А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников;
В.И. Шестерников, В.Н. Макаров.

Деформационные швы
автодорожных мостов:
Особенности конструкции
и работы

учебное пособие

2005

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников, В.И. Шестериков, В.И. Макаров

Учебное пособие для студентов специальностей 291000, 291100

Саратов 2005

Рецензенты:

Кафедра «Специальные сооружения на автомобильных дорогах»
Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева

Доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой «Строительные конструкции»
Пензенского государственного строительного университета
Т.И. Баранова

Одобрено

редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета

Содержит рассмотрение вопросов, связанных с применением современных конструкций деформационных швов в мостовом полотне автодорожных мостов. В учебное пособие включены основные положения расчета перемещений торцов пролетных строений мостов и путепроводов от действия различных влияющих факторов и даны рекомендации по выбору конструкций деформационных швов по величине определенных перемещений. Приводится перечень требований, которым должны удовлетворять современные деформационные швы автодорожных мостов, осуществлена их классификация. Даны обзор и анализ конструктивных особенностей основных современных типов деформационных швов на примере реально существующих конструкций. Приведен и проанализирован опыт применения деформационных швов на мостовых сооружениях, выделены характерные дефекты рассматриваемых конструкций, по итогам даны рекомендации по рациональному выбору и использованию деформационных швов различных типов.

Предназначается для студентов, аспирантов, специалистов и инженерных работников, занимающихся проблемами проектирования, строительства, эксплуатации и ремонта мостовых сооружений и интересующихся вопросами использования в мостовом полотне автодорожных мостов современных конструкции деформационных швов.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Автодорожные мостовые сооружения призваны служить для преодоления транспортом и пешеходами различных препятствий: водных преград, участков со сложным рельефом, других транспортных путей. Однако сами мостовые сооружения в настоящее время редко могут быть построены без устройства разрывов основных несущих конструкций по длине.

Самые первые построенные человеком мосты были, как известно, каменными и деревянными. Деформации и перемещения таких мостов, возникающие вследствие температурного расширения материала, из которого они были изготовлены, составляли очень небольшую величину и не оказывали существенного влияния на работоспособность и надежность мостового сооружения. Прочие факторы, такие как давление вeтpa и временная подвижная нагрузка, также не могли вызвать появление сколько-нибудь заметных деформаций и перемещений конструкции моста. С увеличением максимальных длин пролетных строений, что стало возможным благодаря применению металла для изготовления мостов, обнаружилось, что конструкции мостов уже не в состоянии воспринимать усилия, возникающие в элементах пролетных строений при изменении их температуры, если их концы не имеют возможности свободно перемещаться. Поэтому между концами пролетных строений и береговыми устоями, а в многопролетных разрезных мостах - и между пролетными строениями, стали предусматривать разрывы несущих конструкций, а сами несушке конструкции - устанавливать на опорные части, позволяющие пролетным строениям при необходимости свободно перемещаться.

Первоначально эти разрывы предусматривались для предотвращения появления значительных напряжений в конструкциях пролетных строений мостов от действия перепадов температуры и назывались температурными зазорами. С течением времени понятие температурного зазора расширилось, поскольку было установлено, что действие температуры является не единственным фактором, заставляющим конструкции мостовых сооружений перемещаться. В результате, инженеры стали использовать более общее понятие деформационного зазора - свободного пространства, предусматриваемого для перемещений конструкций сооружения от действия различных влияющих факторов, вызывающих как пространственные смещения и повороты конструкций, так и деформации их отдельных элементов.

Устройство деформационных зазоров позволило избежать появления значительных усилий в конструкциях мостов от температурных воздействий, но появилась необходимость обеспечить безопасное движение автомобилей и людей над этими зазорами. Это и повлекло за собой применение в мостах специальных устройств, главная задача которых - обеспечение беспрепятственного и комфортного движения транспортных средств и пешеходов по мостовому полотну над деформационными зазорами мостов. Эти устройства были названы деформационными швами (ДШ).

Первые ДШ конструктивно были очень простыми, в их функции входило только перекрытие деформационного зазора, но с развитием мостостроения требования к ДШ постоянно возрастали, эти конструкции эволюционировали и на современном этапе развития: стали одними из самых ответственных конструкций моста, от надежности, работы которых зависят работоспособность и долговечность всего мостового сооружения.

Было установлено, что неисправности ДШ могут приводить к существенным повреждениям конструкций моста: пролетных строений, опор, опорных частей, подферменников, фундаментов опор, мостового полотна - словом, всех основных элементов мостового сооружения. Кроме того, от состояния ДШ непосредственно зависит степень безопасности движения по мосту, как транспорта, так и пешеходов. Все это привело к тому, что за рубежом достаточно давно ДШ стали проектироваться на основании тщательно проработанных и научно обоснованных методов расчета, а изготавливаться с жесткими допусками из качественных и долговечных материалов, отвечающих самым высоким требованиям по прочности и выносливости. Не случайно выпуск наиболее совершенных в техническом плане ДШ был освоен зарубежными фирмами, основной специализацией которых было производство машиностроительной продукции, а не строительных конструкций и изделий. По сложности конструкции, характеру работы и специфике изготовления современные ДШ мостовых сооружений (особенно больших перемещений) относятся больше к механизмам, нежели к известным строительным конструкциям. Вместе с тем, до последнего времени в России бытовал подход к ДШ как к вспомогательным конструкциям, а значения влиянию неисправностей ДШ на общее состояние мостового сооружения практически не придавалось. Вследствие этого, за все время развития мостостроения в нашей стране не было выпущено ни одного нормативного документа, определяющего порядок конструирования, проектирования (расчета) и изготовления ДШ. Сейчас существуют только Методические рекомендации [7], но подход к проектированию и требования к ДШ в них уже устарели и нуждаются в переработке. В этих условиях проектированием и изготовлением ДШ зачастую приходилось заниматься самим мостостроительным организациям, применял для расчета элементов этих конструкций общие подходы к расчету элементов мостов. Неудивительно, что в российских нормативных документах появилась рекомендация стремиться к проектированию мостов с возможно меньшим количеством ДШ, несмотря на то, что схема моста должна назначаться, прежде всего, из соображений экономической целесообразности и эффективности ведения строительных работ. При этом количество ДШ может быть любым, другое дело, что конструкция ДШ должна быть спроектирована надежной и не снижающей долговечность мостового сооружения.

В последние годы в России намечается тенденция к выработке качественно иного подхода к проектированию и эксплуатации мостовых сооружений, связанного с новым взглядом на, казалось бы, давно известные и устоявшиеся с позиций проектирования, строительства и эксплуатации конструктивные детали мостов, такие как покрытие проезжей части, деформационные швы, опорные части и т.д. Эта позиция стала занимать внимание специалистов с появлением более широкого понимания работы мостового сооружения в целом, взаимосвязи элементов моста между собой, осознания важности таких элементов и влияния их технического состояния на общую работоспособность, безопасность и надежность мостового сооружения, в составе которого они функционируют.

Новый подход требует отчетливого понимания специфики работы ДШ в мостовом сооружении, выработки требований к этим устройствам, создания руководств по проектированию и изготовлению ДШ. Однако пробел в этой области оказался настолько значительным, что единственным выходом на период его восполнения стало применение для отечественных мостов зарубежных конструкций ДШ, проектируемых в соответствии с существующими за рубежом нормами. Это породило новую проблему. Российский инженер-мостовик буквально потерялся среди многообразия хлынувших с зарубежных рынков конструкций, не в силах даже выбрать, в отсутствие объективной информации, конструкцию ДШ для применения. На это повлияло отсутствие отечественных нормативных требований к конструкциям ДШ и их характеристикам, несоответствие зарубежных норм российским условиям, недостаточная осведомленность инженеров о существующих в мире конструкциях ДШ, поведении ДШ каждого конкретного типа в мостовых сооружениях, присущих им областях применения, достоинствах и недостатках, а также характерных дефектах.

Сейчас все чаще можно слышать мнение, что даже «качественные зарубежные ДШ» показывают себя на российских мостах далеко не лучшим образом. И дело даже не в том, что зарубежные ДШ не всегда оказываются действительно качественными конструкциями, а в том, что российский инженер, по ряду перечисленных причин, не может сформулировать свои требования к качеству ДШ. В результате применяются конструкции, которые через некоторое время эксплуатации проявляют недостатки и обнаруживают дефекты, в целом характерные для данной конструкции ДШ, но оказывающиеся неожиданными для инженеров-мостовиков. Нередко, в условиях отсутствия информации, на отечественных мостах применяются конструкции, эксплуатация которых запрещена в ряде зарубежных стран национальными нормами.

Кроме того, часто допускаются ошибки при определении перемещений концов пролетных строений с целью выбора конструкции ДШ для применения, вызванные как субъективным подходом проектировщика, так и незнанием особенностей работы конструкций. Результатом этих ошибок является применение ДШ не по назначению, что в свою очередь приводит к раннему разрушению конструкции швов, ухудшению условий движения по мосту и повреждению несущих конструкций. На сегодняшний день уже сложилось общепринятое мнение, согласно которому перемещения пролетных строений мостов являются пространственными, происходят в трех плоскостях и могут быть разложены на составляющие по трем взаимно перпендикулярным осям [3]. В этом случае имеют место линейные перемещения торцов пролетных строений вдоль этих осей, а также вращения торцов вокруг тех же осей. Количество учитываемых факторов, влияющих на перемещения торцов пролетных строений, также в настоящее время существенно расширено. Прослеживается стремление принять во внимание как можно большее число этих влияющих факторов с целью более точного определения суммарных перемещений и выбора ДШ, позволяющего воспринять эти перемещения без повреждений конструкции самого ДШ и пролетных строений моста. Поэтому знание влияющих факторов и характера их воздействия на величину и направление перемещений торцов пролетных строений моста крайне важно для правильного назначения и применения конструкции ДШ.

Первая глава учебного пособия полностью посвящена вопросам определения перемещений торцов пролетных строений с целью выбора подходящей по величине перемещений конструкции ДШ для установки в мостовое сооружение.

Материал, изложенный в остальных главах учебного пособия, призван помочь ориентироваться среди многообразия конструкций ДШ, существующих в мире в настоящее время. С этой целью представлена информация, касающаяся накопленного в России и в мире опыта применения различных типов ДШ, приведен анализ опыта эксплуатации, на основе которого даются рекомендации по области применения каждого из типов ДШ и ее ограничениям. Включены также подробный перечень требований к современным ДШ автодорожных мостов и классификация конструкций ДШ. Кроме того, дан обзор основных существующих типов ДШ и проанализированы особенности их конструкции и работы в мостовом сооружении.

1. РАСЧЕТ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ

1.1. РАЗВИТИЕ ТРЕБОВАНИЙ К УЧЕТУ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВАХ

Методы определения перемещений концов пролетных строений в отечественном мостостроении и за рубежом развивались и совершенствовались по мере познания особенностей работы конструкций деформационных швов (КДШ). Можно выделить три периода повышенной заинтересованности к расчету, конструкциям и эксплуатации деформационных швов (ДШ) как составной части мостового сооружения: 1953-1955 гг., 1974-1978 гг.; с 1995 г. и до настоящего времени [24].

В каждом из этих периодов менялось представление о природе перемещений в ДШ, их величинах и степени важности. Ниже приводятся краткие характеристики этих периодов.

1) Первый период (1953-1955 гг.).

Результаты исследований конструкций ДШ в 50-х годах нашли очень краткое отражение в нормативных требованиях в части определения перемещений. Требования сводились к следующим положениям:

- конструкция устраиваемых в проезжей части ДШ должна обеспечивать свободу перемещений сопрягаемых частей и плавный проезд транспорта, а также предохранение от проникания воды и от засорения расположенных ниже частей;

- конструкция открытых ДШ должна быть, кроме того, удобной для осмотра и очистки лотков;

- цементобетонное покрытие должно прерываться ДШ во всех случаях, асфальтобетонное - при перемещении сопрягаемых частей на величину свыше 1 см.

При этом требования к расчету перемещений в нашей стране в первый период (1953-1955 гг.) сводились к определению температурных перемещений от изменения среднемесячных температур воздуха и перемещений от ползучести и усадки бетона.

Этот же период в Европе завершился появлением в ряде стран (ФРГ, Франции, Англии) специальных требований (норм) к определению перемещений и новых конструктивных решений по ДШ, что было широко освещено в периодической печати. Эти европейские нововведения были очень хорошо проанализированы и обобщены в публикациях немецкого специалиста В. Кестера.

Для определения перемещений В. Кестер рекомендовал учитывать значительно увеличенный, по сравнению с принятыми ранее значениями, перепад температур, длительные деформации в бетоне, перемещения от временных нагрузок и осадок опор (1964 г.).

2) Второй период (1974-1978 гг.).

Вторая волна совершенствования конструкций ДШ и их расчета началась в нашей стране с 1974 г. С целью проверки температурных деформаций пролетных строений различных конструкций в период с 1971 по 1973 гг. осуществлялось наблюдение за перемещениями концов пролетных строений на многих мостовых сооружениях [23].

Рис. 1. Диаграмма изменения температур воздуха и условной температуры бетона в пролетном строении длиной 128 м:

1 - температура воздуха; 2 - условная температура бетона в уровне плиты проезжей части; 3 - средняя температура за одни сутки; 4 - средняя температура за 5 суток; 5 - расположение прибора

В частности, на мосту через р. Москву в Филях производилась запись перемещений на ленту прогибографа в течение месяца в середине 128-метрового пролетного строения (рис. 1). Из графика видно, что перемещения верха консолей при отрицательных температурах соответствуют изменению температуры бетона пролетных строений до величины, находящейся между среднесуточной и средней за пять предыдущих суток. По-видимому, с увеличением суммарной толщины горизонтальных элементов (проезжей части, верхней и нижней плит), температура бетона будет приближаться к средней за пять суток, а при снижении толщин - к среднесуточной температуре воздуха. Исследования температурных деформаций линейных железобетонных элементов показали, что учитывать равенство средней температуры пятидневки и температуры конструкции можно при толщине бетонных элементов свыше 80 см.

Результаты экспериментальных исследований и расчетов, выполненных в 70-е годы, показали, что при определении перемещений концов пролетных строений необходимо исходить из следующих новых требований:

- уйти от среднемесячной температуры и ориентироваться на среднесуточные температуры воздуха;

- предусмотреть (помимо плавного изменения температуры и возможные дополнительные прогревы верха конструкций летом;

- пользоваться более точным расчетом при определении перемещений от ползучести и усадки;

- учитывать перемещения от временной нагрузки (при опирании пролетных строений на различные опорные части);

- учитывать вертикальные перемещения кромок концов пролетных строений при выборе конструкций ДШ.

Эти требования были предусмотрены в нормативных документах того периода, которые позволяли более точно определять перемещения, сблизив отечественный подход к этому вопросу с общеевропейским. Кроме того, продолжалась экспериментальная проверка требований на реальных объектах, в том числе с коробчатыми пролетными строениями.

В этой связи интересны результаты замеров, выполненных на мосту через р. Десенку, на котором пролетное строение имеет в поперечнике две коробчатые балки с толстыми вутами и длинными консолями (рис. 2).

Длина, с которой собирались перемещения в ДШ, - 365,4 м. Условная температура верха пролетного строения, определяющая перемещения концов пролетных строений (рис. 2, кривая 6), соответствует температуре воздуха внутри коробки (рис. 2, кривая 2).

Это дает основание максимальную температуру верха коробчатых пролетных строений назначать либо по среднесуточной температуре воздуха у моста, либо по температуре воздуха внутри коробки. По температуре воздуха внутри коробки достаточно просто установить фактическую температуру верха пролетного строения в момент монтажа ДШ.

Для Европы в этот период (середина 70-х годов) характерно ужесточение требований к определению перемещений. Например, исследования воздействия температуры на автодорожные мосты, выполненные М. Эмерсон в Англии, позволили ей сделать вывод о необходимости учитывать максимально возможные перепады температур воздуха.

М. Эмерсон установлено, что в летний период максимальные температуры в плите проезжей части соответствуют температуре воздуха в момент замера (для железобетонных балочных и коробчатых пролетных строений) или больше нее в 1,1; 1,3 и 1,6 раза соответственно для плитных, сталежелезобетонных и стальных мостов.

Рис. 2. Диаграммы хода температур воздуха и конструкций пролетных строений на мосту через р. Десенку:

1 - температура воздуха; 2 - среднесуточная температура; 3 - условная температура верха балок, определенная по перемещениям в уровне ДШ; 4 - температура воздуха внутри коробки; 5 - температура в середине плиты проезжей части

В зимнее время разница существенно меньше: средняя температура железобетонных пролетных строений либо на 4-8°С выше, чем наинизшая температура воздуха за сутки, либо соответствует температуре воздуха.

А. Кобленц (Германия) указывал в конце 70-х годов на необходимость дифференцированного назначения расчетных температур для различных типов пролетных строений и учета по возможности наибольших перепадов температур воздуха.

Так, при абсолютных максимальных и минимальных температурах воздуха для территории Германии, равных +30 и -26°С, при определении максимальных перемещений и ДШ А. Кобленц рекомендует принимать следующие температуры воздуха: для стальных пролетных строений ±45°С; для сталежелезобетонных пролетных строений ±32,5°С; для железобетонных ±27,5°С.

Однако территории Англии и Германии сравнительно небольшие и различия в климатических условиях для разных районов этих стран несущественны. Поэтому назначение расчетных температур одинаковыми для всей территории этих стран вполне оправдано. Но для России такой подход был бы неправильным из-за существенных различий в климатических условиях между отдельными районами.

Последующие исследования по данной проблеме позволили разработать методику определения температурных перемещений для различных климатических районов, а также для различных схем опирания пролетных строений (рис. 3). В частности, принятые расчетные диапазоны температур показаны в табл. 1 [24], а суммарные перемещения применительно к Центральной Европейской части - в табл. 2.

Таблица 1

Расчетные диапазоны температур для определения перемещений в ДШ

Примечание. Пролетные строения железобетонные тонкостенные имеют толщину элементов до 60 см (ребристые, плитные), а массивные - более 60 см (плитно-ребристые, коробчатые). Расчетные диапазоны температур приведены в графах 10-13.

Рис 3. Схемы опирания пролетных строений на опоры

Таблица 2

Суммарные перемещения применительно к Центральной Европейской части

3) Третий период (с 1995 г.).

В настоящее время результаты, приведенные в табл. 1 и 2, нас устраивают уже не в полной мере.

Например, в [12] появляются более жесткие требования к определению температурных перемещений:

«За температуру Т_max принимают максимальную среднесуточную температуру воздуха t_c, увеличенную на половину средней амплитуды А_c суточного колебания температур:

Т_mах = t_с+0,5·A_c                             (1)

Для массивных железобетонных конструкций с толщиной элементов стенок, плит, полок более 60 см T_max = t_c (в коробчатых пролетных строениях толщины стенок и плит суммируют).

За температуру Т_min принимают минимальную среднесуточную t_нс а для массивных железобетонных конструкций - среднюю за пять наиболее холодных суток t_нс температуру воздуха».

За рубежом в периодической печати появляются все новые и новые требования к ДШ и к определению перемещений в них.

На международном конгрессе по ДШ и опорным частям в г. Детройте (1986 г.) впервые появляются требования по учету вращательных деформаций (перемещений) пролетных строений, изгиба опор, ветровой нагрузки в винтовых сооружениях.

Более жестко в части ответственности за определение перемещении в 1991 г. высказался американский специалист-проектировщик конструкций ДШ М. Берк. По его мнению, причинами расстройства ДШ являются неучет деформаций устоев, неполный учет деформаций бетона от усадки и ползучести, деформаций грунтовых оснований опор.

Большинство проектировщиков мостов не принимают во внимание вертикальные перемещения устоя и его возможный поворот. Они не учитывают того, что сваи фундамента сжаты под действием вертикальной нагрузки и это приводит к его вертикальным перемещениям, а также, что неоднородное сжатие свай под действием внецентренно приложенного усилия может вызвать поворот фундамента под опорой.

Имеют также место поперечные и вращательные перемещения устоя, вызванные вертикальным уплотнением и горизонтальными подвижками залегающего под фундаментом грунта относительно свайного основания, которые происходят под влиянием пригружения насыпью, расположенной рядом с устоем. Такие перемещения устоя трудно поддаются количественной оценке. Поэтому необходимо вести строительство в такой последовательности, при которой большинство перемещений произошло бы до сооружения подпорных стенок устоя и устройства плиты пролетного строения.

Долговременное уплотнение насыпей и грунтового основания, а также ползучесть бетона под действием постоянного давления грунта вызывают дополнительные, меньшие по абсолютной величине перемещения.

Максимальный учет перемещений и разработка на этой основе конструкций ДШ нового поколения в Европе свойственны в большей степени Германии (в основном, фирма Maurer Söhne). Но в то же время вслед за Германией почти во всех странах Европы в начале 90-х годов разрабатываются национальные требования к ДШ. Примечательны в этом отношении Австрийские стандарты по ДШ В4202, В4502, В4602. В указанных нормах в максимальной степени учтены все возможные перемещения концов пролетных строений и существенно увеличены запасы в температурных перемещениях. В частности, в них впервые появляется термин «вектор перемещений» (1992 г.). Вектор перемещений - вектор, указывающий величину и направление суммарных перемещений, складывающихся из всех возможных составляющих перемещений. Знание положения этого вектора упрощает понимание природы перемещений в прямых и косых мостах (подробнее об этом см. в п. 1.3.4).

Повышенное внимание к нормированию ДШ в Европе не осталось незамеченным и в России. Только за пять лет (1995-2000 гг.) в нашей стране применили более 10 новых типов ДШ более чем на 200 мостовых сооружениях. При выборе конструкций по величинам перемещений учтены все современные подходы в определении перемещений. Этот опыт и продолжавшиеся в России наблюдения за работой конструкций являлись причиной существенных изменений традиционного подхода к определению перемещений, которые предполагалось реализовать при разработке новой нормативной документации по проектированию мостов и труб.

К данным положениям относятся следующие:

- учет всех возможных перемещений сопрягаемых пролетных строений в трех плоскостях. К этим перемещениям относятся линейные перемещения вдоль трех осей и три поворота вокруг тех же осей;

- использование понятия вектора перемещений - равнодействующей всех возможных перемещений;

- применение коэффициента надежности при определении температурных перемещений (γ=1,2) и перемещений от ползучести бетона (γ=1,1);

- учет прогрева плиты сверху и фасада сбоку. Для реализации этого требования необходимо учитывать интенсивность солнечной радиации в данной местности, ориентацию моста в пространстве относительно направления облучения солнцем, способность материала пролетных строений моста поглощать и отражать солнечные лучи;

- определение перемещений от торможения с учетом гибкости опор, принимаемых в двух случаях: при сжатии ДШ летом (усилия направлены в сторону ДШ при растяжении смежных пролетных строений), и при раскрытии ДШ зимой (усилия направлены в сторону от ДШ при сжатии пролетных строений);

- учет фактической жесткости опор и опорных частей при определении температурных перемещений неразрезных и температурно-неразрезных пролетных строений [20];

- разработка методики определения установочного размера между окаймлениями при монтаже сооружений. Для каждой КДШ должна быть составлена таблица, с использованием которой можно было бы на месте монтажа определить необходимое раскрытие ДШ для данной (определенной на месте) температуры установки;

- разработка требований по определению перемещений в косых и широких пролетных строениях, а также в сооружениях на кривых, что должно производиться с использованием понятия вектора перемещений и с учетом всех факторов, влияющих на его величину и положение.

Ниже будет приведена методика расчета перемещений ДШ, в которой будут по возможности учтены перечисленные выше требования. Однако прежде следует, остановиться на основных понятиях и положениях, необходимых для понимания природы перемещений, воспринимаемых ДШ, и специфики вычисления этих перемещений.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОНСТРУКЦИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ

На конструкции ДШ воздействуют: природно-климатические факторы, транспортные средства, непосредственно контактирующие с элементами КДШ, эксплуатационные факторы (условия и уровень содержания мостовых сооружений), перемещения концов пролетных строений в сопряжениях между собой и с устоями (табл. 3).

Таблица 3

Классификация воздействий на конструкции ДШ

Каждое воздействие по указанным признакам отражается в конкретных предпосылках по проектированию и расчету, требованиях к материалам и условиях применения ДШ. Воздействие перемещений концов пролетных строений учитывают при выборе типа или разновидности КДШ и при расчетах узлов и деталей его конструкции. Как правило, природно-климатические и эксплуатационные факторы необходимо учитывать при расчете КДШ, тогда как при определении перемещений ДШ необходимо знать перемещения концов пролетного строения.

При проектировании КДШ перемещения разделяют на расчетные и допускаемые.

Расчетные перемещения (РП) - это линейные продольные, поперечные и вертикальные перемещения концов пролетных строений, определенные расчетом от длительных воздействий (деформации конструкций от постоянной нагрузки, ползучести и усадки бетона, температурных воздействий, давления грунта) и воздействий временных подвижных вертикальных нагрузок и горизонтальных усилий.

Расчетные перемещения могут быть циклическими, к примеру, от суточного и годового изменения температур, от временной нагрузки и т.п., и нециклическими (необратимыми), такими, как перемещения от усадки и ползучести бетона, движения грунтовых массивов насыпей, осадки опор.

Допускаемые перемещения (ДП) - это перемещения концов пролетных строений в горизонтальной и вертикальной плоскостях, которые можно допустить на ту или иную КДШ. Допускаемые перемещения на конструкцию ДШ должны превышать расчетные перемещения концов пролетных строений.

Классификация воздействий по признаку «перемещения концов пролетных строений» (или «расчетные перемещения») предполагает разделение на следующие виды перемещений (рис. 4-8):

Горизонтальные перемещения ДШ в продольном направлении Δ_прод (рис. 4) происходят вследствие:

1) равномерного (например, при выделении тепла при твердении бетона) и неравномерного (например, во время одностороннего нагрева пролетного строения при укладке асфальтобетона) изменения температуры окружающей среды и температуры конструкций пролетных строений моста;

2) ползучести и усадки бетона;

3) действия усилий от ускорения и торможения транспорта с учетом гибкости опор;

4) в результате вертикальных перемещений гибких и массивных опор (в неразрезных и разрезных пролетных строениях), в том числе и неравномерных по поперечному сечению перемещений (возможных при достаточно широких опорах);

5) в результате горизонтальных перемещений опор моста от внешних воздействий (в основном, перемещений береговых опор, происходящих под давлением грунта, действующих в направлении оси моста).

Рис. 4. Линейные горизонтальные продольные и поперечные перемещения сопрягаемых концов пролетных строений, равномерные по длине ДШ Δ_прод и Δ_пoп

Горизонтальные перемещения ДШ в поперечном направлении Δ_поп (рис. 4) имеют место:

1) если угол между ДШ и направлением движения опорной части не равен 90° (к примеру, в косых мостах, либо в результате неправильной установки опорных частей). Перемещения тогда вычисляются из геометрических соображений как следствие горизонтальных перемещений в продольном направлении;

2) в результате неравномерных по поперечному сечению вертикальных перемещений гибких и массивных опор (наклона промежуточных опор);

3) в результате горизонтальных перемещений опор моста от внешних воздействий (например, происходящих под давлением грунта, действующим в направлении поперек оси моста);

4) при неравномерном температурном воздействии в горизонтальном направлении (по поперечному сечению, вследствие неодинакового прогрева фасадов моста солнцем или при укладке асфальтобетона только на одной из полос движения), и от ветровых нагрузок в случае, если ДШ не используется совместно с поперечно-неподвижными опорными частями, устанавливаемыми на той же опоре, что и ДШ;

5) как следствие равномерных и неравномерных температурных воздействий на пролетные строения в случае моста, расположенного на кривой в плане. При этом сказывается различие длин плетей внутреннего и внешнего радиусов закругления.

Линейные вертикальные относительные смещения сопрягаемых концов пролетных строений, одинаковые по длине ДШ Δ_верт (рис. 5), возникают:

1) от действия постоянных и временных вертикальных нагрузок. При этом значение имеет расстояние между местом расположения опорной части и ближайшим к ней торцом пролетного строения (величина консоли);

2) от неравномерного действия температуры по высоте сечения (но не по длине пролетного строения), вызывающего изгиб пролетных строений в вертикальной плоскости;

3) вследствие различия свойств материалов, применяемых для верхних и нижних волокон пролетного строения (к примеру, в случае сталежелезобетонного пролетного строения), что даже при равномерном действии температуры вызывает изгиб пролетных строений в вертикальной плоскости вследствие различия коэффициентов температурного расширения примененных материалов;

4) вследствие равномерных и неравномерных осадок опор, их изгиба в случае гибких опор (в последнем случае вертикальные перемещения вызваны горизонтальными перемещениями пролетного строения при большой жесткости опорных частей, вследствие чего на гибкую опору через опорные части передается нагрузка, вызывающая ее изгиб);

5) при подъеме либо опускании пролетного строения на опоре, осуществляемом при ремонте и реконструкции мостовых сооружений, когда возникает необходимость замены главных балок либо опорных частей, а также при регулировании усилий в сталежелезобетонной балке способом подъема/понижения на опорах;

6) в случае наличия перелома профиля по оси ДШ (различия продольных уклонов смежных пролетных строений). При этом вертикальные перемещения будут следствием горизонтальных продольных перемещений;

7) как следствие углового перемещения α_поп (рис. 7), которое вызывает появление неравномерных по длине ДШ вертикальных перемещений, максимальное значение которых, в общем случае, приходится на одну из крайних точек поперечного сечения пролетного строения.

Рис. 5. Линейные вертикальные относительные смещения сопрягаемых концов пролетных строений, одинаковые по длине ДШ Δ_верт

Угловые перемещения α_верт в продольной вертикальной плоскости, одинаковые по длине ДШ (рис. 6), возникают от:

1) действия постоянных и временных вертикальных нагрузок;

2) неравномерного действия температуры по высоте сечения либо применения комбинированного сечения (например, сталежелезобетонного);

3) вследствие равномерных осадок промежуточных опор;

4) вследствие неравномерных осадок опор вдоль оси моста (наклон опоры вдоль моста) или изгиба опор в том же направлении;

5) при подъеме либо опускании пролетного строения на опоре.

Рис. 6. Угловые перемещения в продольной вертикальной плоскости, равномерные по длине ДШ α_верт

Угловые перемещения α_поп (рис. 7) обычно имеют место при:

1) ремонте и реконструкции мостовых сооружений, когда возникает необходимость замены главных балок, а чаще - опорных частей, в процессе, которой производится подъем пролетного строения на одной из опорных частей (неравномерно по поперечному сечению);

2) неравномерных осадках опор поперек оси моста (наклоне опоры поперек моста) или изгибе опор в том же направлении;

3) возникновении деформаций пролетного строения от кручения последнего вдоль собственной оси. Такие деформации кручения характерны, например, для относительно длинных, легких и нежестких пролетных строений висячих и вантовых мостов при определенных условиях.

Рис. 7. Угловые перемещения в поперечной вертикальной плоскости, вызывающие неравномерные относительные смещения сопрягаемых пролетных строений α_поп

Угловые перемещения в горизонтальной плоскости, как следствие неравномерных линейных деформации сопрягаемых пролетных строений по длине ДШ α_прод, возникают:

1) при неравномерном температурном воздействии в горизонтальном направлении (по поперечному сечению, вследствие неодинакового прогрева фасадов моста) и от ветровых нагрузок в случае, если ДШ не используется совместно с поперечно-неподвижными опорными частями;

2) если мост расположен на кривой в плане;

3) в результате кручения береговых опор моста от внешних воздействий (как правило, от давления грунта).

