Способ предварительного напряжения рамных железобетонных плитных пролетных строений мостов

 

Изобретение относится к области мостостроения 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 разной их температуре в единое работающее совместно поперечное сечение и выстойки забетонированной конструкции до достижения ею температуры, соответствующей условиям эксплуатации. Новым является то, что перед бетонированием опалубку в обе стороны от поперечной оси пролетного строения моста на участках длиной "а" утепляют сверху теплоизоляцией (пенопласт, опилки и т.п.), а снизу поверхность бетонируемой конструкции укрывают слоем пленки. Для остальной части пролетного строения, за исключением 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 нижней и верхней поверхностях бетонируемой конструкции в обе стороны от поперечной оси пролетного строения 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 термического сопротивления "S" плиты ригеля 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 [Н.П.Андреев, А.И.Дубровский, И.С.Файнштейн. Справочник по постройке искусственных сооружений. М., Трансжелдориздат, 1957, с. 22]. Способ заключается в том, что создают натяжение арматурных стержней (или металлических канатов), расположенных внецентренно по отношению к центру тяжести поперечного сечения пролетного строения и заанкеренных в бетоне после их натяжения. После передачи давления на анкеры в бетонном сечении возникает изгибающий момент, величину которого регулируют степенью натяжения арматуры и размером эксцентриситета. 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. 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 рамных 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 бетонируемого ригеля в обе стороны от поперечной оси пролетного строения на участках длиной "a", 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 "a" определяют из выражения: где l - длина плиты ригеля, см; M_g - величина момента, на которую предполагается уменьшить ординату эпюры моментов в середине пролета, кгсм; - коэффициент линейного расширения бетона, 1/град; t - перепад температуры между верхней и нижней поверхностями бетонируемой плиты в момент достижения бетоном прочности (0,25 - 0,30)R₂₈, град; R₂₈ - марочная прочность бетона, кг/см²; h₁₁ - высота плиты ригеля, см;
E - модуль упругости бетона, кг/см²;
h - высота стойки, см;
I₁ - момент инерции сечения плиты ригеля пролетного строения, см⁴;
I₂ - момент инерции сечения стойки, см⁴;
S = S_в - S_н, часград/ккал (на 1 м² поверхности) - разность термического сопротивления теплоизоляции на верхней и нижней поверхностях ригеля;
S_в 2,0 часград/ккал - термическое сопротивление на верхней поверхности ригеля в период набора прочности бетоном;
S_н 0,2 часград/ккал - то же, на нижней поверхности ригеля.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена схема рамной балки моста прямоугольного поперечного сечения (плиты ригеля) 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 рамной балки моста прямоугольного поперечного сечения (плиты ригеля) 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 ригеля, расположенного в пределах зоны "2a" (см. фиг. 1), в период превращения бетонной смеси в твердое тело.

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

Способ содержит 4 операции.

Операция 1. Укладка бетонной смеси в опалубку.

Пролетное строение 1 (рамной системы) бетонируют в опалубке в проектном положении на стойках 2, которые, в свою очередь, расположены на шарнирно-неподвижных опорных частях 3. Опорные части размещены на фундаменте 4. Длина пролета - 1. Перед бетонированием опалубку в обе стороны от поперечной оси пролетного строения на участках длиной "a" сверху утепляют теплоизоляцией 5 (пенопласт, опилки и т.п.) с термическим сопротивлением S_в. 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 S_в = 2,0 часград/ккал (на 1 м² площади).

В отдельных случаях (в зависимости от соотношения жесткостей стоек и пролетного строения) расположение теплоизоляции 5 может быть обратным, т.е. снизу.

Для нижней 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_н = 0,2 часград/ккал. Для остальной части пролетного строения (за исключением этого участка длиной 2a) 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 под нижней поверхностью, начальную температуру бетона, состав бетона и вид цемента подбирают теплофизическим расчетом так, чтобы в пределах зоны 2a в процессе нахождения бетонной смеси в пластичном состоянии постепенно бы сформировался перепад температур t, а распределение температур по высоте имело бы форму 6 (см. фиг. 6).

