов, изображенных на фиг. 4 (эпюра моментов при отсутствии преднапряжения) и фиг. 5 (эпюра моментов от преднапряжения), приводит к формированию эпюры моментов на фиг. 2:
М₁₁ = M₁₂ - M_1g,
М₂₁ = М₂₂ + М_2g,
М₃₁ = М₃₂ + М_1g.

При этом величину преднапряжения мы подбираем таким образом, чтобы M₁₁ ≈ M₂₁ ≈ М₃₁. Тогда мы можем обеспечить постоянство сечения, изображенное на фиг. 1.

Требуемые для осуществления преднапряжения параметры могут быть определены по предлагаемой формуле

где l - средняя длина пролетов, см;
М_1g - величина момента, на которую предполагается уменьшить ординату эпюры моментов на средней опоре:

α - коэффициент линейного расширения бетона,
α = 1·10^-5, 1/град;
Δt - перепад температуры между нижней и верхней поверхностями бетонируемой плиты в момент достижения бетоном прочности (0,25-0,30)R₂₈, град;
R₂₈ - марочная прочность бетона, кг/см²;
h₁₁ - высота плиты, см;
E - модуль упругости бетона, кг/см²;
I - момент инерции сечения плиты, см⁴;
S = S_Н - S_В (на 1 м² поверхности) - разность термического сопротивления теплоизоляции на нижней и верхней поверхностях плиты, час·град/ккал;
S_Н >> 2,0 час·град/ккал - термическое сопротивление на нижней поверхности плиты в период набора прочности бетоном;
S_В << 0,2 час·град/ккал - то же на верхней поверхности плиты.

Перераспределение эпюры моментов, т.е. достижение примерного равенства М₁₁, M₂₁ и М₃₁, позволяет обеспечить постоянное поперечное сечение пролетного строения по длине моста (см. фиг. 1), при котором h₁₁ = h₂₁. Это резко упрощает технологию сооружения по сравнению со схемой пролетного строения, изображенного на фиг. 3, когда его высота над опорой h₁₂ больше, чем на остальной части (h₂₂).

Использование предлагаемого способа предварительного напряжения многопролетных неразрезных железобетонных плитных строений мостов позволяет снизить трудоемкость и сложность производства работ при повышении качества сооружаемых конструкций.

Формула изобретения

Способ предварительного напряжения многопролетных неразрезных железобетонных плитных пролетных строений мостов, включающий операции укладки бетонной смеси в опалубку, формирования разности температур отдельных элементов поперечного сечения при сохранении нейтрального внутреннего напряженного состояния, закрепления этих элементов при разной их температуре в единое работающее совместно поперечное сечение и выстойки забетонированной конструкции до достижения ею температуры, соответствующей условиям эксплуатации, отличающийся тем, что операцию формирования разности температур отдельных элементов осуществляют в период набора бетоном прочности за счет разности термического сопротивления S теплоизоляции, размещаемой на верхней и нижней поверхностях бетонируемой конструкции в обе стороны от каждой промежуточной опоры моста на участках длиной "а", при этом операцию закрепления элементов в единое работающее совместно поперечное сечение осуществляют с момента начала твердения бетона до момента набора им заданной прочности, составляющей (0,25 ÷ 0,30)R₂₈ путем обеспечения расчетного температурного режима выстойки изготовленной конструкции при указанных значениях S термического сопротивления плиты пролетного строения, причем "а" определяют из выражения

где l - средняя длина пролетов, см;
M_1g - величина момента, на которую предполагается уменьшить ординату эпюры моментов на промежуточной опоре, кг · см;

α - коэффициент линейного расширения бетона;
α - 1 · 10^-5, 1/град;
Δt - перепад температуры между нижней и верхней поверхностями бетонируемой плиты в момент достижения бетоном прочности (0,25 ÷ 0,30)R₂₈, град;
R₂₈ - марочная прочность бетона, кг/см²;
h₁₁ - высота плиты, см;
Е - модуль упругости бетона, кг/см²;
I - момент инерции сечения плиты пролетного строения, см⁴;
S=S_н-S_в(на 1 м² поверхности) - разность термического сопротивления теплоизоляции на нижней и верхней поверхностях плиты, ч · град/ккал;
S_н ≥ 0,2 ч · град/ккал - термическое сопротивление на нижней поверхности плиты в период набора прочности бетоном;
S_в ≅ 0,2 ч · град/ккал - то же, на верхней поверхности плиты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6