Рис. 8. Угловые перемещения в горизонтальной плоскости, как следствие неравномерных линейных деформаций сопрягаемых пролетных строении по длине ДШ α_прод

Перечисленные выше перемещения подробнее будут описаны далее при рассмотрении методики расчета этих перемещении.

1.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ КОНЦОВ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

Ниже приводятся некоторые основные положения расчета перемещений концов пролетных строений от воздействия различных факторов, Однако материал, изложенный далее, не следует рассматривать как законченную методику расчета перемещений, хотя авторы постарались, где это возможно, облечь его в такую форму. Дело в том, что в некоторых случаях положения носят характер рекомендаций, иногда предложений, но в основном - это собранная из различных источников, проанализированная и упорядоченная информация, касающаяся вопросов определения перемещении пролетных строений и оценки влияния на них различных факторов.

В связи с большим количеством расчетных случаев и влияющих факторов, в каждом конкретном случае проектировщику, решающему задачу определения перемещений с учетом положений данного раздела, необходимо:

- проанализировать конструктивную схему моста, включая конструкцию опор, конструкцию и расположение опорных частей, характеристики применяемых материалов и пр., а также определить положение моста на местности;

- проанализировать этапы строительства и эксплуатации моста вплоть до настоящего момента с целью определения уже воспринятых конструкциями перемещений;

- определить основные этапы будущей эксплуатации моста (периоды проведения и состав текущих и капитальных ремонтов, реконструкций);

- определить нагрузки и воздействия, в том числе климатические, на конструктивные элементы моста, имеющие место в данной ситуации;

- ознакомиться с основными положениями расчета перемещений и выделить те из них, применение которых диктуется перечисленными выше условиями;

- определить массив необходимых исходных данных, требующихся для расчета;

- выполнить вычисление перемещений по каждому из видов перемещений;

- собрать перемещения по трем основным направлениям.

Далее для каждого конкретного вида перемещений приводятся либо общие рекомендации по его вычислению, либо некоторые частные расчетные случаи, иногда предлагаются решения конкретной задачи, а иногда задача с условиями только ставится для дальнейшей разработки.

1.3.1. Перемещения от воздействия температур

Температурный режим моста и температурные деформации зависят от многих факторов:

- климата района, где расположен мост;

- материала моста;

- толщин конструктивных элементов моста;

- цвета, в который покрашен мост;

- интенсивности солнечной радиации;

- ориентации моста относительно движения солнца;

- технологии монтажных, ремонтных работ на мосту, либо работ по его обслуживанию.

Температурные перемещения для прямых и косых в плане пролетных строений имеют, как правило, продольное направление по оси моста с одинаковым значением по всей длине ДШ. Однако так бывает не всегда (например, это может зависеть от типа применяемых опорных частей и расположения последних, конструкции пролетных строений).

Полное температурное перемещен не свободного конца пролетного строения определяют по следующей формуле:

Δ_Т = γ_Т·α·L·ΔT,                       (2)

где γ_Т - коэффициент надежности для температурных воздействий;

α - коэффициент линейного температурного расширения, К^-1;

L - расчетная длина конструкции пролетного строения, с которой собираются перемещения (расчетная длина «цепи» пролетных строений);

ΔT - интервал изменения расчетных температур от Т_min до Т_max с учетом увеличения данного интервала вследствие прогрева конструкции солнцем, в том числе неравномерного, и неодинакового распределения температур по сечению элемента.

1) Коэффициент надежности для температурных воздействий γ_T.

Коэффициент надежности для температурных воздействий γ_Т задается согласно п. 2.32*. СНиП 2.05.03-84* [17] как для температурных климатических деформаций и воздействий и равен 1,2.

2) Коэффициент линейного температурного расширения α.

При расчете перемещений от температурных воздействий коэффициент линейного расширения α согласно п. 2.27*. СНиП 2.05.03-84* [17] рекомендуется принимать для стальных и сталежелезобетонных конструкций равным 1,2·10^-5, а для железобетонных конструкций - 1,0·10^-5.

При расчетах температурных перемещений элементов мостов можно использовать более точные значения коэффициентов линейного температурного расширения для различных материалов (см. табл. 4) [22]:

Таблица 4

3) Расчетная длина «цепи» пролетных строений L.

Расчетной длиной «цепи» пролетных строений, с которых собираются перемещения от температурных воздействий, называется длина части моста, взятой между соседними неподвижными опорными частями, при условии, что данный ДШ расположен на этом участке.

Рис. 9. Схема к определению расчетной длины цепи для сбора перемещений

На рис. 9 ДШ расположен на опоре l, неподвижные опорные части - на опорах 0 и 3. Тогда расчетной длиной «цепи» l будет длина, равная l = l₁ + l₂ + l₃.

Если пролетные строения по материалу (или по конструкции) выполнены разнотипными (к примеру, у ДШ сопрягаются стальное и железобетонное пролетные строения, либо если одно или оба пролетных строения имеют сложное поперечное сечение, температуры в котором распределяются неодинаково), то определять их перемещения следует отдельно, применяя каждый раз формулу (2). Соответственно расчетные длины пролетных строений вводятся в расчет частями, по длине которых параметры пролетных строений можно считать одинаковыми.

В случае опирания пролетных строений на резинометаллические опорные части (РОЧ) определение расчетной длины, вводимой в расчет, несколько сложнее (см. п. 1.3.4).

4) Интервал изменения расчетных температур ΔT.

ΔТ = Т_max+|Т_min| + δТ,           (3)

где Т_max - верхняя граница интервала изменения расчетных температур, °С;

T_min - нижняя граница интервала изменения расчетных температур, °С;

δT - добавка, учитывающая прогрев конструкций летом солнцем, равномерный и неравномерный по длине и по сечению конструкции, неодинаковое распределение температур по сечению и т.п.

а) В формуле (3) за температуру Т_max согласно [12] принимают:

T_max = t_max + 0,5·A,                 (4)

где t_max - средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого месяца, °С, определяемая по табл. 2 СНиП 23-01-99 [18];

А - средняя суточная амплитуда температуры воздуха наиболее; теплого месяца А, °С, определяемая по табл. 2 СНиП 23-01-99 [18].

Для массивных железобетонных конструкций с толщиной элементов стенок, плит, полок более 60 см за температуру Т_max принимают:

Т_max = t_max                               (5)

В случае коробчатых пролетных строений при решении вопроса о выборе формулы (4) или (5) в качестве расчетной, толщины стенок и плит суммируют (отдельно толщины стенок, отдельно толщины плит).

б) За температуру T_min принимают температуру воздуха наиболее холодных суток t_min, °С, обеспеченностью 0,92 - для бетонных и железобетонных конструкций и 0,98 - для стальных конструкций и стальных частей сталежелезобетонных конструкций (согласно п. 1.39 СНиП 2.05.03-84* [17]), а для массивных железобетонных конструкций - среднюю за пять наиболее холодных суток t_min температуру воздуха (обеспеченностью 0,92). Необходимые для расчета данные берутся из табл. 1 СНиП 23-01-99 [18].

Температура элементов со сложным поперечным сечением определяется как средневзвешенная по температуре отдельных элементов (стенок, полок и др.) [17].

в) Слагаемое δТ формулы (3) включает в себя сумму добавок от различных факторов, расширяющих интервал изменения расчетных температур. Наиболее важным из них является нагрев конструкций солнцем, правильный учет которого необходим. СНиП 2.05.03-84* [17] рекомендует учитывать этот нагрев увеличением расчетного диапазона изменения температур на 10°С. Реальный же нагрев конструкций под солнцем может существенно превысить величину, установленную в СНиП 2.05.03-84* [17], поэтому для более точной оценки температуры конструкции при нагреве солнцем можно воспользоваться методикой, изложенной в СНиП 2.01.07-85 [16].

Надо оговориться, что при этом придется воспользоваться данными СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» [15], поскольку на него опирается действующий СНиП 2.01.07-85 [16].

Следует также помнить, что при оценке перемещений нужно учитывать возможность изменения цвета окраски моста при его эксплуатации.

В соответствии с табл. 15 СНиП 2.01.07-85 [16] добавка δТ, нормативные значения средних температур в теплое и холодное время года (t_w и t_с соответственно) и значения перепадов температур по сечениям элементов в теплое v_w и холодное время года v_c определятся по формулам:

δT₁ = <δT_w + δT_c,                  (6)

δT_w = θ₁+θ₄,                           (7)

υ_w = θ₅,                                   (8)

δT_w = 0,5·θ₁,                           (9)

υ_c=0,                                       (10)

где δT₁ - составляющая добавки к интервалу изменения расчетных температур, зависящая от величин θ₁ и θ₄;

δT_w - добавка к величине T_max;

δT_c - добавка к величине T_min;

θ₁ - приращение средних по сечению элемента температур и перепада температур от суточных колебаний температуры наружного воздуха, принимаемое по табл. 5;

Таблица 5

θ₄, θ₅ - приращения средних по сечению элемента температур и их перепада от солнечной радиации, принимаемые по формулам:

θ₄ = 0,05·ρ·S_max·k·k₁,              (11)

θ₅ = 0,05·ρ·S_max·k·(1-k₁),         (12)

где ρ - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности конструкции, принимаемый по СНиП II-3-79** [19]. Данные для некоторых чаще всего встречающихся материалов поверхности приведены в табл. 6 (данные заимствованы из СНиП II-3-79** [19]). Более точные значения ρ для широкого списка строительных материалов можно найти, например, в [22];

Таблица 6

S_max - максимальное значение суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, Вт/м², найденное для горизонтальных и вертикальных поверхностей (принимаемое по прил. 5-7 [15]. В качестве S_max для данной широты принимается значение:

S_max = Σq_n,Σ+Σq_р,Σ                  (13)

где q_n,Σ - прямая солнечная радиация (числитель в таблицах приложений 5-7 [15]), максимальная за день (как правило, она наибольшая в 11-12 часов дня);

q_р,Σ - соответствующее максимальное значение рассеянной солнечной радиации (знаменатель в таблицах приложений 5-7 [15]);

k - коэффициент, зависящий от ориентации поверхности; принимается по табл. 7 (данные из СНиП 2.01.07-85 [16]);

Таблица 7

k₁ - коэффициент, зависящий от материала: принимается по табл. 8 (данные взяты из СНиП 2.01.07-85 [16]).

Таблица 8

Приведенные выше формулы (6) - (12) служат для вычисления повышения температуры конструкции при нагреве ее вертикальных или горизонтальных поверхностей солнцем. В случае наклонных поверхностей необходимо пересчитать максимальное значение суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации S_max, вводимое в расчет. Такой расчет можно сделать согласно [11] в зависимости от угла наклона поверхности к горизонту α_накл, и солнечного азимута наклонной поверхности А_s,нп.

Солнечный азимут наклонной поверхности А_s,нп град., определяется разностью углов азимута солнца и азимута наклонной поверхности.

А_s,нп = |А_s-A_нп|,                       (14)

где А_s, - азимут солнца, град, (угол между направлением на юг и горизонтальной проекцией солнечного луча). Высота h_s, и азимут A_s солнца на различных широтах, град., в зависимости от истинного солнечного времени τ приведены в табл. 9 (значения даны для июля);

А_нп - азимут наклонной поверхности, град, (угол между перпендикуляром к поверхности и направлением на юг). Азимуты поверхностей, ориентированные по основным сторонам снега, имеют следующие значения: ЮВ - минус 45°, В - минус 90°, СВ - минус 13 5°, С - 180°, Ю - 0°, ЮЗ - 45°, З - 90°, СЗ- 135°.

Истинное солнечное время τ с поясным временем приближенно связано соотношением:

τ = τ_п+4(λ_ге-0,15N)                (15)

где τ_п - поясное время;

λ_ге - географическая долгота места строительства, град.;

N - номер пояса времени.

Поясное время τ_п в зависимости от декретного определяется по формуле

τ_п = τ_Д-n,                                 (16)

τ_д - декретное время;

n - установленное отступление от солнечного времени.

Таблица 9

Значения А_s и А_нп для восточной половины небосклона отрицательные, а для западной половины положительные.

Далее учитывается два случая освещения поверхности; в первом случае лучи падают на поверхность, как показано на рис. 10, а; во втором как показано на рис. 10, б.

Рис. 10. Случаи падения лучей на наклонные поверхности

Интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации на наклонные поверхности, Вт/м², q_п,нп и q_р,нп, следует определять:

- для первого случая - при 0° ≤ А_s,нп ≤ 90° или 270° ≤ А_s,нп ≤ 360° - по формулам:

q_п,нп = q_п,г cosα+q_п,в sinα,                                   (17)

q_p,нп = q_p,г cosα+q_p,в sinα,                                   (18)

- для второго случая - при 90° ≤ А_s,нп ≤ 270° - по формулам:

q_п,нп = q_п,г cosα-q'_п,в sinα,                                    (19)

q_p,нп = q_p,г cosα-q'_p,в sinα,                                    (20)

где q_п,г, q_п,в, q_р,г, q_р,в - интенсивности прямой (п) и рассеянной (р) солнечной радиации, Вт/м², принимаемые по приложениям 5-7 [15] соответственно как для горизонтальной (г) и вертикальной (в) поверхностей той же ориентации, что и наклонная поверхность в первом случае (рис. 10, а);

q'_п,в, q'_р,в - интенсивности прямой (п) и рассеянной (р) солнечной радиации, Вт/м², принимаемые по приложениям 5-7 [15] как для вертикальной поверхности, ориентация которого соответствует второму случаю (рис. 10, б) и противоположна ориентации наклонной поверхности по рис. 10, а;

α - угол наклона поверхности к горизонтальной плоскости, град. (рис. 10).

Если при вычислении по формулам (17) и (19) величина q_п окажется отрицательной, то следует считать q_п=0, т.к. в этом случае поверхность находится в тени.

Тогда формула (13) будет включать, помимо суммарной интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальные и вертикальные поверхности конструкции, еще и соответствующие интенсивности солнечной радиации на наклонные поверхности:

S_max = q_n,Σ + q_р,Σ + q_п,нп + q_p,нп.                            (21)

Таким образом, мы имеем все данные и можем, подставив их в формулу (2), вычислить значение продольного горизонтального перемещения от действия температуры.

Тем не менее, вышеописанными перемещениями температурные перемещения не исчерпываются. В частности, к температурным относятся некоторые деформации, которым подвержены пролетные строения мостов, особенно металлических, при монтажных, ремонтных операциях, либо при проведении работ по обслуживанию мостов [5].

Температура пролетного строения при монтажных операциях и ремонте может существенно отличаться от температуры при эксплуатации. Как уже было отмечено выше, большое влияние на температуру пролетного строения оказывает цвет. Кроме того, на нее влияют наличие или отсутствие слоев покрытия, а также разогрев от укладки асфальтобетона.

В качестве интересного примера можно указать на последствия устройства мостового полотна на стальной балке вантового пролетного строения Южного моста в Киеве, описанные в [5]. Асфальтобетон укладывали по ширине 15 м по низовой кромке балки шириной 41,6 м. Темп укладки превышал 1000 м в час, температура смеси была 140-150 °С при температуре воздуха 30 °С. Асфальтобетон был уложен на длине 440 м. После окончания укладки было обнаружено, что балка изогнулась в плане и сорвала с подферменников двух опор опорные части (рис. 11). Неподвижные опорные части, установленные на пилоне, обеспечивали неподвижность левого края балки. Правый кран балки был оперт на береговую опору на шести опорных частях: четыре из них продольно - и поперечно-подвижные, а две опорные части - поперечно-неподвижные.

После того, как температура пролетного строения выровнялась по ширине моста, смещение уменьшилось до 15 мм. Для постановки конца балки в исходное положение потребовалось использовать домкраты для подъема и поперечного смещения.

Рис 11. Схема деформаций вантового пролетного строения Южного моста в Киеве

Расчет, выполненный в [5], показал, что величина силы, которая сорвала опорные части с подферменников при укладке асфальтобетона на описанном мосту, при коэффициенте линейного температурного расширения 12,0·10^-6 , принятой разности температур пролетного строения и асфальтобетона, равной 100 °С; ширине балки 41,6 м; жесткости балки EJ = 52·10⁹ тм² и длине захватки 440 м, была значительной и составила около Р = 5000 тс. Расчет велся по формуле (29), приведенной далее.

В связи с указанным, ниже приводятся способы определения деформаций от равномерного и неравномерного нагрева пролетного строения, возникающего вследствие различных причин. Также дан способ определения напряжений, воспринимаемых балкой пролетного строения и передаваемых на опорные части, поскольку при превышении температурными перемещениями допускаемых значений для данного ДШ, эти напряжения возникают и в конструкции ДШ. Метод расчета дается в соответствии с [5].

1) Определение перемещений при неравномерном нагреве.

При неравномерном нагреве крайних кромок балки жесткости формула для определения линейных перемещений имеет вид:

          (22)

где α - коэффициент линейного температурного расширения материала пролетного строения;

Т₁, Т₂ - температура кромок балки, °С;

Ω_N - площадь единичной эпюры нормальных сил.

В предположении того, что площадь единичной эпюры нормальных сил Ω_N равна длине элемента l (рис. 12), имеем:

               (23)

Поперечные перемещения балки жесткости

          (24)

где h - высота поперечного сечения балки, м.

Рис. 12. Схема к определению деформаций при неравномерном нагреве

При консольном закреплении конца балки, площадь единичной эпюры изгибающего момента , тогда формула (24) преобразуется:

             (25)

2) Определение величины температурных напряжений.

В случае препятствия линейным деформациям, когда в элементе возникает сжатие или растяжение, напряжения составляют:

              (26)

В случае препятствования изгибу консольной балки путем постановки связи на конце консоли, напряжения в крайних фибрах симметричного сечения составят:

            (27)

Если сечение несимметрично, то формула (27) приобретает вид:

                   (28)

где Е - модуль деформации материала;

J - момент инерции сечения балки;

у - расстояние от центра тяжести сечения до крайнего волокна, нагреваемого на температуру Т₂;

W - момент сопротивления сечения для крайних волокон.

Наконец, усилие, препятствующее поперечному перемещению конца консольной балки при симметричном поперечном сечении, может быть найдено по формуле:

            (29)

При расчете сталежелезобетонных пролетных строений на температурные воздействия следует учитывать разность температур железобетонной и стальной частей сечения (п. 5.10. СНиП 2.05.03-84* [17]). Расчеты на температурные воздействия допускается выполнять, принимая распределение температур в сечении неизменным по длине сталежелезобетонного пролетного строения и исходя из следующих нормативных наибольших значений разности температур железобетонной плиты и стальной конструкции:

а) для пролетных строений со стальными балками со сплошной стенкой при езде поверху:

- в случае, когда температура стали выше, чем железобетона, и балка подвергается нагреву от воздействия солнечных лучей при наклоне их к горизонту 30° и более: 30°С;

- в случае, когда температура стали выше, чем железобетона, не балка не подвергается нагреву от воздействия солнечных лучей: 15°С;

- в случае, когда температура стали ниже, чем железобетона: минус 15° С;

б) для пролетных строений с решетчатыми главными фермами при езде поверху;

- в случае, когда температура стальных элементов фермы выше, чем железобетона, независимо от условий освещения солнцем: 15°С;

- в случае, когда температура стальных элементов фермы ниже, чем железобетона: минус 10 °С;

в) для пролетных строений с главными балками со сплошной стенкой или с решетчатыми главными фермами и расположенной между ними железобетонной плитой с ездой понизу или посредине:

- в случае, когда температура стали выше, чем железобетона: 20°С;

- в случае, когда температура стали ниже, чем железобетона: минус 15°С;

г) в пролетных строениях автодорожных и городских мостов с ездой поверху без (до) устройства на железобетонной плите проезжей пасти одежды ездового полотна в случае, когда температура железобетона выше, чем стали: 20°С.

Также можно определить температуру в каждой точке расчетного сечения пролетного строения, руководствуясь формулами, приведенными в п. 5.10. СНиП 2.05.03-84* [17], и определить необходимые температурные деформации и напряжения.

Заканчивая обзор видов температурного воздействия на пролетные строения мостов, следует отметить еще одну особенность, а именно: в сооружениях на кривых в плане необходимо учитывать неравномерность линейных перемещений по ширине моста из-за разных значений длины внутренней и внешней кромок пролетного строения. Эффект от этого аналогичен, например, случаю, когда на одну из фасадных сторон пролетного строения попадают прямые солнечные лучи, вызывая его неравномерный нагрев и изгиб в плане.

1.3.2. Перемещения от постоянных и временных подвижных нагрузок

Вклад постоянной нагрузки в указанные перемещения должен быть учтен, если пролетные строения нагружаются уже после установки ДШ (к примеру, устраивается дорожная одежда, перильное ограждение, тротуары) [24]. Если ДШ устанавливаются после нагружения пролетных строений постоянной нагрузкой, последняя будет влиять только на величину ползучести бетона моста (см. п. 1.3.3).

Временная нагрузка (как правило, от транспорта и находящихся на пролетном строении людей) может влиять различным образом, а зависимости от направления ее действия и физической природы возникновения воздействия. В связи с этим, возникающие перемещения можно разделить на три вида: вертикальные и горизонтальные продольные перемещения от действия временных вертикальных нагрузок (веса транспортных средств и людей), горизонтальные и вертикальные перемещения от временных горизонтальных нагрузок (от торможения или силы тяги транспортных средств) и горизонтальные поперечные перемещения от временных горизонтальных нагрузок (от поперечных ударов транспорта и центробежной силы, при расположении моста на кривой в плане). В последнем случае, при расположении моста на кривой в плане, горизонтальные поперечные перемещения будут вызывать, как следствие, также и горизонтальные продольные перемещения.

Допустимо не учитывать перемещения от действия временных вертикальных нагрузок в случае неразрезных пролетных строений, имея в виду наличие примерно одинаковых зон растяжения и сжатия верхних и нижних волокон балки пролетного строения, что приводит к взаимной компенсации указанных перемещений на соседних опорах (особенно при четном числе пролетов), а также к тому, что в результате Δ_верт оказывается мало по сравнению с общим перемещением пролетного строения от прочих факторов [4]. В случае необходимости учета данных перемещений в неразрезных системах нагрузку располагают на всей длине пролетного строения от опоры с неподвижными опорными частями до подвижного конца пролетного строения. Аналогично загружают температурно-неразрезные цепи пролетных строений.

Размещение на пролетных строениях расчетных вертикальных подвижных нагрузок должно быть подобрано для получения максимальных деформаций в местах установки ДШ.

В случае разрезного балочного пролетного строения (а также в температурно-неразрезных цепях с ездой поверху) необходимо учитывать деформации укорочения от сжимающих усилий в верхних поясах и плитах, возникающих при действии временных вертикальных подвижных нагрузок [4]. Для этого при схемах с разрезными пролетными строениями загружают временной нагрузкой оба смежных пролета.

Рис. 13. Определение Δ_верт от прогиба пролетного строения

Вертикальное перемещение (рис. 13) от временной вертикальной нагрузки равно [33]:

Δ_верт=l_конс·tan α_n                      (30)

где l_конс - консоль пролетного строения (расстояние от надопорного сечения до торцевого сечения балки);

α_n - угол поворота надопорного сечения от временной нагрузки, определяемый обычным расчетом.

Продольное перемещение конца неразрезного пролетного строения от временной вертикальной нагрузки (рис. 14) определяется по формуле [24]:

         (31)

где H₁, и Н₂ - расстояния от нейтральной оси до верха и низа балок;

EJ - жесткость балок;

α_п.н - угол поворота сечения над неподвижными опорными частями.

При неподвижной опорной части поворот сечения балки на опоре происходит вокруг точки касания, а при подвижной опорной части поворот происходит вокруг точки пересечения нейтральной оси балки с осью опирания (рис. 14) [5].

В реальных условиях от обращающейся нормативной нагрузки угол поворота опорного сечения стальной балки на крайней опоре находится в пределах от 0,0005 до 0,003 рад [5]. Эти перемещения происходят постоянно, вызывая усталостные повреждения элементов опорных частей и ДШ [5, 33].

Рис. 14. Определение Δ_{вр.прод} прогиба пролетного строения

Деформации от транспорта - это наиболее часто повторяющиеся деформации. Эти деформации невелики, но именно они в конечном итоге приводят к разрушению ДШ.

Другим случаем воздействия временной нагрузки от транспортных средств является влияние на перемещения торможения и разгона транспорта на пролетном строении. Вертикальные нагрузки могут также быть следствием этого воздействия (вследствие изгиба пролетного строения в результате приложения к нему тормозных либо ускоряющих усилий от транспорта).

Перемещения от горизонтальных нагрузок (от торможения или силы тяги транспортных средств) определяют только при гибких опорах и (или) опирании пролетных строений, установленных на резинометаллические опорные части (РОЧ) [24]. При массивных опорах с неподвижными и подвижными опорными частями перемещения пролетных строений от горизонтальных сил не учитывают. Не учитываются также вертикальные и горизонтальные перемещения от изгиба конструкций пролетных строений при действии тормозных сил, приложенных в уровне верха проезжей части.

В случаях РОЧ и гибких опор следует в качестве величины усилия от торможения или силы тяги транспортных средств принимать значения, указанные в п. 2.19* СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» [17] в следующих случаях;

- при расчете ДШ капитальных автодорожных мостов на дорогах: I-III категорий и городских мостов - 96,04 кН (6,86К кН или 0,7К тс, где показатель К обозначает класс устанавливаемой нагрузки, который принимается равным: для капитальных сооружений - 14; для деревянных мостов - 10);

- IV и V категорий - 68,6 кН (4,9К кН или 0,5К тс).

Сила от торможения или сила тяги транспортных средств прикладывается в уровне проезда (и принимается в виде двух равных сил, удаленных одна от другой на 1,9 м) к каждому из смежных пролетов, между которыми предусматривается установка ДШ. При этом торможение лад промежуточными опорами вызывает перемещения одновременно в двух ДШ. В случае опирания пролетных строений на ГОЧ полную деформацию при этом разделяют между двумя концами пролетного строения обратно пропорционально расстояниям от середины загружаемого пролета до рассматриваемого ДШ.

Продольные перемещения от сил торможения и тяги вычисляются и двух случаях - для наибольшей температуры пролетного строения (тогда данное усилие направляется в сторону ДШ, на растяжение пролетного строения, что способствует еще большему сжатию ДШ, и минимальной температуры (тогда данное усилие соответственно направляется от ДШ, на сжатие пролетного строения, что способствует дополнительному растяжению ДШ). Оба расчетных случая увеличивают необходимый диапазон перемещений ДШ и должны учитываться совместно [24].

Вычисленные продольные перемещения по обоим торцам пролетных строений в месте установки ДШ должны суммироваться по следующим правилам:

- перемещения одного знака суммируют;

- перемещения разных знаков учитывают раздельно - одно при определении положительных, другое - при определении отрицательных перемещений.

При опирании пролетных строений на РОЧ и (или) на гибкие опоры, величину вертикальных и горизонтальных перемещений рассчитывают с учетом высоты и жесткости опор. При опирании пролетных строений на РОЧ, установленные на гибких опорах, эти перемещения определяют с учетом суммы приведенных жесткостей промежуточных опор (см. п. 1.3.4). Для устоев приведенная жесткость будет равна жесткости РОЧ.

1.3.3. Перемещения от усадки и ползучести бетона

1) Перемещения от ползучести бетона.

Перемещения от ползучести бетона определяют согласно рекомендациям СНиП 2.05.03-84* [17] с учетом возраста бетона пролетных строений к моменту устройства ДШ. Помимо общих длительных перемещений в уровне проезжей части, часто необходимо знать, как эти перемещения распределяются между подвижными и неподвижными концами разрезных балочных пролетных строений. Величина и направление таких перемещений зависят не только от перемещений ползучести в нижнем и верхнем волокнах балок (δ_Н и δ_В), но и от типа опорных частей [24].

Если в неразрезных пролетных строениях перемещения ползучести каждого пролетного строения сверху и снизу обозначить соответственно δ_Bi и δ_Hi, тогда перемещения конца пролетного строения в ДШ от ползучести бетона на участке «цепи» до неподвижной опорной части можно определить по формуле;

     (32)

где Н - высота балки;

Р - нагрузка, вызывающая ползучесть бетона.

При опирании всей цепи на слоистые резиновые, комбинированные или другие подвижные опорные части, перемещения от ползучести бетона в ДШ, устроенных на концах цепи, будут равны:

                    (33)

При расчете перемещений концов пролетных строений можно принять, что деформации ползучести бетона протекают в течение 10 лет пли более, если имеет место периодическое дополнительное нагружение балок (рис. 15). Кроме того, следует учитывать, что характеристика ползучести, указанная в СНиП 2.05.03-84* [17], не отражает фактического протекания деформаций. Учесть это обстоятельство можно лишь дополнительными коэффициентами запаса, равными 1,5-2,0 [24].

Перемещения от ползучести бетона в железобетонных пролетных строениях действуют в направлении вектора перемещений и определяются для любых железобетонных конструкций с напрягаемой арматурой, а для железобетонных пролетных строений с обычной арматурой при их длине свыше 15 м [24]. Перемещения ползучести вычисляют в трех плоскостях (продольные, вертикальные и поперечные в направлении оси ДШ) и принимают равномерными по длине ДШ.

Можно приближенно принимать предельные перемещения ползучести численно равными укорочению, вызванному температурным охлаждением на 15°С [4].

При определении перемещений от ползучести бетона Δ_пб, которые будут иметь место в ДШ после его установки, следует учитывать:

- изменение напряжений в бетоне σ_б при передаче усилий на конструкцию по этапам;

- время поэтапного нагружения бетона в различном возрасте; - остаточный размер деформации после монтажа ДШ.

Рис. 15. График протекания ползучести бетона во времени (точка «0» - момент установки ДШ): а - нормативный график ползучести бетона изготовленной балки; в - график ползучести после нагружения балок бетоном ДШ омоноличивания и выравнивающего слоя; с - график ползучести после нагружения балки всей постоянной нагрузкой элементов мостового полотна; С_п - предельное значение деформации ползучести (заштрихованная часть принята по СНиП 2.05.03-84* [17])

2) Перемещения от усадки бетона.

Перемещения концов пролетных строений от усадки бетона определяются по значениям нормативных деформаций усадки (согласно СНиП 2.05.03-84* [17]) с учетом возраста бетона и климатического района размещения объекта. При этом также надо иметь в виду, что фактически время протекания усадки превышает нормативное значение. В этом случае при вычислении перемещений от усадки бетона пользуются данными табл. 10 [17].

Таблица 10

* При осадке конуса 1-2 см.

** При жесткости смеси 35-30 с.

Табл. 10 содержит значения предельных относительных деформаций усадки бетона, которые, по сути, равны предельному относительному приращению длины пролетного строения от усадки бетона. То есть можно принять, к примеру, что максимальное изменение длины за все время протекания усадочных деформаций пролетного строения длиной l из бетона класса В30 по прочности на сжатие не превысит ε_sn = l·400·10^-6.

Если ДШ устраиваются спустя какое-то время после строительства моста (как всегда и происходит), необходимо учитывать время протекания усадочных деформаций, предельное значение которого можно принять условно равным 5 годам при расположении моста в районах с умеренным к холодным климатом и 3 годам - в южных районах Российской Федерации [24], по истечении которого усадочные деформации можно считать, условно прекратившимися. При этом остаточную деформацию усадки, а следовательно, и размер перемещении принимают с учетом возраста бетона к моменту устройства ДШ по табл. 11 [24].

