Новый способ объединения бетона и стали в сталежелезобетонных мостах



Автором настоящей статьи совместно с сотрудниками ОАО ЦНИИС Кручинкиным А.В. и Егоровым В.П. предложено «Стыковое соединение монолитной железобетонной плиты и стальной балки сталежелезобетонного пролетного строения моста», защищенное патентом РФ в 1997 году.
Гребенчатое устройство представляет собой непрерывную металлическую полосу, привариваемую по всей длине к главной балке сталежелезобетонного пролетного строения. В полосе имеются наклонные прорези, в которых располагаются стержни нижней арматурной сетки, и отверстия для пропуска в них стержней-коротышей, предназначенных для передачи усилий от гребня на бетон плиты. Прорези и отверстия расположены с шагом 150 мм.
Гребенка крепится к поясу двумя угловыми швами с минимальным катетом 8 мм. Полное проплавление угловых соединений не требуется.
Гребенчатое устройство допускается выполнять непосредственно на вертикальном листе стенки балки.
В случае необходимости устройства верхнего пояса, что определяется проектом, листы верхнего пояса следует приваривать к стенке балки на отметке низа опалубки.
Арматурные стержни нижней сетки железобетонной плиты размещаются с шагом 150 мм. Диаметр арматуры определяется расчетом. Вместо одного стержня большого диаметра возможна установка двух стержней меньшего диаметра. При этом наклонные прорези в гребне в нижней части должны иметь соответствующие размеры.
С целью увеличения жесткости узла объединения плиты и балки и восприятия перерезывающих (поперечных) сил в плите в зоне расположения гребня, на расстоянии до 1 м в каждую сторону от него, должны быть установлены стяжки в шахматном порядке с шагом через два стержня на третий.
Запатентованная нами конструкция объединения имеет определенные преимущества в сравнении с жесткими отдельно стоящими и гибкими штыревыми упорами, а именно:
а) гребенчатые полосы прикрепляются непрерывными сварными швами к верхним поясам балок, не вызывая в них значительной концентрации напряжений (эффективный коэффициент концентрации напряжений равен 1,9 по сравнению с 3,1 для упоров Нельсона), а равномерное через 150 мм расположение по длине гребенки объединяющих (анкерных) арматурных элементов (сеток, стержней, листовых упоров) создает благоприятные условия для равномерного распределения напряжений в бетоне плиты, причем, сами гребенки являются тоже хорошим анкером для бетона;
б) в сравнении с гибкими штыревыми упорами рассматриваемые гребенчатые полосовые упоры не подвержены деформациям сдвига, то есть они, являются жесткими упорами.Одновременно гибкие арматурные элементы, входящие в гребенку, обеспечивают упруго-пластический характер работы металла объединенной железобетонной плиты;
в) конструкция гребенки с наклонными вырезами (гнездами) для анкерующих арматурных элементов, расположенных в центре тяжести бетонной плиты, обеспечивает восприятие не только сдвигающих, но и отрывающих усилий, причем равномерно по всей длине;
г) конструкция гребенчатого упора более технологична в заводском изготовлении в сравнении с применявшимися жесткими и гибкими упорами.
Экспериментальные исследования гребенчатого устройства для объединения бетонной плиты со стальной балкой выполнены в ОАО ЦНИИС на 4-х образцах.
Разрушающая нагрузка на образец из бетона класса ВЗО, включающего 4 гребенки 20x128x1030 мм из стали 09Т2С-12, а также арматуру класса А-3, составила 784 тс, что на 3% выше нагрузки, определенной по расчету (761 тс).
Испытаниям на циклическую нагрузку подвергался один образец, при этом нижнее значение нагрузки принималось в размере 25 тс, а верхнее — 72 тс. Образец выдержал 2 млн. циклов без каких-либо видимых повреждений.
После циклических испытаний указанный образец был подвергнут статическим испытаниям до разрушения. Разрушающая нагрузка образца составила 846 тс, что на 13% выше нагрузки, найденной из расчета (749 тс).
Характер разрушения образцов во всех случаях идентичен — образование продольных (параллельно плоскости плиты) трещин в бетоне и между бетоном и элементом, имитирующим пояс балки. Сравним податливость предлагаемого конструктивного решения с другими типами деталей объединения бетона и стали.
Обобщенные данные о податливости гибких цилиндрических упоров, полученные за рубежом, для обычного и высокопрочного бетона представлены в координатах «безразмерная нагрузка — сдвиг» см. [Bullo S., Di Marco R.: The Load-Bearing Capacity of Steel — HPS Composite Beams. IABSE Conference "Composite Construction — Conventional and Innovative". Pp. 57-162, Innsbruck, 997.].
Для стадии, близкой к эксплуатационной, при нагрузке Р/РИ=0,5 сдвиг составляет 0,03 мм для обычного бетона и 0,1 мм — для высокопрочного бетона.
В исследованиях ЦНИИС для предлагаемой нами конструкции при нагрузке 50% от предельной сдвиг составил 0,021 мм, то есть, эта конструкция близка к объединению с помощью гибких цилиндрических упоров, применяемых широко за рубежом.
Для гребенчатой полосы после 2 млн. циклов нагружений указанной выше переменной нагрузкой при статической нагрузке 50% от предельной сдвиг составил 0,045 мм, то есть, увеличился примерно в два раза.
Для жестких упоров по данным из [Стрелецкий Н.Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов. — М.: Транспорт, 1981. — 360 с] при 50% нагрузки сдвиг составил 0,2 мм, что на порядок выше, чем для гребенчатой полосы.
Для жестких упоров имеются данные относительно стабилизации сдвигов при нагружений в режиме «нагрузка — разгрузка».
Имеются также данные, из которых следует, что при 50%-ной нагрузке стабилизация сдвигов произошла после 10 загружений, а сдвиг составил 0,5 мм.
Также для жестких упоров имеются данные о перемещениях сдвига при пульсационных испытаниях [см. там же]. При уровне загружения 50% после 2 млн. приложения нагрузки сдвиги увеличились более чем вдвое по сравнению со случаем 10 раз загружений.
Влияние циклической нагрузки на увеличение сдвигов было обнаружено и в исследованиях ЦНИИС гребенчатой полосы, о чем мы уже сказали выше.

Превышение 50% нагрузки при пульсационных испытаниях жестких упоров ведет уже после 1 млн. циклов нагружений к незатухающим деформациям.
Отметим, что согласно Еврокоду 4 (стальные и бетонные композитные конструкции) к податливым соединительным деталям относят такие, которые в предельном состоянии получают сдвиг 6 мм и более.
Новая конструкция объединения железобетонной плиты со стальными балками реализована нами на нескольких законченных строительством мостах. Испытания пролетных строений показали надежность нового типа объединения бетона и стали в сталежелезобетонных балках.



В.Г. Решетников, к.т.н.,
ФГУП «Союздорпроект»