Температура воздуха сверху для зоны в пределах 2a существенного значения не имеет, так как в этой зоне сверху расположена мощная теплоизоляция, практически исключающая теплообмен. Для остальной части пролетного строения температура воздуха сверху должна обеспечивать при соответствующем значении теплоизоляции сверху тот же теплообмен, что и происходит снизу (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 (-t), 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 t₁ -t, т.е. условный перепад сохранится таким же. При этом укорочение верхних волокон сечения по сравнению с нижними приведет к искривлению пролетного строения на участке 2a и как следствие к образованию дополнительной эпюры моментов с максимальной ординатой M_g (фиг. 5). Суммирование эпюр моментов, изображенных на фиг. 4 (эпюра моментов при отсутствии преднапряжения) и фиг. 5 (эпюра моментов от преднапряжения), приводит к формированию моментов на фиг. 2:
M₁₁ = M₁₂ - M_g,
M₂₁ = M₂₂ + M_g.

При этом величину преднапряжения мы подбираем таким образом, чтобы M₁₁ M₂₁. Тогда мы может обеспечить постоянство сечения, изображенного на фиг. 1.

Требуемые для осуществления преднапряжения параметры могут быть определены по предлагаемой формуле

где

l - длина плиты ригеля, см;
M_g - величина момента, на которую предполагается уменьшить ординату эпюры моментов в середине пролета, кгсм;

- коэффициент линейного расширения бетона,
= 110^-5, 1/град;
t - перепад температуры между верхней и нижней поверхностями бетонируемой плиты в момент достижения бетоном прочности (0,25 - 0,30)R₂₈, град;
R₂₈ - марочная прочность бетона, кг/см²;
h₁₁ - высота плиты ригеля, см;
E - модуль упругости бетона, кг/см²;
h - высота стойки, см;
I₁ - момент инерции сечения плиты ригеля пролетного строения, см⁴;
I₂ - момент инерции сечения стойки, см⁴;
S = S_в - S_н, часград/ккал (на 1 м² поверхности) - разность термического сопротивления теплоизоляции на верхней и нижней поверхностях плиты ригеля;
S_в 2,0 часград/ккал - термическое сопротивление на верхней поверхности плиты ригеля в период набора бетоном прочности;
S_н 0,2 часград/ккал - то же, на нижней поверхности плиты ригеля.

Перераспределение эпюры моментов, т.е. достижение равенства M₁₁ и M₂₁, 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 в середине пролета h₁₂ больше, чем на остальной части (h₂₂).

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

Формула изобретения

Способ предварительного напряжения рамных 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 поперечной оси пролетного строения 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 ригеля пролетного строения, причем "а" определяют из выражения

где l - длина плиты ригеля, см;
М_g - величина момента, на которую предполагается уменьшить ординату эпюры моментов в середине пролета, кгсм;


- коэффициент линейного расширения бетона = 110^-5, 1/град;
t - перепад температуры между верхней и нижней поверхностями бетонируемой плиты в момент достижения бетоном прочности (0,25 - 0,30)R₂₈, град, R₂₈ - марочная прочность бетона, кг/см²;
h₁₁ - высота плиты ригеля, см;
Е - модуль упругости бетона, кг/см²;
h - высота стойки, см;
I₁ - момент инерции сечения плиты ригеля пролетного строения, см⁴;
I₂ - момент инерции сечения стоек, см⁴;
S = S_в - S_н, чград/ккал (на 1 м² поверхности) - разность термического сопротивления теплоизоляции на верхней и нижней поверхностях плиты ригеля, S_в 2,0 чград/ккал - термическое сопротивление на верхней поверхности плиты ригеля в период набора бетоном прочности, S_н 0,2 чград/ккал - то же, на нижней поверхности плиты ригеля.

РИСУНКИ

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