Таблица 11

Табл. 11 показывает, какой процент усадочных деформаций от предельных относительных деформаций усадки бетона ε_sn (см. табл. 10) к данному моменту уже произошел. То есть, для пролетного строения моста длиной l, рассмотренного выше, если предположить, что мост расположен в южном районе, а ДШ устраиваются, к примеру, спустя год после окончания бетонирования, следует ожидать появления еще 100% - 80% = 20% предельных деформаций усадки, что составит соответственно 0,2·ε_sn = 0,2·l·400·10^-6 при предельном значении деформаций усадки бетона, равном l·400·10^-6.

Усадка железобетона пролетных строений вызывает горизонтальные перемещения, а усадка железобетонной плиты сталежелезобетонных пролетных строений - горизонтальные и вертикальные перемещения [24].

Расчетные величины перемещений концов пролетных строений от усадки определяют умножением нормативных значений на коэффициент надежности γ = 1,1.

3) Суммарные перемещения от усадки и ползучести бетона.

Можно предложить альтернативные способы учета совместного влияния усадки и ползучести бетона на величину перемещений пролетного строения моста. Разумеется, подобные способы являются приблизительными и имеют свою ограниченную область применения, но могут оказаться приемлемыми и удобными для практического использования.

К примеру, если возраст бетона к моменту установки деформационных швов не превышает 2 лет, допустимо пользоваться данными табл. 12, содержащей значения суммарной деформации пролетных строений от действия усадки и ползучести бетона в зависимости от возраста бетона Т_б, приведенной в [21].

Таблица 12

Суммарная деформация пролетных строений от действия усадки и ползучести бетона в зависимости от возраста бетона Т_б [21]

В этом случае отдельно рассчитывать значения деформаций от указанных факторов (усадки и ползучести) не нужно.

Опираясь на эти данные, можно сказать, например, что для пролетного строения с расчетной длиной 24 м, возраст которого равен 1 году, следует ожидать остаточных деформаций от усадки и ползучести бетона в размере: 0,23 см (если пролетное строение устроено по схеме 2×12 м) или 0,27 см, (если пролетное строение имеет один пролет длиной 24 м).

Надо отметить, что данные табл. 12 учитывают усадку, предполагая, что и течение двух лет эти деформации (вместе с ползучестью) прекращаются. Поскольку это не так, о чем говорилось выше, можно еще ожидать появления деформаций некоторой величины, что учитывается применением соответствующего коэффициента надежности 1,1 [17].

Другой способ [5] состоит в приближенном (в запас) расчете укорочений от усадки и ползучести в результате действия сжимающей силы, который может быть выполнен по формуле:

             (34)

где C_lim - предельная мера ползучести тяжелого бетона, при передаче нагрузки в возрасте 28 дней не превышает значений 0,000017...0,000018 (значения получены в результате опытов Дениса);

l_i - длина i-го участка;

n - количество участков;

σ_i - среднее по сечению напряжение сжатия на i-м участке.

1.3.4. Оценка влияния конструкции опорных частей и опор на перемещение концов пролетных строений

Опорные части, их конструкция, характеристики и расположение существенно влияют на величину и направление перемещений пролетного строения, оказывая воздействие на вектор его перемещений.

Конструкции опорных частей должны приниматься во внимание при определении перемещений от различных воздействий в случае определения вектора перемещений и величины перемещения в плоскости расположения ДШ [3, 8]. При этом можно воспользоваться рекомендациями, приведенными в [20].

Направление перемещений зависит от типа опорной части, ширины, косины и кривизны сооружения, а также от жесткости опор (сопротивления их деформациям). Точное определение положения вектора перемещений является сложной пространственной задачей [20]. Приближенно положение вектора можно определить по формулам, приведенным далее при следующих ограничениях (допущениях):

- жесткостью опор и неравномерностью податливости их отдельных конструктивных элементов можно пренебречь;

- возможную неравномерность (разность) в коэффициентах трения покоя и трения скольжения в опорных частях можно не учитывать.

В однопролетных или многопролетных разрезных системах мостовых сооружений с отношением длины пролетного строения к ширине мостового полотна  при отсутствии кривизны и косины в плане вектор линейных продольных перемещений V совпадает с осью пролетного строения и направлен перпендикулярно к линии опорных частей на опорах (рис. 16, а). При наличии косины и ориентации опорных частей нормально к оси пролетного строения направление вектора не изменяется (см. рис. 16, б).

В разрезных пролетных строениях с отношением , в которых должны использоваться опорные части с разным направлением свободы перемещений, положение вектора V не меняется, если опорные части (неподвижные и ограниченно-подвижные) расположены симметрично относительно оси пролетного строения.

При несимметричном расположении аналогичных опорных частей вектор отклоняется в сторону большего числа всесторонне-подвижных опорных частей (рис. 16, в).

Величину отклонения вектора можно определить с учетом числа опорных частей п_нс за пределами зоны симметрии (на рис. 16, в, таких опорных частей две) и различия в поперечных температурных удлинениях пролетного строения, промежуточной опоры и устоя.

В частности, размер смещения вектора на оси V подвижных опорных частей С (рис. 16, в) составляет:

                    (35)

где α - коэффициент температурного линейного расширения;

ΔТ - расчетный интервал изменения температур воздуха;

п_нс - число опорных частей за пределами зоны симметрии;

L - длина пролетного строения;

В - ширина пролетного строения;

m_n - коэффициент неравномерности температурных деформаций железобетонных опор и материала пролетных строений в уровне мостового полотна, учитываемый при определении перемещений от температурных воздействий (табл. 13).

Таблица 13

Рис. 16. Направление векторов перемещений V в пролетных строениях (стрелками на обозначениях опорных частей показаны направления их подвижности: а, б - при L/B>2, в - L/В<2

В неразрезных и температурно-неразрезных пролетных строениях, прямых и косых в плане, при определении положения вектора перемещений V при отношении L/B<2 необходимо сначала определять значение отклонения C по формуле (35) только на опоре, над которой расположен ДШ.

В неразрезных и температурно-неразрезных пролетных строениях, расположенных на кривых в плане, радиусом (по оси моста) r_o < 1000 м, направление вектора V зависит от типа и размещения опорных частей и относительной величины L/B (рис. 17):

- при L/B<2 предпочтительно размещение опорных частей по полюсно-лучевой схеме (рис. 17, а);

- при L/B>2 предпочтительно размещение опорных частей по тангенциальной схеме (рис. 17, б).

Рис. 17. Направление векторов перемещений V для мостов разных конструкций, расположенных на кривых в плане

Полюсно-лучевая схема предусматривает на анкерной (неподвижной) опоре расположение неподвижных и ограниченно-подвижных опорных частей, а на остальных опорах - всесторонне-подвижных или ограниченно-подвижных (см. рис. 17, а).

При тангенциальной схеме можно допустить использование только неподвижных и ограниченно-подвижных опорных частей (см. рис. 17, б).

При выборе типов и конструкций ДШ для мостов, расположенных на кривой а плане, положение вектора перемещений может оказаться определяющим фактором, важнее, чем величина самих перемещений.

Влияние положения опорных частей на величину перемещений концов пролетных строений наиболее четко проявляется на разрезных балочных системах. Подход и результаты расчета перемещений при рассмотрении этих систем могут быть использованы при определении перемещений температурно-неразрезных, а в отдельных случаях и неразрезных пролетных строений.

2) Особенности применения РОЧ.

В случае применения таких опорных частей, как РОЧ, на обоих концах пролетного строения (неразрезного или температурно-неразрезного) необходимо устанавливать ДШ, поскольку будут иметь место перемещения обоих торцов пролетного строения.

При использовании РОЧ необходимо использовать понятие неподвижного сечения «цепи» пролетных строении - сечения, условно остающегося неподвижным при горизонтальных перемещениях обоих концов пролетного строения. Важными являются расстояния от неподвижного сечения до одного и до другого конца «цепи», которые используются как расчетные длины (L₁, и L₂) в формуле (2) при вычислении горизонтальных температурных перемещений отдельно для каждого из торцов пролетного строения. В случае установки на всех жестких опорах РОЧ одинакового размера (жесткости), длину L определяют как половину длины всего неразрезного или температурно-неразрезного пролетного строения.

В общем случае, за неподвижное сечение «цепи» принимают условный центр жесткости, определенный как расстояние U от начала «цепи» (от первой опоры).

                         (36)

где S_i - суммарная жесткость РОЧ на i-й опоре;

l_i - расстояние от i-й опоры до опоры № 1;

i - число опор от 1 до i.

За жесткость РОЧ S_i кН/см, принимают усилие в кН, необходимое для сдвига всех РОЧ на опоре на 10 мм при статическом приложении нагрузки, т.е. принимая статический модуль сдвига G.

                        (37)

где ΣF_i - суммарная площадь РОЧ на i-й опоре, см²;

h_p - толщина резины в РОЧ, см.

Например, для случая, показанного на рис. 18,а, при трех пролетах l + l + 2l и жесткостях РОЧ, равных условно 2S, 2S, 3S и 1S, положение неподвижной точки можно найти из формулы (36).

Положение неподвижного сечения для рис. 18, а:

          (38)

При этом необходимые для вычислений расчетные длины будут равны соответственно L₁=1,5L и L₂=2,5L.

Рис. 18. Схемы к определению неподвижной точки многопролетного мостового сооружения с резиновыми опорными частями

В случае установки неразрезных или температурно-неразрезных пролетных строений с резиновыми опорными частями различной жесткости на гибкие опоры, также различной жесткости (рис. 18, б) положение неподвижного сечения определяют по формуле (36), принимая в качестве S_i, суммарную жесткость i-й опоры со всеми опорными частями. В этом случае S_i - усилие, необходимое для смешения оси опирания пролетного строения по верху РОЧ на величину 10 мм. Это единичное смешение разделяется на две части (рис. 18, в):

- доля единичного смещения верха стоек опор ф₁, определяемого по формуле:

                       (39)

- доля единичного смещения (сдвига) опорных частей ф₂, определяемого по формуле:

                       (40)

Из формул (39) и (40) вытекает значение приведенной жесткости системы «гибкая опора - РОЧ» для i-й опоры:

                (41)

На устоях допускается учитывать только жесткость РОЧ (опора № 6 на рис. 18, б).

1.3.5. Учет изменения влияющих на перемещения концов пролетных строений факторов в процессе эксплуатации

При оценке величины перемещений, воспринимаемых ДШ, необходимо значь основные эксплуатационные мероприятия, которые могут проводиться на мосту в будущем и которые можно предусмотреть еще на стадии проектирования либо ил опыта эксплуатации подобных сооружении, либо исходя из требований основных нормативных документов, регулирующих данные вопросы.

Например, изменение цвета окраски моста может оказать существенное влияние на коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью элементов моста, что приведет к увеличению или уменьшению температурных деформаций этих элементов.

Так, значение данного коэффициента (см. табл. 6) для стали, окрашенной в белый цвет, меньше того же коэффициента для стали, окрашенной в земно-красный цвет, примерно в 1,8 раза, что необходимо учитывать в расчете (см. п. 1.3.1)

В общем случае, при изменении цвета моста со светлого на более темный коэффициент поглощения окрашенной поверхностью солнечной радиации возрастает, как возрастают при этом и температурные перемещения моста.

Также необходимо учесть вариант изменения цвета окраски не всего пролетного строения, влияющего на изменение линейных продольных перемещений пролетного строения от температурных воздействий, а только отдельных его элементов, что, очевидно, более характерно для реальных условий эксплуатации, поскольку, к примеру, и сталежелезобетонном пролетном строении обычно окрашиваются главные балки, тогда как цвет бетонной плиты и проезжей части, как правило, не изменяется. Этот вариант может привести к изменению величины положения вектора перемещений пролетного строения в вертикальной плоскости (а иногда и в горизонтальной) вследствие увеличения соответствующих изгибных деформаций от температурных воздействий.

При подъеме пролетного строения на опоре (рис. 19), осуществляемом при ремонте и реконструкции мостовых сооружений, когда возникает необходимость замены главных балок, либо при выправлении, замене или установке новых опорных частей, а также при регулировании усилий в сталежелезобетонной балке способом подъема понижения на опорах могут возникать линейные вертикальные смещения концов пролетных строений. Подъем/понижение на опоре может выполняться с некоторыми ограничениями скорости без закрытия сооружения для транспортных средств, поэтому эти перемещения учитывают совместно с перемещениями от временных нагрузок.

Рис. 19. Перемещение Δ_верт при подъеме пролетного строения на опоре

Высота подъема в зоне установки ДШ принимается в соответствии с принятой технологией работ по подъему пролетных строений. На том же этапе необходимо решить, нужно осуществлять разбор мостового полотна или нет. В случае, если демонтажа мостового полотна по технологии работ не требуется и решается вопрос о проведении работ без закрытия движения по мосту, необходимо учесть перемещения при подъеме, поскольку ДШ не разбираются я должны безболезненно воспринять эти перемещения.

Например, прописанная в [13] технология подъема пролетных строений с железобетонными балками (диафрагменными и бездиафрагменными, длиной от 8,66 до 33 м и с габаритом от Г-7 до Г-10 м), осуществляемая при замене опорных частей, предусматривает максимальные относительные смещения соседних балок на величину не более 1·Δ₁, где Δ₁ - значение, определяемое из табл. 14 [13]. Наибольший подъем балок по приведенной технологии не превышает 2·Δ₁, однако, в отдельных случаях, при использовании другой технологии, может достигать 20 мм и более.

Таблица 14

Допускаемые относительные вертикальные перемещения соседних балок

В стальных мостах вертикальное перемещение при подъеме пролетного строения на опорах должно быть минимальным, чтобы можно было свободно выправить положение опорной части, либо заменить ее [14]. В балочно-неразрезных пролетных строениях подъем опорного узла на высоту более 2-3 см уже не рекомендуется (подобный подъем должен быть проверен расчетом [14]).

Если допускаемые вертикальные линейные перемещения ДШ окидываются меньше предполагаемых вертикальных перемещений в соответствии с принятой технологией подъема, то ДШ на время проведения работ по подъему должен быть демонтирован.

Другим важным этапом эксплуатации моста может быть его реконструкция, при которой конструктивная схема моста и характер восприятия им нагрузок может быть изменен настолько, что потребуется полный пересчет величин перемещений и их направлений, новое определение вектора перемещений пролетных строений.

Кроме того, надо учитывать возможное увеличение постоянной нагрузки, например, от укладки дополнительных слоев дорожной одежды мостового полотна при текущем ремонте, замены (при капитальном ремонте) перильного ограждения, тротуарных блоков и т.д.

Также необходимо учитывать изменения температурного режима моста при осуществлении некоторых работ по ремонту и обслуживанию моста. Так, укладка асфальтобетона на одной полосе движения приводит к неравномерному по поперечному сечению нагреву пролетного строения моста, вызывающему изгиб пролетного строения. Пример подобного температурного воздействия, имевшего место при производстве работ по укладке мостового полотна на Южном мосту в Киеве, и формулы по учету такого рода перемещений уже приводились в п. 1.3.1.

Начальный этап эксплуатации моста также может значительно влиять на величину и перечень учитываемых перемещений. При этом важно, когда именно устраивались ДШ - непосредственно после работ по бетонированию и устройству проезжей части или нет.

Вообще говоря, лучше всего было бы устраивать ДШ спустя некоторое время после окончания бетонирования, поскольку уже спустя 3 месяца после окончания работ по бетонированию происходят 50...55% всех деформаций усадки (см. табл. 11). В то же время стабилизируется грунтовый массив насыпи, происходят осадки промежуточных и береговых опор. Соответственно, эти перемещения могли бы не учитываться в расчете. Это, в частности, позволило бы снизить требования к ДШ в части допускаемых перемещений, а значит - его стоимость, и избежать неприятных последствий из-за неучета или недостаточно точного вычисления указанных перемещений, которые могут состоять в повреждении ДШ при превышении допускаемых перемещений фактическими.

Как вариант, может оказаться эффективным применение дешевых временных ДШ на некоторый период времени, пока протекает основная масса указанных деформаций. Например, в качестве временных ДШ, можно применить щебеночно-мастичные ДШ. Суть решения состоит в том, что не обязательно рассчитывать такие временные ДШ на восприятие всех возможных перемещений моста в расчетном диапазоне температур, поскольку работа этих ДШ будет происходить не под всеми возможными воздействиями и только в диапазоне температур, определенном для данной местности, для 3-4 месяцев года, когда этот временный ДШ будет выполнять свои функции.

Таким образом, временные ДШ могут иметь допускаемые перемещения, прочность и долговечность, значительно меньшие, чем устанавливаемые на их место впоследствии постоянные ДШ.

Например, щебеночно-мастичные ДШ могут устанавливаться в качестве временных на пролетные строения, предельные перемещения которых значительно превышают максимальные для данного типа ДШ (50 мм), ведь расчетный диапазон температур, например, теплого времени года (май-август) может быть меньше расчетного диапазона температур всего года в 5-6 раз, а наибольшая скорость ветра характерна для холодного времени года, что позволяет учитывать и ветровую нагрузку не в полном объеме. Также можно учитывать только 50% усадочных деформации.

Полезной оказывается организация мониторинга поведения ДШ, позволяющая, в частности, получить информацию о фактических перемещениях торцов пролетных строений путем непосредственных замеров ни реальном объекте [8]. В 2002 г. во время мониторинга поведения и состояния ДШ различных типов, установленных на объектах мостового перехода через р. Волгу у с. Пристанное, были отслежены перемещения деформационных швов и опорных частей за суточный цикл, как с низовой, так и с верховой сторон моста. Были построены графики суточного цикла, а также графики совмещенной работы деформационных швов и опорных частей [9]. Эти графики интересны тем, что могут наглядно характеризовать работу указанных конструктивных элементов мостового полотна моста, а также помогают оценить степень их связи между собой. Например, было установлено, что на прямолинейных участках мостового перехода перемещения мало отличаются от расчетных, тогда как на криволинейных участках наблюдается отклонение величин раскрытия деформационных зазоров от определенных теоретически. Тем самым подтверждается влияние формы в плане пролетных строений, а также конструкции и расстановки опорных частей, на величину и направление вектора перемещений [8].

В условиях недостаточного развития методов расчета перемещений пролетных строений, в особенности, на этапе эксплуатации, мониторинг поведения ДШ крайне важен для понимания пространственной работы пролетных строений мостовых сооружений. Организация мониторинга ДШ на достаточно большом количестве мостов должна проводится и с целью анализа фактической работы ДШ, уточнения действующих на грузок и влияющих на перемещения пролетных строений факторов. По результатам можно будет разработать рекомендации по дальнейшей безотказной эксплуатации ДШ, выбору наиболее рациональных проектных решений, а также создать инженерную методику определения перемещений торцов пролетных строений, учитывающую особенности работы конструктивных элементов мостового сооружения и характер их взаимодействия между собой, и, тем самым реализовать новый подход к решению данного вопроса.

1.4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ ПО ВЕЛИЧИНЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Когда все воздействия учтены, а перемещения от них вычислены, можно приступать к выбору ДШ. При этом необходимо помнить, что типы и конструкции ДШ выбирают по суммарным расчетным перемещениям концов пролетных строений в трех направлениях: в продольном, вертикальном и поперечном с учетом их знаков «+» или «-».

Нагрузки и воздействия, вызывающие деформации, принимают с соответствующими коэффициентами надежности γ_f и γ_t, т.е. определяемые перемещения являются расчетными [24].

Необходимо также помнить, что все из указанных перемещений должны восприниматься конструкцией ДШ. Если данный тип ДШ не подходит хотя бы по одному из них, его применение не допускается.

1) Понятия температуры установки и установочного размера ДШ.

Продольные и поперечные расчетные перемещения разделяют на перемещения положительного (+) и отрицательного (-) знаков:

Δ_прод = Δ_прод(+) + Δ_прод(-),          (42)

Δ_поп = Δ_поп(+) + Δ_поп(-).              (43)

Условную границу отрицательных и положительных перемещений обычно относят к определенной температуре. Данная температура носит название температуры установки ДШ. Ширина зазора ДШ, которую последний будет иметь при этой температуре, называется установочным размером ДШ. С установочного размера начинается изменение знака в векторе перемещений.

Из опыта эксплуатации мостовых сооружений и ДШ на них, оптимальная температура установки ДШ для российских условий будет равна 10°С. При этой температуре каждый ДШ имеет некоторый установочный размер, являющийся важной его характеристикой.

2) Перемещения в случае косого моста или косо установленных опорных частей.

Горизонтальные перемещения ДШ в поперечном направлении имеют место, если угол между ДШ и направлением движения опорной части не равен 90° (к примеру, в косых мостах).

Перемещения и_х и и_у при этом вычисляются по приведенным ниже формулам (44) - (46) для случаев, изображенных на рис. 20, 21 [33].

Рис. 20. Косой и плане мост

Рис. 21. Косо установленные опорные части

и_х = sinφ·и_eff,                          (44)

и_у = cosφ·и_eff,                          (45)

                               (46)

В формулах (44), (45) эффективное перемещение и_eff приравнивается к сумме горизонтальных перемещений от различных факторов, действующих вдоль оси моста (к примеру, от воздействия температуры, ползучести и усадки бетона и пр.).

Следует обратить внимание, что в этом случае горизонтальные продольные перемещения мостового полотна, полученные расчетом, не то же самое, что горизонтальные продольные перемещения ДШ, по величине которых необходимо выбирать ДШ для применения. Величины этих перемещений не совпадают.

Это происходит потому, что перемещения моста вдоль своей оси вызывают как продольные, так и поперечные перемещения ДШ (соответственно и_х и и_у), вследствие того, что ось моста и ось ДШ не перпендикулярны друг другу.

2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДЕФОРМАЦИОННЫМ ШВАМ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ

2.1. ТРЕБОВАНИЯ К ДЕФОРМАЦИОННЫМ ШВАМ

Первоначально для устройства ДШ на мостовых сооружениях использовали стальные листы, перекрывающие зазор между пролетными строениями. С увеличением длин пролетных строений применения накладных листов стало недостаточно, поэтому началось использование гребенчатых ДШ и ДШ со стальными скользящими листами. Все эти типы ДШ не были водонепроницаемы, поэтому вода свободно проникала в деформационный зазор и замачивала торцы пролетных строений, опорные части и опоры, что приводило к быстрому их повреждению. Этот недостаток оказался настолько существенным, что потребовал усложнения конструкции ДШ с учетом требований водонепроницаемости. Первые водонепроницаемые ДШ были построены с применением резиновых трубок, герметизирующих стык пролетных строений и воспринимающих продольные перемещения концов пролетных строений (за счет упругой деформации резины). Таким образом, к задаче обеспечения возможности проезда транспорта над деформационным зазором моста, изначально стоящей перед ДШ, была добавлена еще одна задача - обеспечение герметичности зазора между пролетными строениями.

Это привело к появлению большого количества отличающихся друг от друга КДШ, в которых указанные задачи решались различными способами. Тем не менее, несмотря на непрерывное видоизменение КДШ, они все еще оставались одними из самых уязвимых элементов мостового полотна автодорожных мостов, подверженных быстрому износу, особенно в мостах с интенсивными транспортными нагрузками. КДШ усложнялись и с увеличением длин пролетов мостов, поскольку перемещения таких пролетных строений уже могли превышать 2...2,5 метра.

С течением времени, с ростом требований к качеству путей сообщения и искусственных сооружений на них, к ДШ, устраиваемым на мостах, стали предъявляться все новые и новые требования, а уже существовавшие ужесточались. В современном мостостроении по отношению к КДШ выдвигаются достаточно жесткие требования, охватывающие все аспекты работы ДШ в мостовом сооружении, регламентирующие характеристики применяемых материалов, предписывающие разработчику КДШ предусмотреть, но возможности, нетрудоемкий процесс монтажа, минимальный объем работ по обслуживанию и ремонту КДШ [3]. Кроме того, стало ясно, что для всех возможных видов КДШ необходимо разработать методики их расчета и требования к конструкции.

Конструкция современного ДШ должна обеспечивать выполнение ряда требований, мало зависящих от собственно конструкции и типа ДШ и регламентирующих, прежде всего, потребительские свойства ДШ.

Под термином «потребитель» здесь выступают, во-первых, водители транспортных средств, пассажиры, пешеходы и велосипедисты, а также люди, проживающие неподалеку от моста, для которых определяющими являются критерии комфорта и безопасности проезда и перехода через мост, вопросы снижения уровня шума, а также аспекты охраны окружающей среды, соблюдения экологических требований и эстетики сооружения.

Во-вторых, это организации, эксплуатирующие мост, для которых важными являются требования надежности, долговечности КДШ, низких амортизационных расходов, простоты обслуживания и ремонта, доступности наиболее ответственных узлов и деталей для контроля их состояния или замены. Крайне желательно отсутствие в КДШ дорогих или дефицитных деталей, а также наличие у производителя (поставщика) КДШ отлаженной системы сервисного обслуживания продукции и разработанных рекомендаций по эксплуатации ДШ. Конструкция ДШ должна быть такой, которая обеспечивала бы минимальное влияние ДШ на техническое состояние прочих конструктивных элементов моста.

Третью группу потребителей образуют организации-заказчики строительства, ремонта или реконструкции моста, заинтересованные, помимо прочего, в снижении стоимости КДШ и их установки при сохранении основных технических характеристик и качества исполнения.

В-четвертых, проектировщики мостовых сооружений выдвигают требования универсальности КДШ, которая позволила бы применять ту или иную систему ДШ без изменений (или с незначительными изменениями) на мостах различной конструктивной схемы, габарита, при любой конструкции мостового полотна и при пролетных строениях, изготовленных га различных материалов, а в случае железобетонных плит проезжей части - и при разных схемах армирования. Линейка типоразмеров ДШ должна согласовываться с перемещениями пролетных строений, исходя из наиболее часто встречающихся конструкций пролетных строении мостов, их размеров и используемых материалов. Наконец, установочные размеры ДШ должны обеспечивать беспрепятственное размещение его в пролетных строениях, причем влияние установленного ДШ на несущую способность и динамический режим пролетных строений должно быть сведено к минимуму, как и масса КДШ. Сопротивление перемещению пролетных строений со стороны ДШ должно быть незначительным (либо отсутствовать вообще). Передача нагрузок, воспринимаемых КДШ, на конструкции пролетных строений должна происходить распределение, без образования локальных участков концентрации напряжений.

Учитывая вышесказанное, можно сформулировать следующие требования к конструкции современного ДШ:

1) Обеспечение безопасности и комфортности движения при проезде через ДШ, что достигается:

- уменьшением неровностей мостового полотна между смежными поверхностями разной высоты в районе размещения ДШ до 8,0 мм и менее (рис. 22) [33];

- ограничением максимальных уклонов наклонных поверхностей движения значением 3% (рис. 22) [33];

- применением в зоне проезжей части КДШ, обеспечивающих ширину разрывов (углублений) в проезжей части в направлении движения в пределах 5...65 мм (рис. 22, а) [33, 28];

- применением в зоне тротуаров и велосипедных дорожек КДШ, обеспечивающих неразрывную поверхность тротуара (рис. 22, б). В этом случае максимальные неровности поверхности ДШ не должны превышать 5±2 мм, считая от уровня окаймления ДШ (уровня пешеходного тротуара). Если в зоне движения велосипедистов применяются гребенчатые КДШ, их конструкция не должна создавать разрывы в поверхности движения более 150 мм в направлении движения при 20 мм - поперек направления движения [28];

Рис. 22. Рекомендуемые предельно допустимые величины неровностей и зазоров, создаваемых в проезжей части ДШ

- ограничением неравномерности ширины деформационного зазора (по длине) величиной, не превышающей 10% от ширины зазора [28];

- применением рифления поверхности проезда, упругих, шероховатых накладок, обеспечивающих сцепление колеса автомобиля с верхней поверхностью ДШ не хуже, чем с дорожной одеждой на мосту, чем снижается риск появления над ДШ участка с опасностью пробуксовки или проскальзывания шин автомобиля;

- обеспечением ровности по длине ДШ и стойкости к износу верхней поверхности ДШ, исключением скапливания, застаивания (и замерзания) воды над ДШ, а также устройством переходных зон с уклоном между ДШ и проезжей частью в случае различных отметок верха ДШ и поверхности проезжей части;

- отсутствием установленных в ДШ со стороны проезжей части болтов, шпилек и других деталей, способных в некоторых случаях (например, при выходе из строя ДШ, срыве резьбы болтов) создавать угрозу прокола шин транспортных средств.

2) Низкая шумовая эмиссия ДШ (особенно в городских условиях). Указанное условие можно выполнить при помощи:

- упругих демпфирующих накладок, размещаемых на верхней поверхности ДШ;

- упругих демпфирующих прокладок, укладываемых для снижения грохота между элементами ДШ, подверженными действию динамических нагрузок;

- КДШ, обеспечивающих плавный и ровный проезд через ДШ, не содержащих частей, способных создавать грохот;

- КДШ, обладающих способностью редуцировать шумовую эмиссию в различных направлениях при проезде. Направление распространения шума играет важную роль, поскольку в случае городского моста, а особенно путепровода, уровень шума должен быть низким не только на проезжей части, но и под мостом (путепроводом).

3) Соблюдение экологических требований, достигаемое:

- применением в ДШ составных частей из экологически чистых материалов, не реагирующих со средой с выделением токсических соединений;

- использованием КДШ и ее элементов, утилизируемых после исчерпания ресурса работоспособности;

- применением герметичных КДШ, не допускающих просачивания воды (бензина, масел и т.п.) с проезжей части в пересекаемый мостом водоток.

4) Эстетичность конструкции ДШ важна потому, что верхние элементы ДШ видимы с проезжей части моста. Вследствие этого, ДШ не должен выглядеть чрезмерно выделяющейся, массивной конструкцией, выпадающей из общего архитектурного ансамбля сооружения (ДШ не должен выглядеть «лишней» деталью на мосту). Кроме того, следует избегать применения ДШ, к примеру, с открытыми для обозрения массивными болтами, неровными, необработанными и корродирующими поверхностями (что недопустимо и исходя из других требований).

5) Способность воспринимать расчетные перемещения по всем их направлениям и видам (перемещения и способы их вычисления описаны в главе 1), определяемая, прежде всего, самой КДШ и заложенными в нее на стадии проектирования возможностями.

6) Высокая прочность КДШ и ее элементов. Основной путь обеспечения данного условия - это, прежде всего, развитие методов расчета КДШ, как можно более полный учет воспринимаемых ДШ статических и динамических нагрузок, воздействий и неблагоприятных факторов окружающей среды. В частности, необходимо:

- учитывать усталостную нагрузку, на элементы ДШ. Крайне желательно испытывать КДШ на выносливость;

- производить расчет на динамические воздействия. Хорошие результаты могут быть получены с применением математического моделирования поведения ДШ под динамической нагрузкой [2];

- учитывать возможность механических воздействий на элементы ДШ от снегоуборочных машин, от транспортных средств при их разгоне и торможении на ДШ, от попадающего в зазоры ДШ с поверхности проезжей части (и заклинивающегося там) крупного мусора, а также принимать во внимание нагрузку, возникающую из-за смерзания элементов ДШ;

- иметь в виду возможность деградации материалов под действием солнечного излучения (ультрафиолета), а также бензина, масел и химических средств удаления льда (антиобледенителей), а в случае металлических, элементов - учитывать влияние коррозионных процессов;

- учитывать при необходимости сейсмическую нагрузку;

- принимать во внимание при расчетах зависимость механических характеристик материалов от температуры окружающей среды;

- производить расчет продольных элементов ДШ на восприятие температурных напряжений, особенно в мостах большого габарита;

- предусмотреть возможный случай укладки на мостовом полотне дополнительного слоя асфальтобетона, что повлечет за собой появление перепада высот между дорожной одеждой и поверхностью ДШ и приведет к увеличению динамического воздействия на КДШ;

- предусматривать возможность увеличения грузонапряженности и массы транспортных средств в процессе эксплуатации;

- рассчитывать КДШ на монтажные нагрузки.

7) Надежность и долговечность КДШ. К требованиям обеспечения надежности и долговечности КДШ можно отнести следующие:

- КДШ должна обеспечивать расчетный срок службы в реальных условиях эксплуатации - не менее 20 лет [30] и заменяться во время капитального ремонта сооружения, но не ранее (при испытаниях в лабораторных условиях следует ориентироваться на срок 30 лет, то есть с коэффициентом приведения 1,5) [1];

- расчетный срок службы, как правило, должен ограничиваться выносливостью несущих элементов КДШ, другие элементы должны

- служить столько же, в крайнем случае, легко заменяться по истечении их срока службы или при повреждении;

- в случае сложных конструкций, ДШ должен обеспечивать расчетный ерик службы 50 лет, а стремиться следует к сроку службы в 75 лет [30, 32];

- КДШ должна сохранять работоспособность в расчетном диапазоне температур, при данной грузонапряженности, скорости движения транспорта и классе временной нагрузки, при всех возможных в данной местности погодных условиях, под воздействием средств удаления льда, нефтепродуктов (включая горячий битум и асфальтобетоны) и солнечной радиации;

- следует использовать следующий подход к проектированию ДШ больших и, желательно, средних перемещений (сформулированный специалистами фирмы Maurer Söhne), а именно: не допускать совмещения конструктивными элементами ДШ нескольких функций, к примеру, элемент, выполняющий гидроизоляционную функцию, не должен воспринимать нагрузки от транспортных средств или регулировать величину зазора между несущими элементами. Таким образом, необходимо четко разграничивать составные части КДШ по функциональному признаку как минимум на следующие группы: несущие элементы, гидроизоляционные элементы, анкерные элементы и регулирующие зазор элементы (если последние предусмотрены в КДШ). Кроме того, могут быть применены демпфирующие элементы, опорные элементы (для несущих элементов), элементы, редуцирующие шумовую эмиссию, и другие;

- поверхности КДШ, контактирующие с шинами транспорта, должны быть устойчивыми к истиранию в присутствии песка, льда и снега. То же касается движущихся (скользящих) частей ДШ, если они имеются;

- ДШ должен продолжать выполнять свои функции в случае землетрясения, если его интенсивность не превысила нормативную;

- открытая со стороны проезжей части КДШ должна исключать заклинивание в деформационном зазоре крупных предметов при наименьшем раскрытии зазора. Такие тела должны выдавливаться на поверхность за счет формы зазора ДШ при смыкании Конструкций пролетных строений.

8) Минимальное влияние ДШ на конструкции моста. Требование возможно меньшего воздействия на элементы моста со стороны ДШ можно разделить на несколько требований:

- динамическая нагрузка на конструкции моста, создаваемая ДШ, должна быть минимальной [2]. Этого добиваются за счет более ровной поверхности проезда ДШ, отсутствия перепадов высот, применения скошенных и скругленных кромок элементов, повышения жесткости продольных несущих элементов ДШ. Все это ведет к снижению эффекта «удара» при переезде через ДШ;

- реактивные усилия, передаваемые на несущие конструкции, должны быть минимальными и равномерно распределяться КДШ на возможно большую длину без очагов концентрации напряжений (за счет высокой жесткости продольных элементов ДШ, применения эффективных окаймлений и полимербетонных приливов, рациональной конструкции анкерных креплений, уменьшения их шага, надежной связи с арматурой пролетного строения);

- влияние установленного ДШ на несущую способность, жесткость и долговечность пролетных строений и других элементов моста, должно быть сведено к минимуму;

- КДШ должна быть легко демонтируема полностью. Демонтаж ДШ не должен повлиять на несущую способность, жесткость и долговечность пролетных строений и других элементов моста и возможность установки в мостовое сооружение другой КДШ;

- погонная масса ДШ должна быть как можно меньшей, чтобы не создавать значительной дополнительной нагрузки на несущие конструкции моста;

- КДШ должна быть такой, чтобы при смыкании пролетных строений до недопустимо малой величины для данной КДШ (к примеру, в случае ошибки при определении расчетных перемещений моста или вследствие сейсмического воздействия), последняя не оказалась заклиненной между пролетными строениями, что может привести к разрушению их торцов, а выталкивалась из деформационного зазора наружу, к поверхности проезжей части. При недопустимом увеличении зазора, КДШ должна «рассыпаться» на составные части без их повреждения до выдергивания анкерных креплений из бетона пролетных строений (и до появления трещин), что дает возможность впоследствии быстро и с меньшими затратами отремонтировать ДШ. Также должна быть исключена возможность падения деталей КДШ в деформационный зазор (особенно в случае путепровода);

- КДШ не должна оказывать сопротивления движению пролетных строений в любом направлении. В крайнем случае, сила сопротивления не должна приводить к появлению сколько-нибудь значительных напряжений в конструкциях моста.

- следует обращать внимание на узел сопряжения дорожной одежды с ДШ, проектируя его так, чтобы исключить трещинообразование и разрушение кромки проезжей части, соприкасающейся с ДШ, вследствие динамического воздействия от транспортных средств и концентрации напряжений в этой зоне. Здесь следует применять скругленные кромки контактирующих поверхностей, переходные

- зоны между ДШ и проезжей частью, выполненные, к примеру, из литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих или из полимербетона;

- ДШ не должен мешать независимым деформациям дорожной одежды мостового полотна, что можно осуществить, используя на стыке этих элементов зазор шириной до 15 мм с заполнением мастикой [7].

9) Водонепроницаемость КДШ, выражающаяся не только в полной водонепроницаемости КДШ для нижележащих конструкций моста, но и в уменьшении (лучше - в исключении) воздействия воды на конструктивные элементы самого ДШ. Если позволяет конструкция, ДШ должен иметь в своем составе отдельные элементы, выполняющие сугубо гидроизоляционные функции, не совмещая их с любыми другими функциями (к примеру, восприятия и передачи нагрузок). Гидроизоляционный барьер ДШ должен составлять единое целое с гидроизоляцией мостового полотна, образуя неразрывную систему. Вода, попадающая в ДШ, должна сразу же удаляться в систему водоотвода мостового сооружения, причем следует иметь в виду следующие особенности:

- на мостах с наличием продольного уклона в систему водоотвода ДШ может попадать довольно значительное количество воды с поверхности проезжей части. Скорость удаления воды и пропускная способность дренажной системы ДШ должна соответствовать этому количеству воды;

- уклоны лотков и дренажа ДШ должны быть достаточными для быстрого удаления воды и промывания от мусора, наличие которого ведет к застаиванию воды, но не быть менее 5% [1] (для обеспечения промывания лотка от грязи необходим уклон 7-10%);

- если конструкция водоотвода ДШ открытая (имеется зазор в поверхности проезжей части), то она должна обладать способностью к самоочищению от крупного мусора, создающего угрозу засорения. Для этого система проектируется так, чтобы обеспечить вынос мусора на поверхность проезжей части колесами проходящего транспорта и выдавливание его на поверхность при минимальном раскрытии деформационного зазора.

10) Простота эксплуатации ДШ на мостовом сооружении включает в себя следующие условия:

- КДШ должна быть свободной от обслуживания в течение срока эксплуатации, будучи правильно установленной и примененной по назначению (т.е. при совпадении фактических нагрузок, перемещений и прочих условий эксплуатации с допускаемыми);

- плановые осмотры ДШ должны производиться с определенной периодичностью (не больше 3-4 раз в год) на предмет выявления дефектов и повреждений;

- КДШ должна предусматривать возможность осмотра наиболее ответственных элементов со стороны проезжей части;

- КДШ должна быть неподверженной повреждению ножом снегоочистителя;

- следует избегать применения в КДШ таких элементов, как болтовые соединения, пружины, поскольку последние требуют постоянного контроля и обслуживания (донатяжки болтов, контроля натяжения и подтяжки пружин).

11) Ремонтопригодность и простота монтажа КДШ. Ремонтопригодность и простота монтажа включает в себя ряд требований:

- доступность всех основных элементов ДШ для их ремонта и замены; доступ к элементам должен обеспечиваться со стороны проезжей части;

- ДШ должны поставляться в максимальной заводской готовности;

- установка ДШ должна быть осуществима с наименьшими трудозатратами и быстро, к примеру, с начала установки и до момента, когда ДШ начинает воспринимать перемещения пролетных строений, должно проходить несколько часов (как правило, ДШ должны устраиваться в течение одной ночи);

- использование простой технологии стыковки ДШ из секций, позволяющей осуществлять это на стройплощадке.

12) Низкая стоимость КДШ. Стоимость ДШ мостовых сооружений может достигать 1,5% от сметной стоимости моста, поэтому вопрос удешевления КДШ весьма актуален. Основной путь уменьшения расходов - это разработка новых систем ДШ, снижение материалоемкости конструкций и применение современных недорогих материалов с высокими физико-механическими характеристиками. Главное условие - снижение стоимости должно быть не в ущерб качеству конструкции. Необходимо помнить, что ремонт пролетных строений, опор, опорных частей, поврежденных из-за применения некачественного ДШ, обойдется дороже, чем качественный и надежный ДШ, с помощью которого можно было бы всех этих расходов избежать.

Стоимость обслуживания ДШ также подлежит снижению. Здесь стремиться следует к разработке надежных КДШ, не нуждающихся в обслуживании вообще. Узлы и детали КДШ, подверженные износу, должны быть недорогими и легко заменяемыми. Важным условием является наличие отлаженной сервисной службы у поставщика (производителя) ДШ, позволяющей быстро и с наименьшими затратами ремонтировать вышедший яз строя ДШ. Немаловажны затраты на утилизацию ДШ после истечения срока службы, которые могут быть значительными.

13) Универсальность КДШ. Универсальность конструкции ДШ предполагает реализацию при проектировании КДШ следующих принципов:

- одна и та же система ДШ должна обладать рядом принципиальных решений крепежа (анкерных элементов), которые позволили бы, не перепроектируя КДШ, обеспечить надежное крепление КДШ к любому из известных конструктивных решений пролетных строений. Должна быть реализована возможность применения в месте сопряжения различных по конструкции и используемому материалу пролетных строений (например, железобетонного и металлического) КДШ с разными анкерными элементами. КДШ должна быть оптимизирована для возможно более простого перехода с одной системы крепежей на другие, что обеспечит быстрое и малозатратное индивидуальное перепроектирование анкерных элементов под уникальные пролетные строения. Указанный принцип, кроме того, обеспечивает большую надежность анкерных элементов как результат учета особенностей каждой конструкции пролетных строений;

- установочные размеры, а сюда включаются и габаритные размеры анкеров, и конструкций, находящихся под проезжей частью, должны обеспечивать размещение ДШ в большинстве применяемых в мостостроении пролетных строений с учетом их основных геометрических, размеров;

- ДШ должен иметь конструкцию, позволяющую использовать его при различных толщинах и конструкциях дорожной одежды на мосту (и, если это необходимо, прилегающих участков подходов);

- КДШ должна обеспечивать нормальную работу в широком диапазоне углов косины моста;

- помимо ДШ для проезжей части каждая КДШ должна иметь решение для зоны тротуаров и переходной зоны между проезжей частью и тротуарами (переходную секцию). Все три участка ДШ должны иметь возможность стыковаться в единую конструкцию перед установкой ДШ в мостовое сооружение, причем гидроизоляция ДШ не должна нарушаться на переходе от одного участка к другому,

- величины допускаемых перемещений должны быть привязаны к наиболее часто встречающимся величинам расчетных перемещений пролетных строений, прежде всего зависящим от габаритных размеров последних. Габаритные размеры пролетных строений с малыми и средними перемещениями, как правило, уже унифицированы. Исходя из этого, должна формироваться линейка рациональных типоразмеров ДШ, позволяющая подобрать ДШ для каждого конкретного случая с минимальным превышением допускаемых перемещений над расчетными;

- для больших перемещений желательно применение принципа модульности, заключающегося в том, что конструкцию ДШ для восприятия больших перемещений собирают из последовательно соединенных деформационных модулей, каждый из которых обеспечивает допускаемое перемещение, как правило, до 60...80 мм. Соединением необходимого числа таких модулей и обеспечивают восприятие значительных перемещений (в современных ДШ до 2000-2500 мм и более).

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

К настоящему времени создано и эксплуатируется на мостовых сооружениях большое количество типов ДШ. Постоянное стремление к совершенствованию работы ДШ на мостах породило большое многообразие этих конструкций. К тому же, многие ДШ, особенно на больших и внеклассных мостах, разрабатывались индивидуально для каждого мостового сооружения, что влекло за собой трудности дальнейшего анализа их поведения.

В основу работы разных КДШ были положены различные принципы, разные КДШ имели свои специфические достоинства и недостатки, области рационального применения. В отсутствие методик расчета подобных конструкций, это способствовало развитию ситуации, когда некоторые из устроенных ранее на мостах ДШ показали удовлетворительные результаты работы, другие же - но не вполне ясным причинам отказывали через 2-3 года эксплуатации. Несмотря на это, анализируя накопленный опыт создания и применения конструкций ДШ, проектировщики остановились на сравнительно небольшом ряде принципиальных решений ДШ, зарекомендовавших себя как наиболее удачные, от прочих же отказались. В дальнейшем, для этих систем ДШ стали постепенно появляться нормативные требования к проектированию, конструированию и расчету, благодаря чему стало наблюдаться большее сходство в технических характеристиках и поведении ДШ одной системы, пусть даже производства различных фирм.

В основу классификации ДШ мостовых сооружений положены конструктивные особенности этих изделий. В нашей стране традиционно деление КДШ на группы производилось следующим образом. Выделялись группы ДШ, схожие по принципу перекрытия деформационного зазора.

Соответственно группы объединяли [23]:

а) ДШ закрытого типа;

б) ДШ открытого типа;

в) ДШ перекрытого пита;

г) ДШ заполненного типа.

В некоторых случаях группу (б) вообще не выделяли, ограничиваясь делением на три группы [7].

К настоящему времени можно выделить несколько в определенной степени независимых групп, объединяющих КДШ, в основу работы которых заложены одни и те же принципы и, что важнее, имеющих, в пределах группы, похожий перечень достоинств и недостатков. ДШ одного типа характеризуются тем, что имеют довольно четко очерченную область рационального применения, ограниченную возможностями конструктивного, решения и соображениями экономической целесообразности. Специфичным является и набор дефектов, выявляемых в ДШ одной группы при работе в похожих условиях на мостовых объектах.

Таким образом, основываясь на существующей классификации, в настоящее время можно выделить следующие основные группы ДШ:

а) ДШ закрытого типа;

б) щебеночно-мастичные ДШ;

в) ДШ заполненного типа;

г) ДШ перекрытого типа;

д) ДШ с упругим компенсатором.

На деле представляет интерес более мелкое деление указанных групп на подгруппы по конструктивным особенностям, поэтому при описании указанных групп ДШ в последующих главах будет приводиться и более подробное деление.

Далее подробно рассматриваются указанные типы ДШ. По возможности, использовались традиционно устоявшиеся русскоязычные названия типов ДШ, поэтому в некоторых случаях приводятся также наиболее часто встречающиеся англоязычные варианты названий описываемых типов ДШ. Это связано также с некоторым различием классификации ДШ на типы за рубежом и в России.

3. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ ЗАКРЫТОГО ТИПА

Деформационные швы закрытого типа (buried expansion joints) используются в местах сопряжения разрезных пролетных строений малой длины, установленных на подвижные опорные части, а также в местах сопряжения разрезных, неразрезных и температурно-неразрезных цепей балочных пролетных строений, установленных на неподвижные опорные части.

3.1. ВОСПРИНИМАЕМЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Во всех случаях воспринимаемые ДШ закрытого типа перемещения в продольном направлении, как правило, не превышают 10... 15 мм [33]. Возможно применение конструкций при продольных перемещениях до 20 мм. Вертикальные перемещения при этом должны быть не более 1,3 мм [28].

3.2. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ ЗАКРЫТОГО ТИПА

ДШ закрытого типа, конструкция которого в общем случае приведена на рис. 23, является оптимальным решением для самых малых перемещений, и это определяет простоту его конструкции. Перемещения пролетных строений воспринимаются за счет упругой деформации дорожной одежды, уложенной над зазором, зачастую без применения для компенсации перемещений каких-либо дополнительных мер. Для данного типа ДШ используется непрерывное трещиностойкое асфальтобетонное покрытие над ним. Зазор между смежными пролетными строениями в ДШ закрытого типа перекрывается опорным элементом 4 (рис. 23), представляющим собой металлическую пластину, служащую основанием для вышележащей дорожной одежды или упругим уплотняющим элементом, выполняющим, кроме опорной, еще и функцию дополнительной гидроизоляции. Функцию основной гидроизоляции ДШ выполняет, как правило, гидроизоляция дорожной одежды мостового полотна 1 (рис. 23), которая может неразрывно проходить над швом (рис. 23, 24, 26). Так спроектирован ДШ конструкции ЦНИИС типа ДШМ-1-10 на перемещение 10 мм (рис. 24). Гидроизоляция может разрываться, передавая свои функции на участке над деформационным зазором резиновому компенсатору ДШ (как устроен ДШ конструкции ЦНИИС типа ДШР-1-10 на то же перемещение (рис. 25)).

В качестве дополнительного элемента может применяться эластичная прокладка, отделяющая деформирующуюся дорожную одежду от опорного элемента (рис. 24). Данная мера предназначена для снижения сцепления между дорожной одеждой и поверхностью опорного элемента и обеспечения более равномерных и свободных деформаций дорожной одежды и рекомендуется при перемещениях более 10 мм. В отдельных случаях для этой цели используются металлические отделяющие листы, разделяющие покрытие проезжей части и защитный слой.

Рис. 23. Вариант исполнения ДШ закрытого типа: 1 - пластичный заполнитель (мастика); 2 - армирование дорожной одежды, 3 - гидроизоляция мостового полотна; 4 - металлический или упругий опорный элемент

Рис. 24. Схема деформационного шва закрытого типа ДШМ-1-10 конструкции ЦНИИС с опорным элементом в виде металлической пластины:

1 - металлическая опорная пластина; 2 - отделяющая прокладка s - 2-5 мм из мастики, герметика, или рулонной гидроизоляции; 3 - выравнивающий слой; 4 - гидроизоляция, 5 - защитный, слой из асфальтобетона толщиной 30-40 мм; 6 - асфальтобетонное покрытие; 7 - зазор между пролетными строениями

Иногда может использоваться система дренажа (рис. 25), расположенная под дорожной одеждой (система подповерхностного дренажа).

Рис. 25. Конструкция деформационного шва ДШР-1-10:

1 - резиновый уплотнитель зазора; 2 - герметизирующая мастика; 3 - выравнивающий слой; 4 - гидроизоляция мостового полотна; 5 - защитный слой из асфальтобетона толщиной 55-40 мм; 6 - асфальтобетонное покрытие; 7 -зазор между пролетными строениями; 8 - дренаж

Может также использоваться мастичное заполнение 1 (рис. 23), укладываемое в узкую штрабу в дорожной одежде для снижения риска трещинообразования. Так решены ДШ фирмы Stirling Lloyd типа Sentinel™ B1-В4, что позволило добиться для них допускаемых перемещений до 20 мм.

Для тех же целей в некоторых случаях применяется армирование дорожной одежды металлической или синтетической сеткой (к примеру, из полиэстера). Таким образом, например, выполнены ДШ, сконструированные ОАО «Трансмост» (типа ДШТ), перемещения в котором составляют также 20 мм. В них использован приклеиваемый к бетону или металлу одного из пролетных строений резиновый опорный компенсатор 1 (рис. 26), дополнительно герметизированный силиконовым герметикой, рулонная гидроизоляция типа изопласт (или мостопласт), неразрывная над зазором.

Рис. 26. Схема деформационного шва типа ДШТ (конструкция ОАО «Трансмост») на перемещения до 20 мм:

1 - резиновый компенсатор

Для армирования дорожной одежды используется геосетка HaTelit^® С40/17 (производства HUESKER Synthetic GmbH & Co. KG) с ячейкой 40×40 мм, предназначенная для армирования асфальтобетона. Сетка имеет предельную прочность на растяжение 50 кН/м, прочность при 3%-м удлинении 12 кН/м. Относительное удлинение при разрыве сетки - до 12% от первоначальной длины. Обычно ширина уложенной полосы армирующей сетки составляет не менее одного метра.

Наконец, необходимо упомянуть ряд устаревших и на сегодняшний день уже не применяющихся конструкций ДШ закрытого типа с прерывающейся гидроизоляцией, в которых вместо резинового компенсатора был применен металлический компенсатор.

3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ

Деформационные швы закрытого типа можно классифицировать по типу применяемого опорного элемента:

- с металлической опорной пластиной;

- с упругим несущим компенсатором;

- с металлическим компенсатором (устаревшие).

Важно разделять рассматриваемые ДШ и по типу применяемой дорожной одежды, к примеру, на ДШ с обычным и литым асфальтобетоном. По характеру расположения гидроизоляции мостового полотна в зоне расположения ДШ делятся на типы:

- с непрерывной гидроизоляцией;

- с прерывающейся гидроизоляцией.

По типу применяемых дополнительных элементов, ДШ закрытого типа могут принадлежать к любой из следующих категорий (или к нескольким одновременно):

- с армированием дорожной одежды;

- с системой подповерхностного дренажа;

- с отделяющей опорный элемент эластичной прокладкой;

- с отделением покрытия от защитного слоя металлическими листами;

- с прорезанным над ДШ покрытием с заполнением прорези пластичным материалом.

3.4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

Обследования, проведенные до 1978 г. в России [23] позволили выявить неудовлетворительную работу ДШ закрытого типа в пролетных строениях длиной начиная с 18 м в южных районах России, и начиная с 10-15 м - в северных и центральных районах, где температура воздуха зимой опускается до - 25°С и ниже.

Основной обнаруживаемый дефект - наличие в асфальтобетонном покрытии бугров и трещин в зоне шва, отсутствие герметичности. Это объясняется низкой деформативностью обычного асфальтобетона (особенно при отрицательных температурах). Применяемые в дорожном строительстве асфальтобетоны допускают растяжение с учетом реологических свойств материала до 0,3-0,6% от первоначального размера при температурах - 20°С, вследствие чего при ширине деформационного зазора 5 см трещины образуются даже при перемещениях концов пролетных строений до) мм (в области отрицательных температур) [23]. Практически перемещения концов пролетных строений в автодорожных мостах значительно превышают эту величину. Возможно образование трещин даже от суточных колебаний температур воздуха. Расположение обнаруженных трещин - или по краям опорного элемента, или посередине деформационного зазора (по оси ДШ).

В образовавшуюся трещину попадает грязь или снег, уплотняемые колесами автомобилей, и при удлинении пролетного строения асфальтобетон выпучивается. Как правило, выпучивание начинается весной при сжатии покрытия. При годовой амплитуде перемещений концов пролетных строений до 6-8 мм образование бугров и разрушение асфальтобетона у швов не происходит, даже если расчетные температуры воздуха снижаются до - 35°С, хотя трещина в покрытии возникает [23]. В этих диапазонах перемещений закрытые швы применять можно.

Стремление предотвратить разрушение швов с непрерывным покрытием привело к появлению конструкций, в которых делалась попытка включить в работу на воздействие перемещений большие участки асфальтобетона, отделив его на некоторой длине от нижележащих слоев. Однако такие конструктивные решения оказывались не всегда эффективными из-за невозможности обеспечить надежное отделение от нижележащих слоев или из-за недостаточной толщины отделенного покрытия. В частности, не удалось обеспечить надежное отделение покрытия от защитного слоя с помощью толевых прокладок и предотвратить его разрушения при перемещениях более 10 мм. Также не дало ощутимых результатов отделение покрытия стальными листами. При наличии сцепления асфальтобетона со стальным листом (а прочность сцепления может достигать 25 кгс/см по срезу) деформации не рассредотачиваются, а концентрируются по концам листа, вызывая в этих местах появление трещин. Кроме того, из-за неплотного опирания листов на основание в покрытии возникают трещины даже в момент уплотнения асфальтобетона. Однако имеется и положительный опыт применения закрытых ДШ с отделением покрытия в районах с температурой воздуха зимой не ниже -25°С и перемещениях до 10 мм. Толщина покрытия составляла при этом 80-90 мм, толщина стального листа - 6 мм.

В ДШ закрытого типа с обычным асфальтобетонным покрытием обнаруживается также еще один недостаток - водопроницаемость асфальтобетонного покрытия. В связи с этим, в таких конструкциях нельзя обойтись без применения дополнительного резинового компенсатора, уплотняющего деформационный зазор (рис. 25, 26).

По итогам проведенных в России и за рубежом исследований была установлена целесообразность нежесткого армирования асфальтобетона (сетками из прочных полиэфирных нитей, нейлона, стекловолокна), а в некоторых случаях - с одновременным улучшением деформативных свойств асфальтобетона за счет специальных добавок.

3.5. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ

Основная причина разрушения отечественных конструкций ДШ закрытого типа - использование их при перемещениях, которые не могут быть восприняты асфальтобетоном без появления в нем трещин. При определении допустимых перемещений этих ДШ не учитывают прочностные и деформативные свойства материала покрытия, а также циклическое воздействие перемещений и временной нагрузки (усталость). В результате этого область использования закрытых швов оказывается существенно завышенной.

Дальнейшее расширение области применения закрытых швов и повышение их надежности, прочности и долговечности немыслимо без повышения трещиностойкости покрытия. В настоящее время существуют несколько способов повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия:

- повышение деформативных свойств асфальтобетона, укладываемого в зоне ДШ;

- увеличение толщины покрытия;

- отделение опорного элемента упругими прокладками;

- армирование покрытия над ДШ;

- прорезывание покрытия над ДШ с заполнением прорези пластичным материалом;

- комбинированный способ.

Улучшение асфальтобетона, а именно, повышение его деформативных свойств, связано с улучшением следующих показателей: предела прочности, относительного удлинения и скорости релаксации напряжении в асфальтобетоне. Указанные показатели могут быть улучшены, па-пример, с помощью специальных добавок в асфальтобетон, а также при соблюдении технологии изготовления и укладки асфальтобетона. Однако в настоящее время лучшие результаты могут быть достигнуты в случае применения в качестве покрытия литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих. В частности, может быть применен асфальтобетон, приготовленный и уложенный по технологии, использованной при строительстве автодорожного моста через р. Волгу у с. Пристанное в районе г. Саратова [6, 10]. В указанном случае толщина покрытия составила 110 мм, а само покрытие представляет собой единую монолитную конструкцию, выполненную на основе однотипных материалов, что способствует равномерному распределению деформаций во всех направлениях. Это асфальтобетонное покрытие обладает хорошей трещиностойкостью, водонепроницаемостью и долговечностью, что позволяет рекомендовать его к применению для устройства ДШ закрытого типа. Такой ДШ может армироваться сеткой из полиэстера (как, например, сделано в конструкции, показанной на рис. 26), что дает хорошие результаты.

Необходимо коснуться также способа улучшения работы ДШ, при котором равномерное распределение деформаций в толще покрытия достигается увеличением толщины последнего. Очевидно, что данный способ имеет свои границы применимости и при общем стремлении разработать для мостового полотна конструкцию дорожной одежды возможно меньшей толщины, может быть рекомендован как решение проблемы лишь в ограниченном количестве случаев, как правило, для уже существующих мостов.

На данном этапе общепринятым является отделение дорожной одежды от поверхности опорного элемента при помощи упругих прокладок (рис. 24). Применение таких прокладок позволяет дорожной одежде, воспринимая перемещения пролетных строений, более свободно деформироваться. Кроме того, упругая прокладка уменьшает концентрацию напряжений на торцах опорного элемента, а зачастую именно в этой зоне происходит образование трещин.

За рубежом накоплен значительный опыт применения ДШ, в которых трещиностойкость асфальтобетона повышена за счет его армирования, прорезывания покрытия над ДШ с заполнением прорези пластичным материалом (мастикой) или комбинированным путем.

Армирование позволяет снизить концентрацию напряжений в покрытий над швом, вовлечь в работу, на горизонтальное перемещение сравнительно широкие участки асфальтобетона, в 2-4 раза превышающие размер отделенного опорным элементом участка покрытия, избежать появления концентрированной трещины за счет более или менее равномерного распределения микротрещин на определенной ширине.

На основании опыта эксплуатации ДШ закрытого типа было установлено, что предельные перемещения, воспринимаемые конструкцией ДШ закрытого типа с непрерывным покрытием из обычного асфальтобетона, с использованием армирования я без него, не превышают значений, приведенных в табл. 15 [23].

Таблица 15

Предельные перемещения, допускаемые на ДШ закрытого типа с непрерывным покрытием на основе обычного асфальтобетона, мм

Примечание. h - толщина асфальтобетонного покрытия.

Другой способ, заключающийся в прорезывании покрытия над ДШ, дает в сечении примерно посередине деформационного зазора явный концентратор напряжений. Как результат, можно ожидать появления трещины именно в этом сечении. На этот случай в конструкции предусматривается заполнение выполненной прорези пластичным материалом (мастикой), что обеспечивает защиту образовавшейся трещины от проникания воды, грязи и, как следствие, от дальнейшего неконтролируемого развития. Большинство зарубежных ДШ закрытого типа используют такое решение как характерную деталь конструкции.

Комбинированный способ (рис. 23) сочетает применение армирования покрытия и герметизированной прорези-концентратора напряжений. Смысл использования способа, по-видимому, заключается в том, что концентратор напряжений влечет образование трещины в защищенном от воды сечении, а армирующая сетка предотвращает образование трещин в других местах, например, развивающихся от торцов опорного элемента. Механизм работы таких комбинированных систем нуждается в изучении и разработке методов расчета.

3.6. ВЫВОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

ДШ закрытого типа обладают рядом неоспоримых достоинств, таких как, к примеру, перечисленные далее:

- предельная простота устройства;

- малая стоимость;

- минимум деталей, отсутствие сложных узлов и низкая материалоемкость;

- ровная поверхность, хорошее сцепление с колесом автомобиля;

- невосприимчивость к повреждению снегоочистителями.

Однако кроме достоинств, ДШ закрытого типа имеют и недостатки:

- зависимость характеристик ДШ от конструкции дорожной одежды, что требует их индивидуального проектирования;

- зависимость характеристик ДШ от состояния дорожной одежды, применяемых материалов, температуры воздуха;

- подверженность воздействию агрессивной среды (средств удаления льда, нефтепродуктов) из-за большого количества микротрещин в покрытии из обычного асфальтобетона;

- плохая износостойкость;

- практически полная неремонтопригодность;

- водопроницаемость и недолговечность в покрытиях из обычного асфальтобетона;

- неудовлетворительная работа на угловые и вертикальные перемещения (изгиб и сдвиг дорожной одежды);

- невозможность применения в мостах с непластичным покрытием (например, цементобетонным).

На основе анализа наиболее характерных дефектов, а также отечественного и зарубежного опыта конструирования и применения ДШ закрытого типа, можно сформулировать следующие специфические требования к конструкции ДШ рассматриваемого типа, в добавление к требованиям, приведенным ранее в главе 2:

- в качестве покрытия мостового полотна в зоне над ДШ и на прилегающих участках рекомендуется использовать литой асфальтобетон на основе полимербитумных вяжущих [10];

- при использовании обычного асфальтобетона необходимо применение дополнительного уплотнения деформационного зазора;

- для более равномерного распределения деформаций по толщине покрытия, в горизонтальном направлении толщина и конструкция дорожной одежды над ДШ и прилегающих участках должны быть одинаковыми. Для обеспечения этого условия возможно применение конструкции ДШ, в которой опорный элемент заглубляется в плиту проезжей части (выравнивающий слой) (рис. 23);

- толщина дорожной одежды в районе расположения ДШ должна быть не менее 80 мм; большая толщина способствует более равномерному распределению деформаций;

- предельные перемещения, допускаемые на ДШ с непрерывным покрытием на основе обычного асфальтобетона не должны превышать значений, приведенных в табл. 15;

- в качестве основной гидроизоляции ДШ необходимо использовать гидроизоляцию мостового полотна, которая должна проходить над ДШ не прерываясь;

- опорные элементы должны быть отделены от дорожной одежды при помощи упругих прокладок для уменьшения концентрации напряжений на краях; эти прокладки могут выполнять еще и функции дополнительной гидроизоляции зазора;

- хорошие результаты дает применение подповерхностной системы дренажа (рис. 25), однако использование такой системы влечет усложнение конструкции ДШ и технологии его устройства, поскольку требует точной выверки уклонов отводящих каналов; вдобавок, такая система абсолютно неремонтопригодна;

- рекомендуется также применение герметизации опорных элементов герметиками и мастиками. Применение мастик, кроме того, способствует более легкому перемещению опорных элементов (рис. 23);

- для снижения концентрации напряжений желательно выполнять опорные пластины с криволинейной верхней поверхностью и заостренными торцами (рис. 26), что также облегчит перемещение опорных элементов в толще дорожной одежды;

- дорожная одежда над ДШ должна быть, по возможности, армирована неметаллической сеткой (например, из полиэстера);

- следует с осторожностью применять ДШ с прорезанным покрытием, поскольку велика вероятность разрушения кромок покрытия под воздействием колес проходящего транспорта. Необходимо обращать внимание на меры, предотвращающие или уменьшающие указанное явление (скругление кромок, подбор заполнителя и т.д.);

- работоспособность конструкции ДШ в каждом конкретном случае применения должна проверяться расчетом с учетом зависимости характеристик материалов от температуры окружающей среды.

4. ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ

Рассматриваемые в данной главе ДШ обычно называют щебеночно-мастичными ДШ (ЩМДШ) или мастичными ДШ. Традиционные англоязычные названия ЩМДШ: asphaltic plug joints, asphalt plug joints или, иногда, bitumen-elastomer joints. Впервые примененные в Европе, ЩМДШ достаточно быстро распространились по всему миру, став одними из наиболее популярных решений для мостов с малыми температурными перемещениями пролетных строений.

Нередко ЩМДШ рассматриваются как дальнейшее развитие ДШ закрытого типа, однако, анализируя конструктивные особенности данною типа ДШ, справедливее будет выделить их в отдельную группу. Объясняется это тем, что ЩМДШ, в отличие от ДШ закрытого типа, представляет собой законченную конструкцию, элементы которой необходимо проектировать отдельно от других конструкций моста, тогда как ДШ закрытого типа неотрывно привязан к конструкции дорожной одежды, воспринимающей перемещения и являющейся одним из важнейших его элементов.

4.1. ВОСПРИНИМАЕМЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

ЩМДШ воспринимают горизонтальные продольные перемещения, находящиеся в пределах от 5 до 40 мм [28, 33, 34] (в отдельных случаях до 50 мм [9, 29]). Вертикальные перемещения не должны превышать 3 мм [28]. Угловые перемещения должны быть незначительными, либо вообще отсутствовать [28, 33].

4.2. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ

Простейшая конструкция ЩМДШ приведена на рис. 27. Конструкцию составляют два основных элемента: опорный элемент, выполненный и виде металлической пластины, перекрывающий зазор между пролетными строениями и служащий основанием для вышележащей щебеночно-мастичной смеси заполнения, и щебеночно-мастичная смесь, укладываемая в штрабу, выполненную в дорожной одежде мостового полотна. Щебеночно-мастичная смесь, подвижная во всех направлениях, деформируясь, воспринимает перемещения концов пролетных строений.

На практике применяются более сложные и совершенные конструкции ЩМДШ. К примеру, ЩМДШ типа Viajoint фирмы Freyssinet (рис. 28) имеет в своем составе уплотнитель зазора, выполняющий гидроизоляционную функцию. Он же препятствует вытеканию мастики в зазор при устройстве ДШ. Ширина пластины, выполняющей роль опорного элемента, составляет 200 мм. Опорная пластина выполнена из алюминия для предотвращения коррозии элементов конструкции. Для обеспечения высокого коэффициента сцепления поверхности с колесом автомобиля используется посыпка поверх ДШ фракционированным материалом. ЩМДШ обеспечивает восприятие перемещений в пределах 15-35 мм, то есть 20 мм. Основные размеры ЩМДШ приведены на рис. 28.

Щебеночно-мастичная смесь заполнения

Рис. 27. Вариант исполнения простейшего щебеночно-мастичного ДШ

Рис. 28. Конструкция ЩМДШ типа Viajoint фирмы Freyssinet на перемещение 20 мм:

1 - уплотнитель зазора (пористый материал); 2 - щебеночно-мастичная смесь; 3 - опорная пластина (алюминий); 4 - покрытие проезжей части; 5 - гидроизоляция мостового полотна

Кроме указанных элементов, ЩМДШ может содержать систему подповерхностного дренажа и иметь другие конструктивные особенности [31]. Так, например, спроектирован ЩМДШ типа ДШМ-2-25 конструкции ЦНИИС (рис. 29) [1]. Его предельные перемещения приведены в табл. 16.

Таблица 16

Рис. 29. Схема ЩМДШ типа ДШМ-2-25 конструкции ЦНИИС:

1 - металлическая опорная пластина; 2 - герметизирующая мастика; 3 - щебеночно-мастичное заполнение; 4 - гидроизоляция мостового полотна; 5 - защитный слой (асфальтобетона толщиной 30 мм); 6 - двухслойное асфальтобетонное покрытие общей толщиной 70-80 мм; 7 - дренаж

Система подповерхностного дренажа 7 (рис. 29), уложенная за пределами размещения щебеночно-мастичного материала 3, предназначена для отвода воды, стекающейся в направлении к ЩМДШ по поверхности гидроизоляции мостового полотна 4. Кроме этого, вода может поступать через трещины, образующиеся на стыке дорожной одежды и ЩМДШ. Для предотвращения этого также используется покрытие смежных граней дорожной одежды и ЩМДШ герметизирующей мастикой 2. Та же мастика используется для герметизации опорной пластины. Наконец, еще одной специфичной деталью ЩМДШ является использование металлической опорной пластины с продольным ребром жесткости, обеспечивающим ровность (и плотность прилегания) опорной пластины в направлении вдоль оси ЩМДШ. Это ребро также ограничивает смещения опорного элемента в направлении вдоль оси моста и перекосы в плане, исключая вероятность схода опорной пластины с одного из пролетных строений во время эксплуатации. Материал заполнения штрабы - щебеночно-мастичная смесь, приготовленная на основе резинобитумных или полимербитумных вяжущих.

В конструкциях ШМДШ может применяться армирование щебеночно-мастичной смеси сеткой, как сделано в конструкции ЩМДШ, производимой ЗАО «Ирмаст-Холдинг» (рис. 30). Конструкция предназначена для восприятия горизонтальных перемещений пролетных строений до 70 мм и вертикальных - до 6 мм. В описанной, конструкции ШМДШ (рис. 30) также используется отделение щебеночно-мастичной смеси от опорного элемента (выполненного из стали) при помощи уложенной поверх опорного элемента алюминиевой фольги, покрытой антиадгезивом.

Поскольку щебеночно-мастичная смесь при нормальной работе ЩМДШ практически водонепроницаема, достоинства конструкции ЩМДШ в большей степени раскрываются в случае ее использования совместно с покрытием из литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих, проявляющего также хорошую водонепроницаемость. Щебеночно-мастичная смесь ЩМДШ должна приготовляться также на основе полимербитума. Такое решение позволяет создать конструкцию с хорошими эксплуатационными показателями, поскольку наиболее уязвимый узел - стык ЩМДШ с дорожной одеждой оказывается герметичным за счет высокой адгезии применяемых материалов друг к другу.

Рис. 30. ЩМДШ на перемещения 70 мм ЗАО «Ирмаст-Холдинг»:

1 - дорожная одежда, 2 - грунтовка слоем мастики; 3 - гидроизоляция; 4 - полимерная армирующая сетка; 5 - компенсатор; 6 - пролетные строения; 7 - защитный слой

Такая концепция Проектирования реализована в следующей конструкции ЩМДШ, разработанной ФГУП СПИЦ Росдортех и названной РДТ - МДШ (рис. 31). Этот ДШ способен воспринимать перемещения до 50 мм (горизонтальные) и до 10 мм (вертикальные) при продольном уклоне моста до 20‰ при максимальной ширине штрабы шва 750 мм.

Кроме названных особенностей конструкции, следует отметить также применение в ЩМДШ уплотнители зазора 6 (рис. 31), изготовленного из термостойкого материала (пенополиуретана, крученой пеньки, пропитанной битумом и т.п.), герметизированного заливкой сверху полимербитумом 7. Уплотнитель зазора 6 удерживается в зазоре от выпадения с помощью алюминиевых скоб 13, установленных с определенным шагом, а опорный элемент крепится к одному из пролетных строений гвоздями.

Рис. 31. Схема ЩМДШ типа РДТ - МДШ (с литым асфальтобетоном):

1 - пролетное строение; 2 - выравнивающий слой; 3 - гидроизоляционная мастика, уложенная по сетке Hatelit; 4 - асфальтобетон (защитный слой); 5 - литой асфальтобетон; 6 - уплотнитель зазора; 7 - герметик; 8 - перекрывающая полоса, 9 - щебеночно-мастичная смесь; 10 - смесь полимербитумного вяжущего со щебнем; 11 - слой полимербитумного вяжущего; 12 - полимербитумное вяжущее с посыпкой щебнем; 13 - скоба

К конструкциям, подобным рассмотренной выше, относится ЩМДШ типа Thormajoint фирмы Lafrentz-Fachausschuβ (рис. 32). ЩМДШ такой конструкции являются хорошо проработанными и широко применяются на мостовых объектах во многих странах. ЩМДШ типа Thormajoint выпускаются различных типоразмеров на предельные горизонтальные перемещения 10...50 мм (в зависимости от ширины ЩМДШ) при вертикальных перемещениях до 3 мм. Зависимость воспринимаемых перемещений от толщины и ширины ДШ приведена в табл. 17. Максимальный угол косины моста для ДШ типа Thormajoint составляет 45° (при этом ширина ДШ ограничена значением 550 мм).

Таблица 17

Конструкция ДШ типа Thormajoint может использоваться с алюминиевыми опорными пластинами различных типоразмеров. Ширина опорной пластины находится в зависимости от толщины дорожной одежды, максимального зазора между пролетными строениями и толщины самой пластины. Для конструкций ЩМДШ типа Thormajoint указанная зависимость приведена на рис. 33.

Рис. 32 Общий вид ЩМДШ типа Thormajoint

Рис. 33. Зависимость ширины опорной пластины ЩМДШ типа Thormajoint от различных параметров

В мире существует еще ряд типов ЩМДШ, подобных по конструкции описанным выше. Так, в их числе, к примеру, можно назвать ДШ типов: WaBo EXPANDEX 2^® (Watson Bowman Acme Сотр.) на перемещения до 40 мм, JNE-60 фирмы Composan Construccion на перемещения до 60 мм, Sentinel™ RAB и Sentinel™ permatrack (Stirling Lloyd), позволяющие воспринимать перемещения до 40 мм и множество других.

Основное отличие этих ДШ от уже рассмотренных заключается в составе применяемых для заполнения штрабы щебеночно-мастичных смесей. Смеси различаются по типу используемого вяжущего, материалу крупного заполнителя и его гранулометрическому составу. Как правило, щебеночно-мастичная смесь, спроектированная той или иной фирмой, поставляется под торговым названием, не дающим представления о составе смеси (обычно в спецификациях приводятся характеристики уже готовой смеси). Например, в ЩМДШ типа Tliormajoint в качестве щебеночно-мастичной смеси используется смесь вяжущего BJ200 и наполнителя ВJ Stone, а в ЩМДШ фирмы Watson Bowman Acme Corp. применена двухкомпонентная смесь под названием EXPANDEX 2.

ЩМДШ могут использоваться и в зоне тротуаров. Одно из возможных решений приведено на рис. 34 (переходный узел, характерный для ДШ типа Tliormajoint).

Рис. 34. Общий вид ЩМДШ на участке сопряжения «проезжая часть - тротуар»:

1 - уплотнитель зазора; 2 - герметик; 3 - металлическая опорная пластина; 4 - щебеночно-мастичная смесь

В целом, конструкция ЩМДШ в зоне тротуаров не отличается от участка в зоне проезжей части. Особенности имеет узел сопряжения участков ЩМДШ, расположенных на проезжей части и на тротуаре. Например, для ЩМДШ типа Viajoint фирмы Freyssinet используется следующее решение (рис. 35). Ширина зазора В (рис. 35, а), оставляемого между бордюрными блоками, определяется из тех соображений, чтобы бордюрные блоки не смыкались при самой высокой температуре пролетных строений. Для этого, в момент установки ДШ размер В должен быть не менее величины установочного размера ДШ при данной температуре. На тротуаре высота Н штрабы ДШ (рис. 35, б) может быть меньше соответствующей высоты штрабы на проезжей части (но не менее 50 мм). Такое же расстояние необходимо оставить между бордюрным ограждением и тротуарной плитой для обеспечения неразрывности ДШ (рис. 35, б). В месте пересечения ЩМДШ и бордюрного ограждения последнее подрезается снизу так, чтобы обеспечить величину зазора между верхней поверхностью заполнения ДШ и нижней (подрезанной) гранью бордюра не менее 50 мм (рис. 35, б, в). К примеру, при отметке основания бордюрного ограждения, равной отметке дна штрабы ЩМДШ, бордюры подрезаются на величину Н₁ + 50 мм, где Н - толщина ЩМДШ. Все зазоры между щебеночно-мастичным заполнением и бордюрами уплотняются при помощи герметиков, совместимых с материалом заполнения.

Рис. 35. Схема конструктивного решения ЩМДШ на участке сопряжения «проезжая часть - тротуар». Схема пересечения ЩМДШ с бордюрным ограждением проезжей части

Если и районе тротуаров располагаются коммуникации, последние, по возможности, не должны проходить через сечение штрабы ДШ и нарушать его цельность. Коммуникации обычно пропускают под ЩМДШ или над ним. При этом минимальное расстояние от конструкций ДШ до коммуникаций принимается не меньше 50 мм. Если необходимо пропустить коммуникации через сечение ДШ, они должны быть помещены и специальные термостойкие (не менее 200°С) втулки. Как правило, для втулок используют сталь, а коммуникации в них пропускают только после устройства ЩМДШ. Расстояние, оставляемое свободным между коммуникациями, назначают не менее 150 мм (если каналы для пропуска коммуникаций имеют диаметр до 150 мм).

В завершение, приведем схему эффективной конструкции дренажной системы (рис. 36). Такая система подповерхностного дренажа рекомендуется к применению совместно с ЩМДШ некоторыми производителями ДШ [34]. Компоненты системы должны быть термостойкими и нержавеющими (не стальными).

Рис. 36. Система подповерхностного дренажа для использования с ЩМДШ

4.3. КЛАССИФИКАЦИЯ

Классификация конструкций ЩМДШ, в целом, подобна классификации ДШ закрытого типа.

В частности, можно разделить ЩМДШ на группы по материалу опорного элемента (обычно это алюминий или сталь с антикоррозионным покрытием).

По способу предотвращения недопустимых смещений опорного элемента ЩМДШ бывают:

- с ограничителем перемещений (обычно в виде продольного ребра опорного элемента, привариваемого вдоль его оси);

- с опорным элементом, закрепляемым на одном из пролетных строений механически или на клею (вторая сторона опорного элемента остается свободной);

- с опорным элементом, фиксируемым в уплотнителе зазора.

ЩМДШ разделяются также по типу применяемой на сопряжении с ними дорожной одежды.

По характеру расположения гидроизоляции моста в зоне расположения ДШ делятся на конструкции:

- с прерывающейся гидроизоляцией (как правило);

- с непрерывной гидроизоляцией (проходящей под ДШ, образуя в деформационном зазоре петлю, играющую роль компенсатора).

Также ЩМДШ делятся на группы по наличию уплотнителей деформационного зазора на ДШ:

- без уплотнителя зазора;

- с уплотнителем зазора.

Последние могут быть:

- с заливкой зазора герметиком (мастикой);

- без заливки.

Кроме того, ЩМДШ могут использовать различные способы фиксации уплотнителя в деформационном зазоре (механическая заклинка, укладка на скобы и т.д.).

Исходя из конструктивных особенностей, ЩМДШ могут принадлежать к любой из следующих категорий (или к нескольким одновременно):

- с армированием щебеночно-мастичной смеси;

- с системой подповерхностного дренажа;

- с отделяющей опорный элемент прокладкой;

- с устройством над ЩМДШ шероховатой поверхности.

4.4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

Конструкции ДШ со щебеночно-мастичным заполнением в России широко применяться начали сравнительно недавно. К примеру, ЩМДШ с применением современных материалов массово стали использоваться лишь в течение последних 5 лет. С этим связано отсутствие или явная недостаточность сведений о поведении таких ДШ на мостовых сооружениях в России. Однако уже имеющийся опыт, а также анализ применения ЩМДШ за рубежом, позволяет судить о характерных для подобных конструкций дефектах.

За время эксплуатации ЩМДШ на мостовых сооружениях были выявлены две группы основных дефектов этих ДШ: к первой группе относятся протечки (нарушение герметичности) ДШ, а ко второй - неудовлетворительное качество проезда по ДШ.

Деформационный шов может протекать вследствие появления трещин от растяжения материала ДШ (трещины, распространяющиеся сквозь материал, заполняющий штрабу при перемещениях пролетных строений), особенно при низких температурах. Такое явление может происходить вследствие недостаточной ширины штрабы ДШ для данного диапазона перемещений или неудовлетворительных деформативных свойств примененной щебеночно-мастичной смеси. Может также наблюдаться отрыв щебеночно-мастичной массы по боковым поверхностям ДШ (трещины, распространяющиеся по поверхностям штрабы, отделяющим щебеночно-мастичную смесь от дорожной одежды). Кроме того, заполнение ДШ можем «выдавливаться» из штрабы, что влечет за собой отрыв массы заполнения от дна штрабы. Отрывы по контактным поверхностям являются показателем недостаточной адгезии материала ДШ к дорожной одежде и материалу плиты пролетных строений.

неудовлетворительное качество проезда через ДШ может стать следствием образования колейности, ползучести материала ЩМДШ под нагрузкой, особенно при повышенных температурах окружающей среды и выноса заполнителя ДШ из штрабы шва колесами проходящего транспорта, особенно при ускорении или торможении его в районе ЩМДШ.

По некоторым данным, уже существуют конструкции ЩМДШ, в которых проблемы колейности и низкотемпературной хрупкости в большей или меньшей степени были решены [29]. Некоторые отечественные производители также заявляют о сроке службы ЩМДШ, исчисляемом 8-10 годами, однако подтверждения этих данных пока найти не удалось. По другим же данным [33], с учетом указанных проблем, ЩМДШ пока рекомендуются к применению в качестве временных ДШ.

Тем не менее, имеется опыт успешного применения ЩМДШ, что выявлено обследованием мостовых объектов МКАД, проведенным в 2000 г. институтом «Ленгипротрансмост» [6]. Несмотря на небольшой срок эксплуатации ДШ, примерно 3 года, обследование позволило заключить, что большинство ЩМДШ находятся в удовлетворительном состоянии. В единичных случаях наблюдались трещины и выбоины в щебеночно-мастичном заполнении ДШ.

В целом, удачен опыт применения на мостовых объектах перехода через р. Волгу у с. Пристанное в районе г. Саратова ДШ типа РДТ-МДШ [9], конструкция которого была описана выше. Всего на объектах перехода было устроено 9 ЩМДШ такой конструкции. Указанные ДШ были выполнены из материалов отечественного производства. В качестве вяжущего использовался полимербитум. В условиях мониторинга состояния ДШ за 5-летний период, были выявлены дефекты одного из ЩМДШ, проявившиеся в застаивании воды в зоне ДШ, а также появлении трещин и выбоин на границе ДШ и асфальтобетонного покрытия, свидетельствующих о превышении допускаемых перемещений в этом ДШ. Состояние остальных ЩМДШ удовлетворительное, что иллюстрируется рис. 37. Кроме того, за время эксплуатации не обнаружено признаков образования колейности на поверхности ДШ.

Рис. 37. Вид ЩМДШ, примененного на мостовом переходе через р. Волгу у с. Приставное возле г. Саратова после 4 лет эксплуатации

Как видно, можно отметить только небольшие наплывы материала заполнения на прилегающее покрытие (выполненное из литого асфальтобетона) вследствие ползучести материала и выноса его излишков из штрабы колесами транспортных средств, но это, как уже было сказано, характерно для большинства ЩМДШ. О конструкции, составляющих материалах, опыте изготовления, применения, технологии устройства и ремонта описанных ДШ более подробно говорится в [9, 10].

4.5. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ

С начала применения ЩМДШ и до настоящего времени изготовлением и установкой ЩМДШ занимались как организации, специализирующиеся на выпуске ДШ различных конструкций, так и небольшие фирмы, производящие, в основном, вяжущие для дорожного строительства, асфальтобетоны, а помимо этого, как сопутствующую продукцию, еще и смеси для заполнения ЩМДШ. Это характерно в равной степени и дня зарубежных стран. Сложившееся мнение о предельной простоте конструкции и технологии устройства ЩМДШ привело к тому, что в последнее время в нашей стране в условиях отсутствия нормативных документов, регламентирующих технологию проектирования, производства составляющих материалов и устройства ЩМДШ, сами ДШ этого типа устраиваются на все большем числе мостовых сооружений, вследствие чего ориентироваться среди многообразия ЩМДШ, оценивать их потребительские свойства и сформулировать общий подход к проектированию становится нее труднее. Еще одной вахтой проблемой в данной ситуации является недостаточное внимание к ЩМДШ и изучению механизмов их работы. Как результат, оказалось, что многие из устроенных ЩМДШ не выполняют своих функций. И причина этого - не только в том, что ЩМДШ выпускаются неспециализированными организациями, но и в отсутствии методов и норм по проектированию и конструированию ДШ, а также исследований в области поведения материалов заполнения ДШ.

Ситуация с недостаточно ясным представлением принципов и особенностей работы и, как следствие, нерациональным и необоснованным проектированием и применением ЩМДШ привела в США [29] к инициации специальной научно-исследовательской программы, призванной обеспечить понимание инженерами специфики работы ЩМДШ в мостовых сооружениях и разработку руководств по проектированию ЩМДШ [27]. В нашей же стране ситуация с развитием методов расчета и норм по проектированию ЩМДШ продолжает оставаться напряженной. Тем не менее, на сегодняшний день Саратовским НПЦ Росдортех разработана Отраслевая дорожная методика (ОДМ) «Рекомендации по устройству на мостовых сооружениях деформационных щебеночно-мастичных швов повышенной надежности на основе композиционных материалов», в которой впервые сделаны шаги к решению этого вопроса в отношении технологии устройства ЩМДШ типа РДТ-МДШ (конструкции СНПЦ Росдортех).

Выше приводилось описание двух групп дефектов, выявляемых на некоторых мостовых сооружениях, где были применены ЩМДШ. Как становится ясно, на первое место среди причин подобных явлений выходит проектирование щебеночно-мастичных смесей с недостаточными для их удовлетворительной работы физико-механическими свойствами в широком диапазоне температур и применение конструкций ЩМДШ не по назначению (например, при недостаточной ширине шва для данных перемещений). Большую проблему представляет зависимость характеристик материала ЩМДШ от температуры, поскольку низкие температуры вызывают появление дефектов первой группы, высокие - дефектов второй группы.

К настоящему времени, опыт применения и лабораторные исследования зарубежных специалистов [27] позволили определить ряд основных проблем проектирования ЩМДШ. Путь к улучшению работы ЩМДШ лежит именно через преодоление этих проблем.

Во-первых, ЩМ материал шва должен быть достаточно податливым, чтобы воспринимать перемещения пролетных строений вследствие колебаний температуры, оставаться водонепроницаемым и обеспечивать плавных переход транспорта с одного пролетного строения на другое. Это говорит о необходимости проектирования щебеночно-мастичных смесей с жесткостью, как можно более близкой к жесткости прилежащей дорожной одежды и обладающих хорошей адгезией, как к материалам дорожной одежды, так и к материалу плиты проезжей части, способных деформироваться при низких температурах и быть устойчивыми к трещинообразованию, особенно при низких температурах.

Результаты исследований [27] показывают, что пока даже при самой низкой рабочей температуре (около -40°С) показатели жесткости материала ДШ и дорожной одежды (за эти показатели взяты модули упругости, определенные для материала ДШ и дорожной одежды как для сплошного материала) отличаются примерно в два раза; меньшее значение соответствует материалу ЩМДШ.

Что касается показателей адгезии - сцепления материала ЩМДШ с дорожной одеждой и плитой проезжей части, то здесь следует различать сцепление по основным контактным поверхностям (боковые поверхности и дно штрабы). При недостаточном сцеплении по боковым поверхностям образуются трещины вдоль ЩМДШ по плоскости контакта ЩМДШ и дорожной одежды, при недостаточном сцеплении по дну штрабы - отрыв массы заполнения по основанию ДШ от плиты проезжей части. Тем не менее, при любой температуре предел прочности на растяжение материала ДШ, как правило, оказывается выше значений сцеплений по любой из контактных поверхностей, и разрыв по ним будет происходить при напряжениях меньше напряжения текучести материала ДШ [27], то есть еще на стадии пластических деформаций.

Материал ДШ должен сохранять способность деформироваться на необходимую величину во всем диапазоне рабочих температур для данной местности, поэтому следует учитывать зависимость характеристик материала ДШ от температуры окружающей среды, которая имеет следующий характер. В диапазоне от максимальной рабочей температуры до температуры стеклования материала ЩМДШ, при которой происходит практически полное исчезновение пластических деформаций, материал ведет себя как вязкоупругий с большими деформациями на пределе текучести. При переходе через температуру стеклования и дальнейшем снижении температуры материал становится ломким с небольшой площадкой текучести и способен воспринимать небольшое относительное удлинение до разрыва. В зависимости от температуры, материал ЩМДШ показывает 0,5...7-кратное удлинение на пределе текучести (0,5 - при температурах ниже температуры стеклования, 7 - при максимальных рабочих температурах), Относительные пластические деформации также зависят от температуры и ниже температуры стеклования составляют около 0,1...0,3%, тогда как выше этой температуры увеличиваются до 1...3% и более [27].

Зависят от температуры и другие физико-механические показатели щебеночно-мастичных смесей. С падением температуры модуль упругости и напряжения текучести увеличиваются по кривой, близкой к экспоненте, соответственно так же снижаются относительные пластические деформации. Показатели сцепления по основным контактным поверхностям растут с понижением температуры вплоть до температуры стеклования, а затем наблюдается их снижение [27].

Испытание на образование колейности, проведенное, как для образцов дорожной одежды [27], показало, что предельные глубины колеи на ЩМДШ образуются при количестве циклов испытания, в два раза меньшем, чем минимальное значение для дорожной одежды. Таким образом, колея обязательно должна образовываться на материале ДШ и функциональный срок службы ЩМДШ будет по этому показателю меньше, чем срок службы дорожной одежды. Практика показывает, что, по крайней мере, за пятилетний срок эксплуатации на ЩМДШ может не образовываться колен (см. выше).

Обеспечить равномерное распределение деформаций по всей ширине ЩМДШ нельзя в силу различных причин, например, неоднородности материала, конструктивного исполнения ДШ. Поэтому, при температурном перемещении пролетного строения, сжатие материала в теле ЩМДШ практически происходит только в районе сечения, проходящего через одну из сторон металлической перекрывающей пластины. Затем это перемещение, локализованное на небольшой длине, перераспределяется ил большую длину, максимальное значение которой зависит от модуля упругости и может быть ограничено конструктивно, например, чересчур малой шириной ДШ.

Анализируя эту особенность, можно отметить, что если доработать конструкцию ЩМДШ с тем, чтобы заставить опорный элемент двигаться по обоим пролетным строениям, а не только по одному, сжатие-растяжение материала ДШ будет происходить более равномерно по ширине шва. Это приведет к уменьшению необходимого количества материала ДШ и ширины штрабы, что, в свою очередь, благоприятно скажется на устойчивости ЩМДШ к образованию колейности, а также расширит область применения ДШ такого типа в целом. Однако для этого потребуется применение дополнительных элементов, регулирующих положение опорной пластины и удерживающих ее посередине деформационного зазора, а значит - усложнение конструкции. Возможно, эффективность работы ЩМДШ с закрепленным на одном из пролетных строений опорным элементом удастся повысить использованием штрабы, расположенной не симметрично относительно оси зазора, а несколько смещенной в сторону свободного края опорного элемента.

Основная задача расчета ЩМДШ сводится, в общем случае, к проектированию щебеночно-мастичной смеси с заданными параметрами и определению габаритных размеров ДШ, которые при любой температуре внутри рабочего диапазона температур обеспечат перераспределение деформаций на достаточную длину, напряжения на которой не превысят допустимых для данного материала ЩМДШ. Также необходимо проверить сцепления по контактным поверхностям, чтобы гарантировать отсутствие трещин, ведущих к функциональному выходу из строя шва (появлению протечек).

Кроме того, одним из важнейших вопросов, от решения которого зависит применимость того или иного ЩМДШ на территории России, является вопрос определения минимальной допустимой для данного ЩМДШ рабочей температуры. К примеру, все ЩМДШ, выпускаемые известными производителями для Великобритании, имеют нижний температурный предел не ниже -30°С, чего для условий России явно недостаточно. При испытаниях щебеночно-мастичных смесей трех основных американских производителей, предельная температура, при которой даже внутренние напряжения уже приводят к растрескиванию образца, лишь у одного образца достигла -43°С, у остальных - осталась на уровне -26...27°С [27]. Из этого следует, что прямое использование зарубежных ЩМДШ и материалов для них без предварительной проверки в российских мостах неприемлемо, поскольку, исключая южные регионы, в России необходимы ЩМДШ с минимальной рабочей температурой до -40°С и ниже. В связи с этим, лучшим решением в данной области является разработка отечественных ЩМ смесей, отвечающих указанным требованиям.

4.6. ВЫВОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

ЩМДШ обладают множеством преимуществ, основные из которых:

- простота конструкции ДШ;

- простота ремонта и замены ДШ;

- высокая скорость устройства ДШ;

- водонепроницаемость;

- низкая шумовая эмиссия;

- ровность поверхности;

- коэффициент сцепления поверхности ДШ с шиной, близкий к соответствующему коэффициенту для дорожной одежды;

- подвижность во всех направлениях;

- простота изготовления составляющих материалов и устройства ДШ;

- самовосстановление щебеночно-мастичной массы при неглубоких повреждениях;

- эффективность применения;

- относительно низкая стоимость;

- невосприимчивость к повреждению снегоочистителями.

В настоящее время установлено что, несмотря на неоспоримые преимущества, ЩМДШ не свободны от технического обслуживания и некоторых других проблем. К недостаткам этого типа ДШ относятся:

- склонность к образованию колейности, особенно при повышенных температурах окружающего воздуха, что приводит к появлению неровностей мостового полотна;

- склонность к трещинообразованию при пониженных температурах, что впечет за собой нарушение водонепроницаемости ДШ;

- ползучесть под нагрузкой, особенно при повышенных температурах окружающей среды, и вынос заполнителя ДШ из штрабы шва колесами проходящего транспорта, особенно при ускорении или торможении его в районе ЩМДШ;

- неудовлетворительная работа ЩМДШ на пролетных строениях, работающих на кручение, результатом которого является появление неравномерных по длине ДШ деформаций;

- неудовлетворительная работа ЩМДШ в косых пролетных строениях и ограничения на величину угла косины;

- ограничения на максимальный продольный уклон моста в районе расположения ДШ;

- зависимость физико-механических характеристик, щебеночно-мастичной (ЩМ) смеси от температуры окружающей среды;

- зависимость технических и эксплуатационных характеристик ЩМДШ от геометрических размеров штрабы, количества уложенной ЩМ смеси, правильности ее состава, соблюдения технологии укладки.

Таким образом, ЩМДШ вряд ли можно считать универсальным решением для ДШ мостов с малыми перемещениями, однако они остаются самым эффективным типом ДШ для своей области применения. Область применения ДШ с щебеночно-мастичным заполнением в настоящее время ограничивается следующими случаями:

- использование в качестве ДШ на постоянной основе на железобетонных и сталежелезобетонных прямых в плане мостах с продольными перемещениями торцов пролетных строений до 50 мм (оптимально 5...40 мм), вертикальными - до 3 мм, с предельными продольными уклонами в районе расположения ЩМДШ до 40‰ и углом косины в плане до 45°, равномерными по ширине сечения пролетного строения вертикальными и горизонтальными перемещениями (отсутствие кручения пролетных строений и изгиба в плане) при условии расположения ЩМДШ вне участков разгона-торможения транспорта и перелома профиля моста (различных уклонов смежных пролетных строений);

- использование в качестве временных ДШ. Использование ЩМДШ в качестве временных ДШ подразумевает, к примеру, случай, приведенный выше, в п. 1.3.5. При этом условия работы ДШ могут значительно отличаться от условий работы ДШ, устроенного на постоянной основе, поэтому каждый такой случай применения должен сопровождаться анализом этих условий с учетом особенностей периода, на который требуется установка временных ДШ и определением соответствующих перемещений пролетных строений.

На основе отечественного и зарубежного опыта конструирования и применения ЩМДШ, в добавление к требованиям, приведенным в главе 2, можно сформулировать следующие специфические требования к конструкции ДШ рассматриваемого типа:

- толщина дорожной одежды в районе расположения ДШ должна быть не менее 80 мм;

- ширина ДШ должна быть не более 700 мм. При увеличении угла косины моста вплоть до предельного значения в 45°, максимально допустимая ширина ДШ должна уменьшаться, поскольку косое пересечение увеличивает эффективную ширину ДШ. Так, угол косины в 30° увеличивает эффективную ширину на 15%, а угол в 45° - примерно на 40%. Поэтому, при угле косины, равном 45°, предельная ширина ДШ не должна превышать 500...550 мм;

- при назначении необходимых размеров опорной пластины в конструкциях, подобных приведенным на рис. 31, 32, следует ориентироваться на данные рис. 33;

- в качестве покрытия мостового полотна в зоне над ДШ и на прилегающих участках рекомендуется использовать литой асфальтобетон на основе полимербитумных вяжущих;

- при использовании обычного асфальтобетона необходимо применение дополнительного уплотнения деформационного зазора и (или) непрерывной гидроизоляции;

- опорная пластина должна быть зафиксирована от недопустимых смещений и перекосов в плане;

- желательно устройство подповерхностного дренажа вдоль поверхностей стыка ДШ и дорожной одежды (особенно на основе обычного асфальтобетона), однако использование такой системы влечет усложнение конструкции ДШ и технологии его устройства, поскольку требует точной выверки уклонов отводящих каналов;

- ДШ должен устраиваться при температуре воздуха и пролетных строений 10°С (середина расчетного диапазона температур);

- при устройстве ЩМДШ необходимо строго соблюдать соответствующую технологию;

- перед устройством ДШ необходима обработка всей поверхности подготовленной штрабы гидроизолирующими герметиками или мастиками (полимербитумным вяжущим);

- узел перехода между проезжей частью и тротуарами должен выполняться с учетом основных положений, приведенных выше; то же касается вопросов пропуска коммуникаций;

- все конструкции моста, контактирующие с щебеночно-мастичной смесью при ее укладке, должны быть термостойкими;

- работоспособность конструкции ДШ в каждом конкретном случае применения должна проверяться расчетом; расчеты должны производиться с учетом зависимости характеристик материалов от температуры окружающей среды.

5. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ ЗАПОЛНЕННОГО ТИПА

Рассматриваемый тип конструкций носит название ДШ заполненного типа (poured sealant expansion joints). Можно встретить такие варианты названий, как ДШ с мастичным заполнением или просто мастичные ДШ. Не следует путать этот тип ДШ с щебеночно-мастичными, рассмотренными в предыдущей главе. В ЩМДШ материал заполнения является несущим (воспринимающим и передающим нагрузку от транспорта), тогда как в ДШ заполненного типа мастичное заполнение воспринимает только перемещения пролетных строений и выполняет герметизирующие функции. Кроме того, следует избегать двух последних вариантов названия, поскольку материалом заполнения могут быть и не битумные (или другие) мастики. В современных ДШ заполненного типа они почти не применяются, уступив место новым материалам заполнения.

Область применения ДШ заполненного типа в настоящее время достаточно неопределенна. Зависимость характеристик таких ДШ от применяемого материала позволяет конструировать ДШ заполненного типа с заданными специфическими свойствами (высокая адгезия материала заполнения к материалу пролетных строений (окаймления), высокая скорость достижения материалом заполнения рабочего состояния после заливки, «холодная» заливка и др.)- Эти возможности позволяют применять ДШ заполненного типа в новых мостах с малыми перемещениями пролетных строений и делают эти конструкции практически идеальными при ремонте (реконструкции) подобных мостов или замене разрушившихся ДШ.

Ограничения области применения связаны с ограничениями максимальной величины деформационного зазора. Кроме этого, характеристики таких ДШ могут меняться с течением времени. Об указанных ограничениях и их причинах подробнее будет сказано ниже.

5.1. ВОСПРИНИМАЕМЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

ДШ заполненного типа, в отличие от большинства других типов ДШ, не характеризуются определенным диапазоном воспринимаемых перемещений. Как правило, перемещения, воспринимаемые ДШ заполненного типа, зависят от предельных относительных деформаций, которые способен воспринять материал заполнения ДШ. Поэтому часто допускаемые перемещения при растяжении и сжатии материала заполнения зазора обозначаются в процентах от ширины зазора, которую он имеет на момент устройства ДШ. Кроме того, указывается максимально допустимый зазор между пролетными строениями, обычно не превышающий 60...65 мм, хотя в отдельных случаях его величина может достигать 80 мм и более. Исходя из характеристик применяемого материала заполнения, можно вычислить и минимальную ширину раскрытия зазора, определив, таким образом, стандартный диапазон перемещений, воспринимаемых данным ДШ.

Несмотря на это, в отдельных странах для подобных конструкций прямо указаны предельно допускаемые перемещения. Для Великобритании, например: продольные горизонтальные перемещения - в пределах 5... 12 мм, а вертикальные - до 3 мм [28].

5.2. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ ЗАПОЛНЕННОГО ТИПА

Типичная конструкция ДШ заполненного типа показана на рис. 38. Среди основных элементов, составляющих конструкцию, можно выделить следующие: материал заполнения шва, воспринимающий перемещения пролетных строений за счет собственных деформаций в зазоре, а также препятствующий проникновению воды между пролетными строениями; уплотнитель зазора, в функции которого входит исключение протечек материала заполнения в зазор и функция дополнительной гидроизоляции. Адгезионный слой может применяться для улучшения работы КДШ на отрыв материала заполнения по боковым поверхностям при растяжении.

Рис. 38. Характерная конструкция ДШ заполненного типа

Окаймление ДШ может отсутствовать, как это было, например, в некоторых устаревших конструкциях отечественных ДШ заполненного типа с мастичным заполнением (рис. 39, а) [23]. Мастика помещалась в зазор так, чтобы глубина выемки (расстояние от поверхности проезжей части до поверхности мастики) была не менее 12 мм. Уплотнитель зазора в таких конструкциях укладывался в желоб металлического или стеклотканевого (с пропиткой битумом) компенсатора. Однако такие конструкции уже не применяются вследствие их склонности к разрушению кромок зазора (дорожной одежды) колесами проходящего транспорта. Попытка ослабить разрушение кромок вылилась в появление конструкций с устройством бетонного прилива шириной не менее 600 мм по обеим сторонам от ДШ (рис. 39, б). Дальнейшим шагом было использование конструкции со скосом асфальтобетонных или бетонных кромок зазора (рис. 39, и), что позволило также снизить разрушение кромок.

Рис. 39. Конструкции отечественных ДШ заполненного типа с мастичным заполнением зазора (без окаймления)

1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - защитный слой, 3 - мастика; 4 - пористый уплотнитель; 5 - гидроизоляция; 6 - выравнивающий слой; 7 - анкеровка компенсатора, 8 - компенсатор; 9 - пролетное строение; 10 - бетонный прилив; 11 - бетонное покрытие.

Описанные выше конструкции применялись также с металлическим окаймлением зазора. В настоящее время от конструкции, подобных рассмотренным, отказались.

В конструкциях современных ДШ заполненного типа используется окаймление из полимербетона. В качестве материала заполнения зазора в последнее время нашли широкое применение материалы на основе силикона. Так, в конструкции ДШ заполненного типа Wabo^® Crete SiliconeSeal (Watson Bowman Acme Corp.) использовано окаймление в виде прилива из полимербетона Wabo^® Crete II (материал на основе полиуретана с твердым наполнителем) (рис. 40). В качестве уплотнителя зазора в этой конструкции используется круглый пенополиэтиленовый профиль с закрытыми порами, диаметр которого превышает величину раскрытия зазора приблизительно на 25%. Глубина установки уплотнителя составляет 25 мм (от поверхности дорожной одежды до верхней точки уплотнителя). Заполнитель зазора - двухкомпонентный силиконовый герметик «холодной» укладки Wabo^® SiliconeSeal с самовыравнивающейся при укладке поверхностью. Заполнитель зазора укладывается в зазор слоем толщиной 12... 16 мм, причем расстояние от поверхности заполнителя до верха покрытия проезжей части не должно быть меньше 12 мм. ДШ типа Wabo^® Crete SiliconeSeal позволяет воспринимать перемещения, равные ±50% от ширины раскрытия зазора в момент устройства ДШ. Максимальное раскрытие деформационного зазора в процессе эксплуатации не должно превышать 82 мм.

Рис. 40. Конструкция ДШ заполненного типа Wabo^® Crete SiliconeSeal (Watson Bowman Acme Corp.)

Деформативные свойства таких материалов, как Wabo^®Crete SiliconeSeal, позволяют использовать их для восприятия перемещений при максимальной ширине зазора, даже большей, чем 82 мм. Ограничения на максимальное раскрытие зазора в ДШ заполненного типа связаны с тем, что зазор между пролетными строениями в случае применения ДШ заполненного типа обычно не перекрывается. Вследствие этого, не рекомендуется назначать максимальную ширину деформационного зазора свыше 65 мм из соображений безопасности (см. главу 2). В современных ДШ заполненного типа максимальная ширина зазора иногда несколько превышает рекомендуемое значение и находится в пределах 60...80 мм.

5.3. КЛАССИФИКАЦИЯ

ДШ заполненного типа по наличию и материалу окаймления бывают:

- без окаймления (устаревшие);

- с окаймлением в виде бетонного прилива;

- с металлическим окаймлением;

- с окаймлением в виде полимербетонного прилива.

Также можно разделить ДШ заполненного типа на группы по наличию и применяемому материалу компенсатора:

- без компенсатора;

- с металлическим компенсатором;

- с неметаллическим компенсатором.

Кроме того, рассматриваемые конструкции могут классифицироваться по материалу заполнения зазора и уплотнителя зазора. По прочим конструктивным особенностям ДШ заполненного типа могу принадлежать к любой из следующих категорий (или к обеим одновременно):

- ДШ с адгезионным слоем;

- ДШ со скошенными кромками деформационного зазора.

5.4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

В нашей стране опыт применения ДШ заполненного типа насчитывает не одно десятилетие. За это время были выявлены некоторые характерные для ДШ этого типа дефекты. Так, в первоначально применявшихся ДШ с мастичным заполнением без окаймления с металлическими компенсаторами (рис. 39, а) наиболее распространенными дефектами были следующие: разрушение мастики, разрушение кромок ДШ и асфальтобетонного покрытия у ДШ, отсутствие герметичности, наличие бугров, нарушающих плавность движения транспорта [23].

Основная причина появления этих дефектов, как было выяснено, заключалась в применении конструкций ДШ а районах, где температура воздуха зимой опускалась ниже температуры хрупкости материала заполнения, а также при недопустимо больших перемещениях. Были случаи, когда такие ДШ применяли в температурно-неразрезных пролетных строениях, при перемещениях, в несколько раз превышающих допустимые для использованной конструкции ДШ.

Быстрому разрушению ДШ во многом способствовало отсутствие надлежащей анкеровки металлических компенсаторов (например, компенсаторы могли крепиться гвоздями к деревянным брускам, заложенным в выравнивающий слой) и изготовление их из недолговечного материала, например, из оцинкованной жести. Были случаи полного разрушения таких компенсаторов через 3-4 года эксплуатации вследствие коррозии.

Необходимость анкеровки компенсаторов заставила проектировщиков увеличить ширину их горизонтальных полок до 15-25 см. Однако, при подливке цементного раствора под полку такой ширины не достигалось полного заполнения раствором пространства под компенсатором, что в период эксплуатации вызывало оседание кромок ДШ, появление трещин и защитном слое и разрушение покрытия.

Также стало ясно, что применение в ДШ заполненного типа битуминизированных материалов в качестве заполнителя допустимо лишь в неответственных сооружениях, так как эти материалы не обладают достаточной долговечностью и эластичностью. Вследствие этого, в США перешли на использование уплотнителей зазора в виде неопреновых вкладышей и заполнителей из полиуретановых мастик. В Германии для заполнения ДШ применяли двухкомпонентную мастику на основе полисульфидного каучука, а для уплотнения зазора - неопрен [23].

Была предпринята попытка использовать для компенсаторов ДШ стеклоткань, сложенную в несколько слоев и пропитанную битумом, однако обследование мостов с подобными компенсаторами показало негерметичность таких компенсаторов, в том числе и для битума.

К дефектам ДШ со стальным окаймлением можно отнести недостаточную прочность анкеровки окаймления, в результате чего наблюдались отрывы окаймления, разрушение покрытия и, как следствие, нарушение плавного проезда автомобилей через швы. В связи с этим требование обеспечения надежной анкеровки окаймления приобрело не меньшее значение, чем требования к качеству материала заполнения.

Одним из характерных дефектов ДШ заполненного типа стал повышенный износ покрытия проезжей части в районе ДШ и разрушение кромок деформационного зазора. В связи с этим было рекомендовано заполнение швов опускать на 12 мм ниже поверхности покрытия. Однако в этом случае повышается вероятность разрушения кромок покрытия вследствие попадания в зазор крупного мусора. Как показал опыт Швеции по устройству ДШ с мастичным заполнением, уменьшить вероятность разрушения покрытия можно, если кромки делать скошенными (рис. 39, и) [23]. Другим решением вопроса было бы армирование кромок зазора, укрепление при помощи эпоксидных смол, стальной фибры или применения износостойких полимербетонов. В результате проектировщики остановились на применении полимербетонов. Скос кромок по-прежнему широко применяется при конструировании ДШ заполненного типа.

В последнее время снова возрос интерес к ДШ заполненного типа в связи с применением новых современных материалов для конструкции таких ДШ [29]. Так, заполнители зазора на основе силикона обладают хорошими деформативными свойствами в широком диапазоне температур, стойки к воздействию ультрафиолетового излучения и озона. Заполнение ДШ может выполняться на основе быстротвердеющих материалов, что позволяет эффективно использовать ДШ такого типа для ремонта мостов, где нежелательно перекрывать движение на большой период времени. Кроме того, современные заполнители зазора имеют свойство самовыравнивания поверхности после укладки, хорошо сцепляются с поверхностью стенок зазора. Однако погоня за исключительными свойствами материалов для заполнения швов уже обернулась в некоторых случаях значительным удорожанием применяемых материалов, что иногда делает применение ДШ заполненного типа экономически нецелесообразным [29].

Однако нельзя не признать, что только с применением новых материалов стало возможным преодолеть такой дефект, как отрыв заполнения зазора от стенок при растяжении вследствие недостаточного сцепления. Тем не менее, опыт применения ДШ заполненного типа с новыми материалами пока незначителен [29]. Все описанные особенности современных компонентой ДШ заполненного типа выявлены в течение относительно небольшого времени их эксплуатации. Вопросы долговечности и надежности подобных конструкций пока остаются открытыми.

5.5. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ

ДШ заполненного типа изначально применялись почт исключительно с заполнителями зазора на основе битумных мастик. Однако зависимость характеристик подобных материалов от температуры и их недолговечность, в конце концов, определили отказ от их использования.

Применявшиеся для заполнения швов битумные мастики при положительных температурах могли удлиняться без разрушения на 50-80% от первоначального размера. Однако удлинение в случае отрицательной температуры не превышало 10-15% при -20°С, а некоторые мастики на битумной основе становились хрупкими уже при температуре -10°С [23]. При этом постоянно происходило нарушение герметичности из-за растрескивания материала заполнения ДШ и его отрыва от поверхностен контакта с пролетными строениями.

Срок службы таких материалов был небольшим и не превышай 6-7 лет для южных районов России и около 4 лет - для районов с экстремальной температурой до -45...50°С.

Для улучшения характеристик ДШ заполненного типа потребовалось, в первую очередь, выбрать (или создать) падежный материал и уточнить область применения ДШ с учетом свойств данного материала заполнения. Также стало ясно, что выбор материала для ДШ необходимо осуществлять по его температуре хрупкости и деформативным свойствам, особенно в условиях отрицательных температур. Показателем деформативности выступает относительное удлинение материала заполнения по сравнению с его первоначальной длиной, выраженное в процентах. То же касается относительного укорочения материала. Поскольку начальной длиной, при которой начинает функционировать ДШ заполненного типа, является величина зазора между пролетными строениями в момент установки ДШ, абсолютное удлинение и укорочение данного материала будут рассчитываться исходя из этой длины. Поэтому важно устанавливать ДШ заполненного типа при строго определенной температуре воздуха. В случае одинаковых показателей деформативности материала при сжатии и растяжении (как в случае, к примеру, ДШ типа Wabo^® Crete SiliconeSeal, см. выше), температура установки ДШ заполненного типа должна быть равна средней по диапазону рабочих температур для данной местности. По опыту эксплуатации ДШ, для Центральной России оптимальная температура установки ДШ примерно +10°С.

Кроме прочностных и деформативных свойств заполнения при отрицательных температурах, допускаемые перемещения для ДШ заполненного типа должны определяться с учетом максимально допустимой ширины зазора в покрытии. Особенности здесь следующие.

Во-первых, необходимо обеспечить достаточную адгезию материала заполнения к кромкам ДШ. Это обеспечит хорошую работу материала заполнения на отрыв. Очевидно также, что чем больше ширина зазора, тем большие перемещения могут быть восприняты заполнением ДШ. С другой стороны, чрезмерное увеличение ширины зазора вызывает разрушение кромок зазора из-за динамического воздействия колес транспорта. Поэтому для определения области применения ДШ заполненного типа требуется не только знание характеристик материалов, но и установление оптимальной по условиям прочности покрытия ширины зазора в уровне верха покрытия проезжей части. При этом в случае применения скоса кромок зазора, следует помнить, что это равносильно увеличению эффективной для проходящего транспорта ширины зазора, что неблагоприятно будет сказываться на условиях проезда по ДШ, хотя и снизит износ кромок. Таким образом, придется уменьшить реальную ширину зазора между пролетными строениями, что соответственно ограничит предельные перемещения, воспринимаемые ДШ.

Во-вторых, как уже говорилось, из соображений безопасности дорожного движения и условий комфортности проезда по ДШ, ширина зазора не должна превышать 65 мм (см. главу 2). В любом случае, ДШ заполненного типа не идеальны для устройства их на тротуарах, поскольку в этом случае поверхность тротуара не будет непрерывной, что создает определенные неудобства для пешеходов.

Отечественные ДШ заполненного типа в процессе их применения показали следующие зависимости величины разрыва от характеристик применяемых материалов и величины воспринимаемых перемещений (табл. 18) [26].

Таблица 18

Исходя из этого, ограничения размера разрыва проезжей части слано необходимо назначать также с учетом нескольких критериев, в частности следующих [26];

- разрыв до 40 мм принимается в асфальтобетонном покрытии, отвечающем требованиям существующих нормативных документов, исходя из ограничения локальных (местных) напряжений смятия по кромке величиной τ≤1,0 МПа;

- разрыв до 45 мм - то же, для специального покрытия с улучшенными прочностными характеристиками, исходя из ограничения местных напряжений смятия по кромке величиной τ ≤ 1,2 МПа;

- разрыв до 60 мм - в цементобетонном покрытии или бетонном приливе перед зазором, исходя из прочности бетона на скалывание (класс бетона не ниже В30);

- разрыв до ≤70 мм - для случая примыкания к зазору бетонного прилила с В ≥ 40 или полимербетона (критерии - скалывание кромки);

- разрыв до 80 мм - дня стального окаймления в случае чередующихся деформационных швов с расстоянием между ними не более 40 м;

- разрыв до 100 мм - то же, при расстоянии между деформационными швами не более 60 м;

- разрыв до 120 мм - то же, при расстоянии между швами более 60 м или одиночном разрыве в проезжей части.

Как указывалось ранее, при величинах разрывов проезжей части более 65 мм нарушается комфортность и безопасность проезда через ДШ, однако при необходимости устройства ДШ с такими разрывами в проезжей части (более 60...80 мм), помимо бетонных приливов и стального окаймления целесообразно применять полимербетоны с высокой прочностью с хорошими демпфирующими характеристиками (к примеру, на основе полиуретана).

Также крайне важен вопрос определения величины заглубления заполнителя зазора относительно уровня проезда. Заглубление поверхности заполнителя нужно для того, чтобы исключить контакт шин автомобилей с материалом заполнения. С учетом возможности износа поверхности проезда, заполнение ДШ рекомендуется опускать ниже поверхности покрытия не менее чем на 12 мм [23]. Большая глубина повлечет за собой опасность попадания в зазор крупного мусора и заклинивания его в зазоре при повышении температуры пролетных строений.

К сожалению, пока не удалось найти данные, позволяющие судить, насколько хорошо проявляют себя ДШ заполненного типа при восприятии вертикальных и угловых смещений пролетных строении. Очевидно, что эти характеристики будут находиться в зависимости от применяемого для заполнения материала и будут прямо связаны с показателями адгезии материала заполнения к материалам поверхностей зазора.

В целом, для надежного и эффективного применения ДШ заполненного типа, прежде всего, надо выявить рациональную область их использования. При этом надо учитывать характеристики применяемых материалов и условия обеспечения прочности полимербетонного или иного окаймления, а также выявить достоинства и недостатки ДШ заполненного типа, сконструированных с применением новых материалов, накапливая и анализируя особенности их работы в течение достаточно большого срока эксплуатации.

5.6. ВЫВОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

ДШ заполненного типа имеют следующие достоинства:

- простота конструкции;

- оперативность устройства;

- простота ремонта и замены ДШ;

- водонепроницаемость современных КДШ заполненного типа;

- подвижность во всех направлениях;

- отсутствие контакта заполнителя зазора и колес транспорта (разделение составляющих элементов по функциональному признаку на несущие и воспринимающие перемещения элементы);

- невосприимчивость к повреждению снегоочистителями;

- хорошие деформативные свойства материала современных ДШ заполненного типа в широком диапазоне рабочих температур, устойчивость к ультрафиолету и озону, выявляемые за короткий срок эксплуатации.

К недостаткам ДШ заполненного типа относятся:

- непосредственная зависимость характеристик ДШ от применяемых материалов, что влечет за собой трудности анализа их работы и выявления рациональной области применения;

- недолговечность, склонность к разгерметизации и разрушению кромок зазора (металлического окаймления) старых конструкций ДШ;

- недостаточная изученность механизма и особенностей работы современных ДШ заполненного типа в мостах. Отсутствие результатов их долговременного применения (данных по долговечности);

- значительные нагрузки на окаймление ДШ;

- динамическая нагрузка на пролетные строения;

- ограничение на максимальный зазор между пролетными строениями;

- сложности, связанные с применением ДШ заполненного типа в пешеходной зоне;

- высокие требования к качеству подготовки контактных поверхностей пролетных строений с целью обеспечения требуемой адгезии к материалу заполнения (при малом расстоянии между пролетными строениями);

- возможность устройства ДШ только при определенной температуре;

- значительные затраты в случае применения высокоэффективных материалов, в результате чего с ДШ заполненного типа начинают конкурировать другие известные типы ДШ для малых перемещений.

К настоящему времени, с учетом описанных особенностей, к конструкциям ДШ заполненного типа предъявляются следующие требования (кроме указанных в главе 2):

- максимально возможный зазор между пролетными строениями не должен превышать 65 мм. В случае применения решения со скосом кромок зазора, это значение еще более уменьшится. При размерах скоса, например, как показано на рис. 39, в, величина максимально возможного зазора не превысит 50...55 мм. Чем больше ширина зазора, тем выше износ кромок;

- следует использовать окаймление в виде прилива из полимербетона с высокой износостойкостью и сопротивлением истиранию;

- следует избегать конструкций с компенсаторами из-за сложности их анкеровки;

- материал заполнения должен обладать высокой сопротивляемостью к действию нефтепродуктов, солей, солнечной радиации и других возможных агрессивных факторов, он должен обладать хорошей деформативностью в широком диапазоне температур и адгезией к материалам внутренних поверхностей зазора;

- расстояние от уровня проезда до материала заполнения, уложенного в зазор, должно приниматься с учетом показателей износа примененного окаймления и быть таким, чтобы исключить контакт протек-тори колеса автомобиля с материалом заполнения. Для бетонных приливов это значение не менее 12 мм. При этом следует стремиться к минимально возможной глубине;

- ДШ должен устраиваться при строго определенной температуре воздуха и пролетных строений. Обычно это середина расчетного диапазона температур (+10°С для Центральной России). Установочный размер ДШ с учетом показателей деформативности материала заполнения при растяжении и сжатии должен обеспечить восприятие необходимых перемещений при увеличении и уменьшении температуры;

- при устройстве ДШ необходимо строго соблюдать соответствующую технологию;

- перед устройством ДШ допускается обработка поверхности зазора с целью обеспечить необходимый показатель адгезии к материалу заполнения;

- работоспособность конструкции ДШ (главным образом, материала заполнения и окаймления) в каждом конкретном случае применения должна проверяться расчетом. Расчеты должны производиться с учетом зависимости характеристик материала заполнения от температуры окружающей среды.

6. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ ПЕРЕКРЫТОГО ТИПА

ДШ перекрытого типа (cover plate expansion joint) - это первые появившиеся ДШ. С них началась история применения этих конструкции в мостовых сооружениях. Общая особенность конструкции этих ДШ - наличие перекрывающего зазор элемента (как правило, металлического листа или плиты), по которому осуществляется движение транспорта.

Еще недавно широко применялись все виды таких ДШ, в основном, при средних и больших перемещениях пролетных строений. В последнее время ДШ перекрытого типа сдали свои позиции ввиду неоспоримых преимуществ современных ДШ с упругими компенсаторами, работавших в том же диапазоне перемещений. Производители ДШ сейчас практически не ориентируются на выпуск ДШ перекрытого типа. Исключение составляют случаи применения гребенчатых ДШ (о чем будет сказано ниже) или конструкций, комбинированных на основе ДШ перекрытого типа и ДШ с упругим компенсатором. На существующих мостах ДШ перекрытого типа еще часто встречаются.

6.1. ВОСПРИНИМАЕМЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Существуют конструкции ДШ перекрытого типа, рассчитанные практически на любые перемещения пролетных строений. Однако условно можно сказать, что перемещениями, при которых ДШ перекрытого типа могут себя оправдать, являются перемещения, превышающие 80.. 100 мм. Ряд конструкций имеет рациональную область применения при перемещениях свыше 200...400 мм. Возможность восприятия вертикальных и горизонтальных поперечных перемещений зависит целиком от конкретной конструкции ДШ и в некоторых случаях может быть весьма ограниченной.

6.2. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ ПЕРЕКРЫТОГО ТИПА

Далее приводится обзор конструкций ДШ перекрытого типа с разделением всех существующих конструкций на две группы: ДШ со скользящим перекрывающим листом (и его модификации; в том числе конструкции с откатными плитами) и ДШ гребенчатого типа. Такое разделение произведено по следующим причинам. Во-первых, конструкции, относящиеся к каждой из этих групп, имеют один и тот же принцип перекрытия деформационного зазора (в первом случае это сплошные листы или плиты, а во втором - гребенчатые плиты). Во-вторых, ДШ, причисленные к первой группе, в последнее время не применяются на новых мостах, но сохранились на существующих мостовых сооружениях, и знание особенностей их конструкций, работы и характерных дефектов необходимо при планировании и проведении ремонтных работ. ДШ гребенчатого типа, отнесенные ко второй группе, широко применялись на построенных ранее мостах и устанавливаются на новых мостах до сих пор.

6.2.1. Деформационные швы со скользящим перекрывающим листом и откатными плитами

Развитие ДШ перекрытого типа начиналось с конструкции, в которой деформационный зазор был перекрыт плоским скользящим листом. С тех пир конструкция таких ДШ постоянно дорабатывалась с целью улучшения их эксплуатационных характеристик. В конце концов, конструкция ДШ с плоским скользящим листом (sliding plate expansion joint) в отечественном варианте приобрела вид ДШ типа ПС (рис. 41) [23], который включает металлическое окаймление, имеющее ребра жесткости с хомутами, скользящий лист, опирающийся на резиновые антифрикционные, прокладки и прижатый пружинами, размещенные в герметичных обоймах. Герметичный лоток замкнутого очертания из широкополосной резины с уклоном, равным 5%. Крепление резины толщиной 5 мм осуществлено путем обжатия ее болтами между стальными полосами толщиной 6 мм. Конструкция шва рассчитана на перемещения до 100 мм.

Рис. 41. Конструкции отечественных ДШ перекрытого типа: тип ПС - с плоским скользящим листом, тип ПС-С - со скошенным скользящим листом, тип ПС-СП - с плавающим листом

1 - окаймление ДШ; 2 - скользящий перекрывающий лист; 3 - прижимная пружина в обойме; 4 - антифрикционная прокладка (резина); 5 - ребро жесткости окаймления, 6 - анкерные элементы; 7 - мастика; 8 - защитный слой; 9 - скошенный конец листа; 10 - водоотводный лоток; 11 - высокопрочный болт; 12 - прижимная балка

Попытка улучшить качество проезда по ДШ привела к появлению конструкции шва со скошенным скользящим листом, например, типа ПС-С (рис. 41), включающего в себя лист со скосом на одном конце, окаймление, к которому лист прижат пружинами, анкерное крепление окаймления и водоотводный лоток. Диапазон перемещений в таких конструкциях зависит от конфигурации скошенного конца листа и угла наклона окаймления к уровню проема. Так, при наклоне окаймления 7% и скосе кромки 12 мм на ширине 350 мм предельные перемещения достигают 220 мм.

Более плавный профиль и, следовательно, больший диапазон допускаемых перемещений имеют конструкции ДШ с плавающим скошенным листом. К таким конструкциям относится ДШ типа ПС-СП (рис. 41), который помимо окаймления с анкеровкой скользящих листов, пружин и водоотводных лотков, имеет и элементы, регулирующие положение перекрывающего листа, не допуская перекосов и неравномерных поворотов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В процессе развития конструкций ДШ перекрытого типа пробовались различные схемы исполнения металлического окаймления, сопряжения его с дорожной одеждой (непосредственно или с использованием бетонного прилива), варианты анкеровки ДШ в пролетном строении, что обусловливалось стремлением повысить надежность этих узлов.

Кроме этого, необходимо было решить проблему водопроницаемости и высокой шумовой эмиссии, которой, в той или иной степени страдают все виды ДШ перекрытого типа со скользящими листами, что приводило к появлению достаточно оригинальных конструкций, таких как вилочный ДШ типа ДШМ 1-200 конструкции ЦНИИС (рис. 42) [1].

Рис. 42. ДШ вилочного типа ДШМ 1-200 конструкции ЦНИИС:

1 - перекрывающий лист; 2 - болт М24; 3 - анкеровка; 4 - крышка; 5 - уплотнитель из поролона или губчатой резины, пропитанной канатной смазкой; 6 - анкеровка; 7 - нетвердеющий герметик (заполнитель болтового паза)

Особенностью этого типа ДШ является применение уплотнения 5 для повышения водонепроницаемости ДШ. Грохот снижается за счет фиксации перекрывающего листа под крышкой 4 (рис. 42). Конструкция ДШМ 1-200 обеспечивает восприятие продольных горизонтальных перемещений да 200 мм, но вертикальные перемещения должны быть незначительными.

Для очень больших перемещений (до 400...600 мм и более) долгое время безальтернативно использовались ДШ перекрытого типа с откатными плитами (rolling leaf joints) (рис. 43). Они, как правило, проектировались индивидуально для конкретного большого или внеклассного моста.

В конструкции, показанной на рис. 43 (она была применена на мосту через р. Днепр для сопряжения вантового пролетного строения с балочным железобетонным) откатные и перекрывающая плиты были соединены между собой шарнирно и опирались на столики через резиновые прокладки, включенные в обойму. Для уменьшения сопротивления движению откатных плит, повышения долговечности поверхности скольжения верх откатных столиков был облицован листовым фторопластом. Прижатие скользящею листа и перекрывающей плиты обеспечивалось с помощью тарельчатых пружин, помещенных в герметичные обоймы. Усилие, создаваемое в пружинах при обжатии пакетов, составило 11 то при шаге пружин - 1 м.

Рис. 43. Вариант конструкции ДШ с откатными плитами:

1 - покрытие проезжей части; 2 окаймление; 3 - скользящий лист; 4 - стакан для пружины; 5 - опорный столик; 6 - антифрикционный материал (фторопласт); 7 - откатная плита; 8 резиновые опорные прокладки; 9 - переходная плита; 10 - пролетное строение; 11 - резиновый водоотводной лоток; 12 - поперечная бетонная балка; 13 - пролетное строение

Однако, как было сказано, на сегодняшний момент применяется на практике лишь одна конструкция ДШ перекрытого тина, выделившаяся в свете этого в отдельную группу. Речь идет о гребенчатых ДШ, обзор конструкций которых приводится далее.

6.2.2. Деформационные швы гребенчатого типа

Работа ДШ гребенчатого типа (finger expansion joints, tooth expansion joints или comb expansion joints) основана на обеспечении ровности поверхности проезда за счет пересекающихся гребенок. ДШ гребенчатого типа применяются при горизонтальных продольных перемещениях от 25 до 1000 мм и более и вертикальных - до 3 мм [28].

Гребенчатые ДШ могут быть сконструированы так, что гребенчатые плиты будут сходиться друг с другом над деформационным зазором (рис. 44, а). В этом случае конструкция называется ДШ с консольными гребенками (cantilever finger expansion joint или cantilever-toothed expansion joint). Швы с консольными гребенчатыми плитами имеют, как правило, развитые а высоту пальцы при относительно небольшой их ширине. Нередко сечение пальцев гребенок увеличивается к основанию.

Рис. 44. Гребенчатые ДШ: а - с консольными гребенками, б - с опертой (скользящей) гребенкой: 1 - дорожная одежда; 2 - анкеровка ДШ; 3 - гребенчатая плита; 4 - гидроизоляция ДШ (водоотводный лоток); 5 - гребенчатая плита; 6 - гидроизоляция мостового полотна; 7 - врубная гребенчатая плита; 8 - ответная гребенчатая плита

Если гребенчатые плиты выполняются так, чтобы обеспечить перекрытие зазора только одной гребенкой (врубной), концы пальцев которой скользят по второй гребенчатой плите (ответной), расположенной на другом пролетном строении (рис. 44, б), такая конструкция обычно называется гребенчатым ДШ с опертой (скользящей) гребенкой (sliding finger joint или finger joint with supported fingers). Иногда применяется вариант исполнения ДШ с двумя опертыми друг на друга гребенками. Помимо этого, в мостах может использоваться конструкция гребенчатого ДШ с плавающей гребенчатой плитой, показанная на рис. 45. В этом случае врубная гребенка выполняется двусторонней и опирающейся на две ответные гребенки. ДШ подобной конструкции применены, например, на мосту через р. Волгу у с. Пристанное около г. Саратова [6].

Рис. 45. Вариант гребенчатого ДШ с двусторонней скользящей (плавающей) гребенкой:

1 - окаймление; 2 - ниша в окаймлении для прижимной балки; 3 - прижимная балка; 4 - резиновая прокладка; 5 - пружина в обойме; 6 - скользящая гребенчатая плита; 7 - ребро жесткости; 8 - анкерное крепление

ДШ гребенчатого типа очень чувствительны к угловым, вертикальным и горизонтальным поперечным перемещениям, поскольку гребенчатые плиты закреплены в них жестко. Угловые в плане и горизонтальные поперечные перемещения вызывают заклинивание гребенок, а вертикальные смещения пролетных строений относительно друг друга и повороты торца пролетного строения в вертикальной плоскости приводят к смещению гребенчатых плит относительно друг друга и приподниманию одной из них над поверхностью проезда. Последнее негативно отражается на безопасности дорожного движения. Для восприятия вертикальных перемещений гребенки скругляют на концах, устраивают в этом месте скос (рис. 44) или выполняют пальцы гребенок трапецеидальными в продольном сечении. Для восприятия малых поперечных горизонтальных смещений предусматривают небольшое расстояние между пальцами гребенчатых плит.

Для восприятия же небольших по величине угловых поворотов пролетных строения в плане пальцы гребенок должны быть трапецеидальными или криволинейными в плане. Последнее решение используется, например, для ДШ с консольными гребенками типов RSFD компании Mageba SA, различные типоразмеры которых имеют предельные горизонтальные продольные перемещения от 100 до 400 мм (рис. 46).

Ряд конструкций ДШ гребенчатого типа с опертыми гребенками имеют дополнительные устройства для предотвращения подъема врубной гребенки над поверхностью скольжения. Как правило, это батарея пружка, прижимающих: врубную гребенку, исключая отрыв пальцев от ответной гребенки при разбалтывании болтов, фиксирующих врубную гребенку в процессе эксплуатации и, следовательно, стук гребенок друг об друга. Пример такой конструкции - ДШ с опертыми гребенками различных типоразмеров типа GF компании Mageba SA, рассчитанные на перемещения до 1000 мм в зависимости от типоразмера. Врубная гребенка с прижимными пружинами показана на рис. 47.

Рис. 46. Общий вид ДШ с консольными гребенками криволинейной формы типов RSFD компании Mageba SA на перемещения до 400 мм

Рис. 47. Врубная гребенка ДШ типов GF компании Mageba SA

Также рис. 47 иллюстрирует применение накладок из антифрикционного материала, расположенных на концах пальцев ДШ. Накладки облегчают скольжение врубной гребенки по ответной.

Для облегчения доступа к нижележащим конструкциям гребенки могут выполняться съемными секциями небольшой длины. ДШ гребенчатого типа металлоемки (их масса достигает 1000 кг на 1 м ДШ при допускаемых продольных перемещениях около 600 мм и 1700 кг на 1 м - при допускаемых перемещениях 1000 мм).

Существуют и неметаллические ДШ гребенчатого типа. Так, компания Freyssinet выпускает под названием FT expansion joint гребенчатые ДШ с опертой гребенкой на перемещения до 500 мм (рис. 48) [1]. Гребенки выполнены резиновыми с листовой стальной арматурой.

Рис. 48. Гребенчатый ДШ типа FT компании Freyssinet с гребенчатыми плитами из монолитной армированной металлическими листами резины

Несмотря на то, что ДШ типа FT (Freyssinet) относится к гребенчатым ДШ, по характеру работы, достоинствам и недостаткам конструкции (и характерным дефектам) он ближе к ДШ с упругими монолитными армированными компенсаторами, о которых речь пойдет в главе 7.

6.3. КЛАССИФИКАЦИЯ

ДШ перекрытого типа, прежде всего, различаются по конструктивным особенностям. Так, можно выделить следующие группы среди ДШ перекрытого типа:

- со скользящим листом;

- откатного типа (ДШ с откатными плитами);

- гребенчатые.

ДШ со скользящим листом подразделяются на виды:

- с плоским скользящим листом;

- со скошенным скользящим листом;

- с плавающим (со скошенным плавающим) листом;

- вилочного типа.

ДШ откатного типа можно различать по особенностям откатных плит. Такие ДШ бывают:

- с плоской поверхностью откатных плит;

- с криволинейной поверхностью откатных плит. Гребенчатые ДШ имеют в своем составе следующие конструкции:

- с консольными гребенками;

- с опертыми (скользящими) гребенками.

Последний вид гребенчатых ДШ подразделяется на подвиды:

- с одной опертой гребенкой;

- с двумя взаимно опертыми гребенками;

- с двойной гребенкой.

Кроме того, ДШ с опертыми (скользящими) гребенками могут быть:

- с преднапряжением гребенок (с помощью пакетов пружин, упругих элементов, например, резинометаллических);

- без преднапряжения.

Наконец, все ДШ перекрытого типа делятся по типу материала, применяемого для них. По этому признаку ДШ можно разделить на следующие группы:

- ДШ металлические (стальные, алюминиевые и т.д.);

- неметаллические ДШ (композитные, резинометаллические и т.д.).

6.4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

При обследовании большого количества ДШ перекрытого типа, произведенном в 70-х годах, было установлено, что подавляющее большинство из них находится в неудовлетворительном состоянии [25]. Основной причиной неудовлетворительного состояния ДШ со скользящими листами с жестким креплением скользящих листов явилось несовершенство их конструкции.

Основные обнаруживаемые дефекты ДШ перекрытого типа: отрыв перекрывающих листов, разрушение болтовых соединений, шарниров, анкерных креплений и отрыв металлического окаймления, высокая шумовая эмиссия (стук элементов), деформации и износ перекрывающих листов, разрушение дорожной одежды на контакте с ДШ, водопроницаемость, коррозия элементов ДШ, разрушение бетона под окаймлениями и другие дефекты.

Так, в конструкциях с жестким креплением скользящего листа к окаймлению с помощью болтов свободный поворот при перемещениях концов пролетных строений был невозможен, что вызывало перенапряжения в самом листе, болтах и анкеровке ДШ, приводило к деформациям, а иногда и отрыву перекрывающих листов, срыву резьбы болтов, большим динамическим нагрузкам на ДШ.

Болтовые крепления показали себя крайне ненадежными во всех ДШ перекрытого типа. В конструкциях со скользящим перекрывающим листом болтовое крепление перекрывающих листов, как правило, нарушалось через 2-4 года эксплуатации [23]; перекрывающие листы начинали стучать и смещаться.

Улучшение КДШ и поиски новых решений привели к тому, что и ДШ некоторых мостов было исключено жесткое крепление скользящего листа, а для прижатия листов использованы пружины. Прижатие скользящего листа к окаймлению обеспечивалось подкручиванием натяжных гаек. Опыт эксплуатации показал наличие коррозии пружин и натяжных болтов, если они не находятся в смазке постоянно, а также было выяснено, что большинство пружин на мостах не создают расчетного усилия прижатия. Это свидетельствует о том, что, что через 2-3 года пружины необходимо поджимать. Однако это не всегда удавалось сделать либо из-за сильного разрушения резьбы натяжных болтов коррозией, либо из-за трудности доступа к ним.

Последнее обстоятельство - трудность доступа к элементам ДШ - очень характерно для ДШ перекрытого типа. Обычно приходилось подходить к лоткам пли пружинам снизу и выполнять большой объем работ, связанных с устройством подмостей.

При проверке отвода воды по лоткам ДШ было установлено, что и лотках с продольными уклонами менее 5% накапливается грязь, это приводит к засорению лотков и вода, поступающая с проезжей части, замачивает пролетные строения и опоры. При большем уклоне ситуация лучше. Так, за три года эксплуатации Новогиреевского путепровода накопленный осадок грязи и лотках с уклоном 5-7% не превышал 2 см [23]. Установлено, что дотки из тонкой жести быстро приходят в непригодное состояние из-за коррозии и механических повреждений во время очистки. Сборные лотки часто повреждаются при монтаже.

Элементы самого ДШ находятся в постоянном контакте с водой и агрессивными веществами, присутствующими на проезжей части, что приводит к их коррозионному разрушению.

Динамическая нагрузка от транспорта приводила к разрушению сварных швов, окаймления, а иногда вызывала отрыв перекрывающих листов. Указанное обстоятельство значительно усиливалось при деформациях перекрывающих листов, разбалтывании креплении и ослаблении пружин.

Разрушение асфальтобетонного покрытия наблюдалось практически у всех ДШ со скользящими листами. В ДШ со стальными скошенными листами из-за неровности профиля это явление было наиболее распространено. Покрытие проезжей части в районе этих ДШ воспринимает динамические нагрузки в 1,4-1,7 раза больше веса автомобиля [23].

Существенным недостатком многих конструкций швов было заанкерирование окаймления в выравнивающем слое проезжей части или просто применение слабых анкерных элементов [25]. Имеется множество примеров, когда конструкции с более или менее удовлетворительными решениями основных узлов и недостаточно надежной анкеровкой разрушались за сравнительно короткий срок эксплуатации. За рубежом запас по прочности анкеров и их крепления был не менее 1,7-2,0.

Для иллюстрации большинства недостатков ДШ со скользящими листами, отмеченных выше, рассмотрим ДШ, предназначенный дня восприятия перемещений более 400 мм и установленный на железобетонном мосту «Саратов-Энгельс», через р. Волгу в г. Саратове (рис. 49).

Рис. 49. Состояние ДШ перекрытого типа со скользящим перекрывающим листом на перемещения свыше 400 мм, установленного на железобетонном мосту «Саратов-Энгельс» в г. Саратове (2002 г.)

Конструкция ДШ была смонтирована на мосту «Саратов-Энгельс» во время строительства моста и вышла из строя и первые же годы эксплуатации. Впоследствии ДШ постоянно ремонтировался, заменялся, изменялась, модифицировалась его конструкция. Несмотря на это, укачанный ДШ приходил в негодность в среднем каждые 6 лет, после чего нуждался в капитальном ремонте или замене.

Применение ДШ другого типа - с откатными плитами - было характерно, в основном, для зарубежных стран. Их применяли при перемещении концов пролетных строении более 200 мм. У нас применение таких ДШ было не столь широким. ДШ откатного типа, хотя и имели большой расход, стали и были сложны в изготовлении, но при перемещениях более 400 мм считались более надежными, чем другие ДШ перекрытого типа.

Основные дефекты таких конструкции: износ трущихся поверхностей, разрушение шарниров и, как следствие, опускание откатных плит ниже уровня приезжей части, разбалтывание соединений, водопроницаемость, отмеченные выше дефекты прижимных пружин. Кроме того, тяжелые откатные плиты крайне затрудняют доступ к конструкциям ДШ для обслуживания и ремонта.

Кроме ДШ со скользящими листами и откатными плитами в мостостроении применяются ДШ с гребенчатыми плитами. Конструкции, применяемые и отечественных мостах, имели предельные перемещения до 400 мм (за рубежом - до 1000 мм [35]). При эксплуатации таких ДШ были обнаружены следующие дефекты.

Скользящие гребенчатые плиты обычно жестко крепились к окаймлению ДШ. При проектировании таких швов предполагалось, что зубья будут скользить по окаймлению, опираясь всей плоскостью. Однако попадание грязи и камней, находящихся в пустотах между зубьями, под скользящую плиту искажало предусмотренную схему работы плиты. Прижатие гребенки пружинами улучшило ситуацию, но привело к появлению дефектов, связанных с эксплуатацией пружин.

Во всех обследованных отечественных мостах [23] в гребенчатых ДШ (с консольными гребенками) обнаружено заклинивание между зубьями твердых предметов. Имеющиеся щели всегда были забиты: грязью, которая не позволяла гребенке перемещаться на расчетную величину, в результате чего разрушались анкерные элементы или отрывались гребенчатые плиты. При осмотре гребенчатых плит на ряде мостов установлено, что все плиты опираются не плоскостью, а отдельными точками в различных местах гребенки и при проходе автомобилей ударяют по окаймлению, вызывая повышенные динамические воздействия и шум.

Ранее при проектировании гребенчатых ДШ считалось, что на ДШ гребенчатого типа, как и на ДШ со скользящим листом, действуют незначительные горизонтальные силы. Вследствие этого создавались недостаточно прочные конструкции со слабой анкеровкой. В действительности, как было установлено, в ДШ гребенчатого типа возникают весьма существенные горизонтальные усилия от смерзания пальцев или заклинивания в гребенках крупного мусора - до 6-10 тс на метр длины ДШ [23]. Современные ДШ, хотя и создаются с учетом усилий от смерзания пальцев гребенок и их заклинивания, тем не менее, все еще нуждаются в профилактических мерах по предупреждению этих явлений.

Кроме того, стало ясно, что при изготовлении ДШ гребенчатого типа важна их тщательная регулировка. Не менее важен правильный монтаж на месте. Отклонение положения гребенок относительно друг друга нередко приводило к их заклиниванию.

В настоящее время конструкции ДШ гребенчатого типа усовершенствованы с целью устранения перечисленных недостатков. Гребенки прижимаются при помощи пружин, применена специальная форма пальцев гребенки, улучшены условия скольжения, ДШ поставляются в максимальной заводской готовности. Вследствие этого, при эксплуатации гребенчатых ДШ было выявлено, что при соблюдении всех эксплуатационных процедур, они создают хорошие условия проезда для автомобилей (непрерывную проезжую часть), имеют наибольшую жесткость и самый низкий уровень шума в уровне проезжей части среди всех видов ДШ перекрытого типа и даже способны конкурировать по данным показателям с ДШ других типов в этой области применения. По опыту применения установлено также, что конструкции ДШ с консольными гребенками проявляют себя лучше, чем гребенчатые конструкции со скользящими гребенчатыми плитами [29, 33].

Однако указанные проблемы полностью до сих пор не решены. Так, к примеру, на мосту через р. Волгу у с. Пристанное в районе г. Саратова, помимо прочих конструкций ДШ было установлено 6 ДШ гребенчатого типа с двойной гребенкой (рис. 50). На третий год эксплуатации, зимой, в ночное время, когда температура опустилась до -30°С, гребенчатые плиты ДШ были повреждены. Причинами повреждений, вероятно, явился ряд обстоятельств, среди которых основными были; смерзание пальцев гребенок, значительные перемещения пролетных строений при низкой температуре, повлекшие заклинивание гребенок, неточность монтажа ДШ, способствовавшая заклиниванию. Таким образом, наиболее часто встречающиеся дефекты гребенчатых ДШ, проявили себя и в данном случае.

Рис. 50. Общий вид гребенчатого ДШ с двойной гребенкой, установленного на мосту через р. Волгу у с. Пристанное около г. Саратова

Еще одним недостатком гребенчатых ДШ, напрямую связанным с его же достоинствами, является чувствительность данного типа ДШ к перекосам гребенок в горизонтальной плоскости, что нередко приводит к их заклиниванию, а также к вертикальным смещениям гребенок друг относительно друга, что нарушает условия проезда.

Таким образом, можно утверждать, что ДШ гребенчатого типа являются сложной конструкцией, требующей точного изготовления и монтажа, плохо воспринимают любые перемещения, кроме горизонтальных продольных. Они металлоемки, трудны в обслуживании и ремонте, однако имеющиеся достоинства этого типа ДШ и отсутствие равноценной альтернативы этим конструкциям предопределили то, что ДШ гребенчатого типа до сих пор широко используются на эксплуатируемых и вновь строящихся мостах во всем мире.

6.5. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ

Подытоживая вышесказанное, нельзя сказать, чтобы ДШ перекрытого типа в процессе эксплуатации оправдали себя. Несмотря на некоторые достоинства, которыми обладали те или иные КДШ перекрытого типа, сегодня от их применения практически отказались. Исключение составляют гребенчатые ДШ, но и их использование сопряжено с большими трудностями. Ситуации с ДШ гребенчатого типа такова, что они должны быть и ближайшее время усовершенствованы, либо будут вытеснены другими типами ДШ, но об этом подробнее будет сказано далее.

Если вернуться к ДШ перекрытого типа в целом, то у них явно можно выделить недостатки, заложенные изначально в их конструкции, а потому крайне трудно устранимые.

Во-первых, ДШ перекрытого типа, как правило, выполняются из стали. Следовательно, они подвержены коррозии. Изначально в задачи ДШ входила защита от проникновения воды на торцы пролетных строений, опорные чисти и опоры, с чем они более или менее в последнее время смогли справиться. Однако, конструкция любого ДШ перекрытого типа шкива, что все основные элементы ДШ находятся в зоне действия воды и агрессивных веществ, собирающихся с проезжей части. Применение для ДШ перекрытого типа нержавеющей, коррозионностойкой стали, либо цветных металлов и их сплавов может быть нерационально в связи с большой металлоемкостью этих типов ДШ. Масса 1 метра ДШ перекрытого типа на перемещения 600...800 мм достигает 1500 кг и более. И это при том, что практически все элементы ДШ, как уже было сказано, нуждаются в применении стойких к агрессивной среде материалов. Тем не менее, за рубежом идут на использование устойчивых к коррозии материалов, правда, только в отношении гребенчатых ДШ [35].

Применение антикоррозионных покрытий и обработки поверхности зачастую нецелесообразно в таких ДШ из-за большого количества шарниров, болтовым соединений и большой площади поверхностен, подверженных износу шинами транспортных средств и трущихся друг о друга. Кроме того, в защите нуждаются и поверхности пролетных строений, расположенные выше водоотводных лотков. Поэтому, возможно, способ борьбы с указанными проблемами может заключаться в применении для конструкций ДШ перекрытого типа композитных материалов. Как иллюстрацию идеи, можно привести разработку фирмы Freyssinel (рис. 48). В качестве материала для этого гребенчатого ДШ использована резина, армированная металлическими листами. Однако, именно такая конструкция не свободна от недостатков, присущих всем ДШ с монолитными армированными упругими компенсаторами (о которых будет говориться в главе 7).

Во-вторых, все эти конструкция ДШ, помимо воды, проницаемы для грязи, имеют склонность к попаданию между скользящими поверхностями пыли, песка, что ведет к быстрому износу движущихся элементов этих ДШ. В этом случае, также из-за особенностей конструкции, трущиеся поверхности находятся в районе мостового полотна, т.е. в зоне повышенного образования различных абразивов. Опирание трущихся поверхностей на изнашиваемые и заменяемые впоследствии (или наоборот, износостойкие) прокладки оправдано, пожалуй, только для гребенчатых ДШ со скользящими гребенками из-за опирания последних только концами пальцев, где и устанавливаются эти прокладки (рис. 47). Перекрывающие листы имени большие площади опирания и склонны к деформированию [25], что приводит к приложению повышенного давления лишь на отдельные участки поверхности листа. Свободны от этой проблемы вообще только гребенчатые ДШ с консольными гребенками благодаря отсутствию поверхностей трения.

В-третьих, как говорилось в главе 2, конструкции ДШ не должны содержать болтовых соединений из-за небольшой надежности последних. Были случаи дорожно-транспортных происшествий с очень тяжелыми последствиями именно из-за выхода из строп болтовых креплений ДШ мостов. Также болты не должны устанавливаться со стороны поверхности проезжей части во избежание проколов шин транспорта в случае, например, срыва резьбы болта и выхода его головки выше уровня проезжей части. Оба этих условия, как правило, нарушены во всех конструкциях ДШ перекрытого типа, поскольку перекрывающий зазор элемент в них расположен всегда выше всех остальных и закрывает доступ к нижележащим элементам. Если отказаться от применения болтов, либо не располагать болты в уровне проезжей части, КДШ станет доступной только снизу, что потребует устройства подмостей, как для ремонта, так и при необходимости осмотра конструкций. Таким образом, отказаться от использования болтов пока не удалось.

Трудность доступа - еще один бич ДШ перекрытого типа. Коррозия болтов крепления перекрывающих листов и гребенок, прижимных пружин, большой вес перекрывающих элементов, необходимость перекрытия движения для ведения работ - все это обусловливает исключительную трудоемкость обслуживания ДШ перекрытого типа. В последнее время эта проблема в определенной степени решена в отношении гребенчатых ДШ. Благодаря большой жесткости гребенчатых плит стало возможным выполнение их из отдельных демонтируемых секций.

Высокая шумовая эмиссия, свойственная всем ДШ перекрытого типа, на исключением гребенчатых, обусловлена гибкостью перекрывающего листа, в результате чего плотного прилегания стального листа по всей длине ДШ к поверхности скольжения добиться не удается. Щели, образующиеся под листом в некоторых местах, вызывают удары листа по поверхности скольжения при движении транспорта, грохот и повышенное динамическое воздействие на элементы ДШ и моста. Неровный профиль ДШ с косым и плавающим листами, создающий неровности поверхности проезда, дают аналогичный эффект. По этой же причине повышенное динамическое воздействие от транспорта оказывается и на ДШ откатного типа, несмотря на применение массивных стальных плит. Гребенчатые ДШ обладают также высокой жесткостью плит, а кроме того, непрерывной и ровной поверхностью проезда (при малых вертикальных перемещениях), поэтому шумовая эмиссия в уровне проезжей части у них невысока. Правда, по исследованиям немецких специалистов, гребенчатые ДШ обладают свойством редуцировать и передавать шумовую эмиссию тип, что может быть нежелательно при их работе в городских путепроводах. В этом случае необходимо применение экранов, перенаправляющих шум вверх, либо гасителей шума. Такие устройства располагаются под КДШ и могут конструктивно совмещаться с водоотводными лотками ДШ.

Жесткое крепление приводит к тому, что перекрывающие элементы работают как консоли. Это вызывает передачу изгибающих моментов на анкерное крепление, что нежелательно. В этом случае необходимо обеспечить достаточное сечение и эффективную конструкцию анкеров. Кроме того, надо стремиться к тому, чтобы анкеры передавали усилия по возможности на больший объем бетона, что связано с гашением вибрационных колебаний окаймления массой бетона и предотвращением локальной концентрации напряжений. Этого можно достичь применением анкерных креплений, расположенных с шагом 15-25 см общим сечением не менее 24 см² на 1 погонный метр ДШ [23], повышением жесткости на изгиб и кручение всей системы анкеровки ДШ по его длине, использованием полимербетонных приливов для анкеровки ДШ, способных, ко всему прочему, гасить вибрации и удары транспорта, КДШ посредством анкерных элементов должна обязательно объединяться с арматурой пролетных строений.

Нежесткое крепление перекрывающих листов и гребенок влечет за собой необходимость шарниров, в которых концентрируются значительные усилия. Также существует опасность разбалтывания болтов, ослабления прижимных пружин. Немаловажен правильный выбор мощности пружин. Необходимое усилие прижатия скользящего листа зависит от геометрических размеров листа, расстояния между пружинами и обычно находится в пределах 800-1200 кгс на погонный метр длины ДШ (или 400-600 кгс на метр длины по одной стороне листа) [23]. При утолщении конца скользящего листа можно избежать увеличения мощности пружин, если скользящий лист опереть на резиновую прокладку. Это также позволяет смягчить удары в месте опирания.

В ДШ перекрытого типа наблюдается разрушение прилегающих к окаймлению участков покрытия. Появлению этого дефекта предшествует образование трещины между покрытием и краем ДШ вследствие независимых деформаций дорожной одежды. Величина раскрытия трещин может достигать 10-15 мм [23], причем с увеличением длины пролетного строения раскрытие возрастает. Это требует наличия зазора между покрытием и ДШ шириной около 15 мм, заполняемого пластичным герметизирующим материалом [7].

Прочность и долговечность покрытия в зоне ДШ во многом зависят от степени уплотнения асфальтобетонной смеси. Установлено [23], что практически невозможно добиться требуемого уплотнения в зоне расположения ДШ, если не уплотнять покрытие послойно ручными трамбовками или поперечными проходами катков. Однако это трудноосуществимо или из-за отсутствия необходимого оборудования, или из-за малой ширины проезжей части. Поэтому практически всегда наблюдается разрушение покрытия на участках шириной 0,2-0,3 м вдоль шва. Выходом из положения может быть применение приливов из полимербетонов либо литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих (приготовленного, к примеру, по технологии, описанной в [9]) на подходах к ДШ.

Разрушение окаймления ДШ перекрытого типа, наблюдавшееся во многих случаях, вызвано, прежде всего, интенсивной коррозией в этом узле при проникновении влаги под окаймление. Основным здесь является качество примыкания к ДШ гидроизоляции мостового полотна. Поиски решения в этой области привели к сложным и, соответственно, ненадежным схемам выполнения гидроизоляции (с использованием фольги, пленки ПВХ, латунных или полиизобутиленовых листов, крепившихся на клею или даже механически к окаймлению [23]). На сегодняшний день необходимо отказаться от окаймления в виде сложных прокатных профилей (уголков, швеллеров и т.д.), прилегающих к бетону. Применение такого окаймления способствует развитию коррозии в местах неплотного прилегания окаймления к бетону, чего избежать в условиях значительной статической или динамической нагрузки на эти элементы невозможно. Антикоррозионные покрытия по той же причине быстро изнашиваются, а применение нержавеющей (или коррозионностойкой) стали для этих элементов могло бы решить вопрос, но дорого. Целесообразным может быть отказ от металлического окаймления вообще, приварка мощного анкерного крепления к ребрам жесткости, к которым крепятся основные элементы КДШ, и применение бетонного (лучше полимербетонного) окаймления, выполненного в виде приливов на контакте с ДШ. Проблему примыкания гидроизоляции мостового полотна в этом случае можно решить, применяя на подходах к ДШ, по крайней мере, покрытие из литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих, которое в значительной степени водонепроницаемо, долговечно и обладает хорошей адгезией, как к бетону, так и к металлу [9].

Гребенчатые плиты ДШ, как было уже сказано, могут быть с пальцами прямою и непрямого очертания. Прямое очертание пальцев свойственно подавляющему большинству гребенчатых плит ДШ с опертыми гребенками, тогда как в ДШ с консольными гребенками иногда (но далеко не всегда) используются пальцы криволинейного очертания (а также трапецеидального и треугольного). Такое очертание пальцев имеет множество преимуществ перед прямыми пальцами (за исключением большей сложности изготовления). Главное преимущество, крайне важное для использования в мостах, это меньшая склонность к заклиниванию и значительно большей по сравнению с ДШ с прямыми пальцами угол возможного поворота гребенок относительно друг друга в плане без взаимного заклинивания, большая жесткость пальцев. Ввиду того, что торцы пролетных строений моста обязательно перемещаются и вращаются в трех плоскостях, современный ДШ обязан воспринимать все эти перемещения. Гребенчатый ДШ с прямыми пальцами способен воспринимать без заклинивания и повреждения пальцев настолько малые перемещения и повороты в плане, что целесообразность его использования в мостовых сооружениях (даже совместно с поперечно-неподвижными опорными частями) вызывает сомнения. За рубежом такие ДШ широко используются на скоростных автодорогах с жестким покрытием, где к ДШ предъявляются намного более мягкие требования, нежели в мостах.

К примеру, известная фирма Proceq производит множество типов ДШ для мостовых сооружений, но все ДШ гребенчатого типа (с прямыми пальцами), выпускаемые Proceq под названием TENSA FlexFinger (рис. 51) предназначены для применения в автомагистралях с жестким покрытием и не предназначены для мостов. Это можно заключить даже исходя из конструктивных особенностей этих ДШ (прямое очертание пальцев, крайне малое расстояние между ними, не допускающее поворот в плане и горизонтальные смещения, особенности анкеровки и т.д.).

Рис. 51. Гребенчатые ДШ с прямыми пальцами для скоростных автомагистралей с жестким покрытием производства фирмы Proceq: а - ДШ с опертой гребенкой типа TENSA Flex Finger R, б - ДШ с консольными гребенками типа TЕNSA FlexFinger K

Поскольку область применения таких конструкций - автомагистрали, а не мосты, упомянутые ДШ гребенчатого типа не рассчитываются на повышенные (по сравнению с автодорогами) нагрузки и воздействия, а также на условия эксплуатации, характерные для мостовых сооружений. В результате, можно гарантировать появление дефектов в таких конструкциях, если они применены для мостов.

В связи со сказанным, вызывает беспокойство тенденция применения таких ДШ (в частности, тех же ДШ типа TENSA FlexFinger) в отечественном мостостроении как ДШ, предназначенных для использования а автодорожных мостах (в основном, благодаря большей их доступности по сравнению с гребенчатыми ДШ, разработанными для мостов) [6]. Российские поставщики дипломатично умалчивают об истинном назначении этих ДШ, что в условиях недостаточной осведомленности проектировщиков об особенностях работы гребенчатых ДШ в мостах приводит к принятию решения об установке данных конструкций в мостовое сооружение.

6.6. ВЫВОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

Повышение эксплуатационной надежности ДШ перекрытого чипа требует пересмотра всей концепции их конструирования, что может быть нецелесообразно ввиду наличия таких сильных «конкурентов» этих конструкций, как ДШ с упругим компенсатором, которые, хотя и имеют собственные недостатки, но в большей степени отвечают потребительским свойствам. Сложности, связанные с преодолением указанных проблем, заставили в наше время практически полностью отказаться от использования ДШ перекрытого типа, ограничив их применение редкими случаями в составе комбинированных конструкции ДШ, основой которых служат систе-

 

 

7. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ С УПРУГИМ КОМПЕНСАТОРОМ

Конструкции ДШ с упругим компенсатором - самая большая и многообразная группа ДШ, выпускаемых в настоящее время. ДШ с упругим компенсатором изначально были созданы и стали широко применяться за рубежом. Отечественная резинотехническая промышленность позволила начать выпуск первых таких ДШ только приблизительно с начала 70-х, тогда как к началу 60-х годов в Европе уже были разработаны модульные ДШ с большими предельными перемещениями.

На сегодняшний день ДШ с упругим компенсатором наиболее перспективны для восприятия всесторонних средних и больших перемещений пролетных строений мостов.

7.1. ВОСПРИНИМАЕМЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Перемещения, воспринимаемые ДШ с упругим компенсатором, зависят от конкретной конструкции. На практике довольно редко применяются конструкции с предельными перемещениями в горизонтальном продольном направлении менее 25 мм. Обычно самые простые конструкции обеспечивают предельные перемещения от 5 до 40...80 мм. Предельные перемещения КДШ с упругим компенсатором могут составлять в продольном направлении до 2500 мм и более. Верхний предел применения таких конструкций пока не определен. ДШ с упругим компенсатором обеспечивают предельные перемещения в горизонтальном поперечном направлении до 600...800 мм и более, а вертикальные могут превышать 50 мм. При этом предельный угол косины моста обычно принимается не выше 45°.

7.2. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ С УПРУГИМ КОМПЕНСАТОРОМ

Общей конструктивной особенностью рассматриваемых ДШ является восприятие перемещений пролетных строений за счет упругих деформаций специально предназначенных для этого элементов - компенсаторов. Компенсаторы могут быть несущими, в этом случае они помимо функции восприятия перемещений, воспринимают нагрузки от транспортных средств. Ненесущие компенсаторы, в отличие от несущих используются только совместно с отделенными от них несущими элементами ДШ, предназначенными для восприятия и передачи нагрузок.

Кроме того, ДШ могут быть с компенсаторами, конструктивно исполненными в виде плоских или объемных профилей (для которых характерны достаточно тонкие стенки и высокая гибкость; профили могут быть несущими и ненесущими, предварительно обжатыми при установке и необжатыми), либо построенными в виде монолитных блоков (как правило, это несущие компенсаторы, которые могут армироваться для лучшего восприятия нагрузок).

В каждом конкретном виде ДШ с упругим компенсатором характер работы упругого материала компенсатора различен. Так, материал компенсатора может работать на изгиб, сжатие, растяжение, сдвиг, даже кручение или на любую комбинацию этих деформаций.

Далее все множество существующих ДШ с упругим компенсатором рассматривается по группам, для которых характерны общие конструктивные особенности и характер работы элементов.

7.2.1. Деформационные швы с полыми несущими профилями

В ДШ с полыми несущими профилями (expansion joints with hollow profile) используется объемный уплотняющий зазор упругий профиль, как правило, разделенный на секции или ячейки перегородками для повышения пространственной жесткости. Упругий профиль может закрепляться в конструкции ДШ при помощи клея, механическим способом, либо вулканизацией (последнее встречается реже). Воспринимаемые перемещения 5...40 мм [28], но отдельные конструкции могут изготавливаться и на перемещения до 50 мм [31, 35]. В данной группе ДШ существуют несколько обособленных подгрупп конструкций, отличающихся друг от друга конструктивно, Далее ДШ с полыми несущими профилями будут рассматриваться по подгруппам.

1) ДШ с полыми несущими профилями и окаймлением в виде бетонных (полимербетонных) приливов (nosing expansion joints).

В таких ДШ основной элемент - полый многосекционный профиль - закрепляется с помощью клея между специально выполненными бетонными или полимербетонными участками (приливов или окаймления ДШ). Приливы играют роль и окаймления ДШ, воспринимающего нагрузки от транспорта, и, одновременно, анкерного крепления ДШ. Примером ДШ с полым двухсекционным профилем, закрепляемым на клею, может служить ДШ JEЕNE® тип W, производимый Watson Bowman Acme Corp. (рис. 52) [1].

Эти ДШ выпускаются для диапазона перемещений до 101 мм, однако такая система создает разрыв в мостовом полотне, поэтому из гаммы выпускаемых ДШ этого типа в мостах могут использоваться только типоразмеры W19-W63 с предельными перемещениями соответственно от 19 до 63 мм (то есть не более 65 мм [28, 33]). Роль несущих и анкерных элементов ДШ выполняет в этом случае окаймление ДШ, выполненное из материала STRELAX® (трехкомпонентный полимербетон на основе полиуретана).

Рис. 52. Устройство системы JЕENE® типа W (Watson Bowman Acme Corp.), с переходными кромками из материала STRELAX

Профиль приклеен к окаймлению при помощи эпоксидного клея. Приклеивание осуществляется под давлением, создаваемым путем нагнетания в профиль воздуха, когда последний уложен в проектное положение. После затвердевания клея воздух из профиля выпускается.

Подобное решение используется и при устройстве ДШ на основе продукции компании D.C. Brown - неопреновых профилей серий J и JP, имеющих несколько типоразмеров. При этом в мостах по упомянутой выше причине можно использовать профили на перемещения до 63,5 мм (серия J) и 53,3 (серия JP). Сопутствующего материала для окаймления компания не выпускает.

2) ДШ с полым упругим профилем и механическим креплением профиля (elastomeric in metal runners joints),

ДШ, входящие в данную подгруппу, нашли намного более широкое применение, по сравнению с описанными выше конструкциями. Для механического крепления профили в них используются, помимо полимербетонного окаймления, металлические несущие профили, в которых и закрепляется компенсатор. Перемещения, воспринимаемые такими конструкциям и достигают 150 мм.

Одна из разработок в этом направлении - ДШ типа BEJ (Britflex «BЕJ» system), выпускаемые компанией Universal Sealants (рис. 53) [1].

Помимо секционного ненесущего уплотняющего профиля 2, в конструкции ДШ BEJ используются металлические направляющие 3, выполняемые из высококачественной (либо нержавеющей) стали, и приливы из полимерной смолы Britflex, позволяющей создать своего рода «гибкий бетон» в окаймлении ДШ. Смесь смолы Britflex с инертным заполнителем после полимеризации отличается способностью хорошо поглощать энергию удара, ее высокая адгезия как к бетонной, так и к металлической поверхности позволяет отказаться от традиционной анкеровки ДШ. Не требуется и дополнительных работ по ремонту плиты проезжей части и укладке подстилающего раствора перед установкой ДШ, так как сама смола эффективно заполняет неровности основания.

Рис. 53. ДШ типа BEJ (Universal Sealants) на перемещении до 150 мм:

1 - витое армирование; 2 - секционный профиль; 3 - несущие металлические профили; 4 - пролетное строение; 5 - окаймление в виде прилива из материала Britflex; 6 - дренаж; 7 - пролетное строение

ДШ типа ВEJ выпускаются на перемещения до 150 мм и горизонтальном и ±20 мм - в вертикальном направлениях. Однако профиль указанного ДШ не обеспечивает непрерывной поверхности проезда, поэтому наибольшее перемещение, которое может допустить ДШ системы ВЕJ, не нарушая требований главы 2 (см. выше), ограничено 50 мм в продольном горизонтальном направлении при ±15 мм по вертикали.

Аналогичную конструкцию представляет собой ДШ фирмы Stirling Lloyd типа Sentinel™ EMR на перемещения 5... 150 мм.

3) ДШ с сотовым или ячеистым профилем (expansion joints with honeycombed elastomeric profile или cellular seal expansion joints).

К конструкциям ДШ, подобным вышеописанным (но с несколько отличающимся от предыдущего примера формой и способом крепления профиля), относится WABO® ER (Watson Bowman Acme Corp.) [1]. Схема ДШ WADО® ER с профилем Е32 приведена на рис. 54. Минимальный зазор ДШ А должен быть не менее 25 мм, а максимальный - не более 58 мм, таким образом, наибольшее перемещение ДШ составляет 32 мм.

Другие типоразмеры профилей, выпускаемые для использования с этим типом ДШ, имеют максимальный размер профилей, превышающий допустимые 65 мм (см. главу 2). Использование их в мостовых сооружениях допустимо, но при ограничении раскрытия ДШ до 65 мм, что существенно ограничивает и их номинальные перемещения (табл. 19), и может быть экономически не оправдано.

Рис. 54. ДШ типа WABO* ER с профилем Е32 (Watson Bowman Acme Corp.) на перемещения до 32 мм

Таблица 19

Существуют конструкции с иным исполнением анкерных элементов и характером работы компенсатора. К примеру, Р expansion joint, выпускаемый компанией Freyssinet (рис. 55), имеет традиционное болтовое крепление металлического окаймления, что нельзя отнести к достоинствам этой конструкции. Однако сотовый профиль, в отличие от ДШ типов WABO® ER и BEJ, работает без непосредственных воздействий на него со стороны проходящего транспорта (исключая случай вдавливания в профиль колесом крупного мусора). Профиль воспринимает только перемещения пролетных строений.

Окаймление ДШ собирается из плиты основания и накладной плиты, между которыми зажат сотовый профиль ДШ. Плита основания окаймления заанкерена в пролетное строение при помощи анкерных болтов, посаженных на адгезив из эпоксидной смолы.

Размер А (рис. 55) может изменяться в пределах значений 40...120 мм (для профиля Р80), 35...85 мм (для профиля Р50), 25...55 мм (для профиля Р30).

Очевидно, что лишь последний из них может быть рационально применен в мостовом сооружении. В этом случае профиль состоит только из одной ячейки.

Рис. 55. Конструкция ДШ Freyssinet типа Р с профилем Р80 на перемещения до 120 мм

Также необходимо упомянуть иногда встречающиеся конструкции ДШ с коробчатым профилем (expansion joints with elastomeric box-type seal), отличающиеся от конструкций с сотовым (ячеистым) профилем наличием одной основной ячейки, воспринимающей перемещения. Обычно такой профиль выполняется близким к прямоугольной форме (рис. 56).

Рис. 56. Пример коробчатого профиля

7.2.2. Деформационные швы с монолитными несущими компенсаторами и эластоблочные деформационные швы

Как следует из названия, ДШ с монолитными несущими компенсаторами и эластоблочные ДШ (elastomeric expansion joints или elcistoblock expansion joints), в отличие от описанных выше, являются конструкциями, компенсаторы которых рассчитаны на восприятие и передачу нагрузок от транспортных средств. Особенностью рассматриваемых конструкций является то, что упругие компенсаторы не армируются для повышения несущей способности (ДШ с армированием будут описаны ниже).

К группе ДШ с монолитными несущими компенсаторами относятся, к примеру, ДШ производства фирмы Maurer Söhne типов K30 и K50 (рис. 57) [1]). Эти ДШ выпускаются с несколькими вариантами исполнения металлических профилей. Металлические профили окаймления могут быть изготовлены из алюминия или нержавеющей стали. Анкеровка может быть стандартной (в виде анкерных болтов или объединяемой с пролетными строениями арматуры), либо с приливами из материала BETOFLEX®, полимербетона на основе эластомеров и синтетических смол, имеющего хорошее сцепление со сталью, бетоном и асфальтобетоном. Профиль 30 и профиль 50, используемые в рассматриваемом ДШ, предназначены для восприятия горизонтальных продольных перемещений соответственно до 30 мм и 50 мм и до 25 мм - горизонтальных поперечных и вертикальных перемещений. Профили изготовлены методом горячего прессования и состоят из гибкой средней части, за счет деформаций которой и осуществляется восприятие перемещений, и краевых утолщенных участков, служащих для крепления профиля в металлическом окаймлении и передачи на него нагрузок от транспорта.

Деформации упругой средней части могут происходить в диапазоне 10-40 и 15-65 мм соответственно для профилей 30 и 50.

Рис. 57. Профили на перемещения 30 мм и 50 мм и конструкция ДШ фирмы Maurer Söhne типа К:

1 - гладкие поверхности; 2 - полированные поверхности для передачи нагрузок; 3 - компенсатор; 4 - металлический профиль; 5 - прилив из BETOFLEX®

Аналогичной конструкцией обладает ДШ производства Proceq типа TENSA-GRIP Sitent GU (рис. 58) [1], перемещения которого в продольном направлении составляют ±13 (26) мм при ширине профиля в среднем положении 63 мм, а вертикальные ±15 (30) мм. Анкеровка ДШ, как и в предыдущем примере, может быть различной (включая полимербетонное окаймление). Металлические профили изготовлены из стали с защитным антикоррозионным покрытием.

Рис. 58. ДШ производства Proceq типа TENSA-GRIP Silent GU на перемещения до 26 мм

Эластоблочные ДШ имеют в своем составе несущий упругий профиль, как и уже рассмотренные ДШ, однако обеспечивают, в отличие от них, непрерывную поверхность. Для придания необходимой гибкости монолитный профиль обычно выполняют с продольными полостями (ячейками или секциями).

Примерами эластоблочных ДШ могут служить конструкции фирмы Maurer Söhne типов DB80, DB100, DB130 (рис. 59, а) и D80E, D100E (рис. 59, б).

Рис. 59. Эластоблочные ДШ производства Maurer Söhne:

a - типы DB80, DB100, DB130; б - типы D80E, D100E

Несущие профили закрепляются в металлическом окаймлении ДШ, на которое и передают нагрузку от транспортных средств. У блочного компенсатора, изображенного на рис. 59, б, немного выгнут верх, а профиль, приведенный на рис. 59, а (ковровый профиль), обеспечивает горизонтальную поверхность.

7.2.3. Деформационные швы с монолитными армированными несущими компенсаторами

ДШ с упругими несущими армированными компенсаторами (rein-forced elastomeric joints, elastomeric joints, flexible desk monoblock joints, elastomeric cushion joints, bolt-down panel expansion joints или elastomeric expansion dams) - одни из самых распространенных на сегодняшний день ДШ. Объясняется это относительной простотой их конструкции, возможностью воспринимать средние и большие перемещения, малыми разрывами а проезжей части, которые образуют рассматриваемые конструкции. Для ДШ с монолитными армированными компенсаторами характерно полное совмещение функций несущих элементов, гидроизоляции ДШ и элемента, воспринимающего перемещения, в одном монолитном несущем компенсаторе. Отдельно выполняются только болтовые анкерные крепления ДШ. Иногда компенсатор используется совместно с окаймлением, выполненным в виде бетонных либо полимербетонных приливов.

Условно можно разделить ДШ с монолитными армированными компенсаторами на две подгруппы: ДШ с простым профилем и ДШ со сложным профилем.

1) ДШ с простым несущим армированным профилем.

ДШ с простым профилем конструктивно являются развитием ДШ с монолитными неармированными компенсаторами и в их конструкции можно также выделить средний участок, отвечающий только за восприятие перемещений. Отличие состоит в том, что в данном случае применено армирование металлическими листами несущих участков компенсатора. Кроме того, листовая арматура используется для крепления компенсатора к пролетным строениям при помощи болтов.

Простой профиль имеет, в частности, ДШ производства Freyssinet под названием N expansion joint (рис.60) на перемещения до 65 мм в продольном направлении и до 6 мм - по вертикали [1]. Армирование (рис. 60, а) может осуществляться стальными, чугунными либо алюминиевыми полосами. Профиль крепится при помощи заанкеренных в пролетное строение болтов, прижимающих листовую арматуру к пролетному строению (рис. 60, б). ДШ собирается из жестких секций длиной по 1 м на необходимую длину склеиванием или вулканизацией. В качестве дополнительной гидроизоляции выступает слой из эпоксидного состава FREYSSI, выпускаемого фирмой. Тот же состав используется в данной конструкции в качестве адгезива для анкерных болтов.

Рис 60. ДШ производства Preyssinet, тип N:

а - армированный компенсатор ДШ; б - схема установки ДШ в пролетное строение; в - секция ДШ длиной 1 м

Рис. 61. ДШ фирмы Composan Construccion, тип JNA-50 на перемещения до 50 мм

Аналогичную конструкцию имеет и ДШ типа JNA-50 производства Composan Construccion, обеспечивающий восприятие продольных перемещений до 50 мм (рис. 61). Отличие заключается в вертикальном расположении анкерных болтов и использовании уголковых профилей в качестве армирования компенсатора. Сцепление анкерных болтов с материалом пролетных строений обеспечивается также с помощью адгезива. В качестве основания для компенсатора используется слой подстилающего раствора. Кроме того, в данной конструкции используется окаймление в виде полимербетонных приливов.

Некоторые ДШ могут иметь конструкцию, в которой воспринимающий перемещения средний участок может работать и на восприятие части нагрузок от транспортных средств. Так, конструкции ДШ WABO® GT производства Watson Bowman Acme Corp. выполнены на основе профилей, изображенных на рис. 62 [1]. Три типоразмера этих ДШ позволяют воспринимать перемещения до 50, 100 и 200 мм.

Рис. 62. Профили ДШ WABO GT (Watson Bowman Acme Corp.) на перемещения до 100 мм (вверху) и до 200 мм (внизу)

Отличие работы компенсатора от рассмотренных выше состоит в том, что средний участок профиля имеет массивную монолитную часть, опирающуюся на края деформационного зазора и передающую на пролетные строения нагрузки от транспорта, а также два зазора, перекрытые тонкими мембранами. Конструкция компенсатора позволяет полное смыкание зазоров при его сжатии. Мембраны, перекрывающие зазор, помимо гидроизоляционной функции, выполняют еще и функцию упругих связей средней части компенсатора с крайними частями. Это позволяет удерживать примерно равные величины раскрытия зазоров при работе компенсатора и избежать чрезмерного растяжения мембраны только одного из зазоров. Анкерные болты ДШ, как и в случае JNA-50 (Composan Construccion), устанавливаются вертикально.

2) ДШ со сложным несущим армированным профилем.

Под сложным профилем следует понимать монолитный упругий профиль, который армирован отдельными металлическими листами и верхней и нижней зонах. Перемещения воспринимаются путем уменьшения либо увеличения ширины зазоров, предусмотренных в упругом материале между армирующими листами. Максимально допустимые перемещения, воспринимаемые таким ДШ, ограничены шириной зазоров. Армирование ДШ, обязательно присутствующее над деформационным зазором моста, позволяет значительно снизить деформации изгиба, неизбежные в этом сечении. В ДШ с монолитными несущими компенсаторами со сложным профилем преимущественно используется анкерное крепление в миле расположенных вертикально болтов (шпилек).

Простейшей компоновкой (с армированием верхней зоны всего одним листом, расположенным над зазором) характеризуются ДШ фирмы Composan Construccion, типы JNA-42 - JNA-330 на перемещения до 330 мм (рис. 63).

Рис. 63. Характерное сечение ДШ фирмы Composan Construccion, (типы JNA-42 - JNA-330) на перемещения до 330 мм

В этом случае, так же как и в случае профилей WADO GT (рис. 62), величины раскрытия запоров профилей JNA-42 - JNA-330 удерживаются равными за счет приблизительно одинаковой упругости участков профиля, на которых расположены зазоры.

В целом ряде конструкций металлические листы, расположенные в верхней зоне, сочетают армирующие функции с функциями защитною покрытия компенсатора, препятствующего износу упругого материала шинами транспортных средств. Для этого потребовалось расположить верхние армирующие листы снаружи компенсатора. Такие листы обычно выполняются рифлеными с целью повышения коэффициента сцепления поверхности ДШ с шинами автомобилей.

ДШ WABOFLEX производства Watson Bowman Acme Соrр. типов SR 2A - SR 2,5А и SR 4A - SR 13A (рис. 64) [1] широко применяются на мостовых сооружениях и выполнены но принципу, изложенному выше.

Алюминиевая пластина 2 с ребрами, препятствующими скольжении) 4, служит для защиты упругого материала (неопрена) 3. В качестве арматуры нижней зоны используются стальные пластины 1, крайние из которых предназначены для крепления с их помощью всей конструкции к пролетным строениям. В них предусмотрены отверстия для болтов. Верхняя пластина 2 имеет изогнутые края 6, что снижает повреждения неопрена от ударов колес транспорта при наезде на ДШ. Водоотвод осуществляется при помощи дренажных каналов 5, которые являются деформационными зазорами ДШ, воспринимающими перемещения. Болтовые пазы заполняются герметиком после завершения установки ДШ.

Рис. 64. Конструкция ДШ WABOFLEX (Watson Bowman Acme Соrр.) типов SR 4A - SR 13A (профиль вверху) и SR 2A - SR 2,5А (профиль внизу) и схема их установки:

1 - стальная армирующая пластина; 2 - алюминиевая пластина; 3 - упругий материал (неопрен); 4 - ребра, препятствующие скольжению; 5 - деформационный зазор (дренажные каналы); 6 - узел крепления пластины к упругому материалу ДШ

Величина перемещений для ДШ WABOFLEX SR (Watson Bowman Acme Corp.) может достигать 330 мм.

ДШ с монолитными армированными компенсаторами ввиду их жесткости выполняются изготовителями в виде секций длиной 500... 1500 мм, стыкуемых на стройплощадке.

К конструкциям, подобным ДШ WABOFLEX SR, относятся также следующие типы ДШ: Serviflex (Grace Construction Products Ltd) на перемещения 51...330 мм; MASTERFLEX (сcl) на перемещения 51...330 мм; Sentinel™ algaflex® T (Stirling Lloyd) на перемещения 5...330 мм; PCM (СП «Россербмост») на перемещения до 115 мм. Сюда же можно отнести и ДШ типа М (Freyssinet) на перемещения до 200 мм.

7.2.4. Деформационные швы с ненесущими ленточными профилями

Далее рассматриваются однопрофильные ДШ с ленточным профилем (strip seal expansion joint), получившие в последнее время популярность как решение в области средних перемещений. Как правило, допускаемые перемещения таких ДШ находятся в пределах от 0...5 мм до 60...80 мм.

Отличительной особенностью данной конструкции является разграничение функций составляющих ДШ элементов. Упругий ненесущий профиль, выполненный в виде ленты, закреплен в несущих элементах, воспринимающих нагрузки от транспорта. Для закрепления несущих элементов в пролетных строениях служат анкерные элементы.

Развитие ДШ, выполненных по такому принципу, долго сдерживалось поиском приемлемого способа крепления упругого компенсатора в несущих профилях. Использовалось холодное и горячее приклеивание упругого компенсатора к несущим элементам, вулканизация, но наиболее удобным и надежным оказалось механическое крепление. В этом случае упругий компенсатор выполняется такой формы, чтобы обеспечить его надежное заклинивание в пазах металлических несущих элементов. Тем самым обеспечивается водонепроницаемость ДШ и возможность замены упругого профиля в случае его повреждения.

Конструкции ДШ с ленточным профилем различаются по особенностям решений основных элементов. Например, наиболее распространенные ленточные клиновидные компенсаторы могут иметь формы, показанные на рис. 65.

Рис. 65. Форма ленточных компенсаторов ДШ производства фирм:

а - Mageba SA; б - Maurer Söhne; в, г - TechStar

Упругие компенсаторы также могут иметь и полукруглую форму, как выпуклую, так и вогнутую, или образовывать в поперечном сечении сложные вогнуто-выпуклые очертания.

Примером ДШ с полукруглым очертанием ленточного компенсатора является отечественная конструкция с компенсатором К-8 (рис. 66) и предельными горизонтальными перемещениями до 50 мм [1].

Тем не менее, большее распространение получили именно клиновидные ленточные компенсаторы благодаря некоторым их отличительным особенностям. Форма клиновидного ленточного компенсатора подобрана такой, что грязь и мусор, попадающие в углубление компенсатора, выносятся колесами проходящих транспортных средств на проезжую часть. Кроме того, ленточные профили, показанные на рис. 65, обладают способностью самозаклиниваться в пазах несущих элементов при приложении вертикального давления, что препятствует выпадению компенсатора из пазов в случае попадания крупного мусора в зазор между несущими элементами (под давлением колеса автомобиля). Упругий ленточный профиль при восприятии перемещений пролетных строений работает преимущественно на изгиб или изгиб с растяжением.

Рис. 66. Отечественный ДШ с ленточным компенсатором типа К-8:

1 - бетон, подбиваемый вручную; 2 - окаймление; 3 - крайняя стальная пластина заполнения; 4 - прижим с болтом; 5 - фиксатор; 6 - ребро жесткости; 7 - анкер, 8 - клей или цементный раствор; 9 - закладная деталь

Несущие элементы ДШ выполняются с пазами под конкретный компенсатор. Иногда для механического закрепления компенсатора используются металлические пластины, прижимаемые с помощью болтов. Соответственно различаются профили несущих элементов ДШ производства различных фирм, использующих для своих конструкций различные способы крепления упругих компенсаторов (рис. 67).

Рис. 67. Несущие профили ДШ производства фирм:

a - Mageba SA; б - TechStar; в - Маurer Söhne

Также несущие профили могут быть полностью горячекатаными (рис. 67, а и в) либо собираться из нескольких деталей (рис. 67, б).

Анкерные элементы используются для крепления КДШ к пролетным строениям. Это определяет многообразие их конструкций. Например, существуют варианты анкеровки для железобетонных и металлических пролетных строений, для различных толщин плиты проезжей части, для проезжей части и зоны тротуаров, наконец, анкеровка может осуществляться «применением специальных полимербетонов.

В случае металлических пролетных строений несущие элементы могут объединяться непосредственно с пролетными строениями (сваркой или с помощью болтов), либо через дополнительные элементы, служащие в этом случае анкерами.

С железобетонными пролетными строениями ДШ объединяется путем сваривания анкерных элементов с арматурой плиты проезжей части, либо при помощи заанкеренных в бетон пролетного строения болтов шпилек). Полимербетонные приливы объединяют КДШ и пролетное строение за счет высокой адгезии материала к бетону и к металлу. Некоторые из возможных вариантов исполнения анкеровки (для ДШ фирмы Мaurer Söhne) показаны на рис. 68.

Рис. 68. Варианты анкеровки ДШ:

а - стандартное решение для железобетонных пролетных строений; б -то же, вариант с меньшей высотой анкерных элементов; в - вариант при расположении крепления в бетонном приливе; г - решение для металлических пролетных строений; д - анкеровка для зоны тротуаров.; е - анкеровка с помощью полимербетонных приливов

7.2.5. Модульные (многопрофильные) деформационные швы

Модульные ДШ (modular bridge expansion joints (MBEJ), multi-lement expansion joints) - это ДШ, предназначенные для работы в области средних и больших перемещений пролетных строений. Их конструкция получена последовательным соединением отдельных деформационных модулей, каждый из которых способен воспринимать сравнительно небольшие перемещения. При соединении этих модулей в последовательную цепь суммарные предельные перемещения возрастают пропорционально количеству составляющих ее деформационных модулей. В качестве деформационных модулей на практике могут быть использованы любые из систем ДШ с упругим компенсатором (в том числе, описанные выше).

Соответственно, при использовании в качестве модуля ДШ с ленточным профилем, имеющего предельные перемещения, к примеру, 60 мм, общее перемещение модульного ДШ может быть 120 мм, 180 мм, 240 мм и т.д. (с модулем 60 мм). В случае применения модуля в виде армированного монолитного компенсатора с перемещениями, скажем, 330 мм, общее перемещение модульного ДШ может быть только 660 мм, 990 мм, 1320 мм и т.д. (с модулем 330 мм). Вследствие этого обычно применяют деформационные модули с перемещениями до 60..80 мм, так как это позволяет создавать конструкции модульных ДШ, в которых общее предельное перемещение может быть рационально подобрано практически для любых величин перемещений пролетных строений. Верхний предел перемещений для модульных ДШ в настоящее время ограничен максимальной величиной перемещений пролетных строений существующих мостов. Таким образом, конструкциями модульных ДШ предельные перемещения пока не ограничиваются, и для построенных по такому принципу ДШ предельные перемещения достигают 2500 мм и более.

В состав конструкций модульных ДШ должны входить также опорные элементы, служащие основанием для деформационных модулей. Поскольку нагрузки от транспорта воспринимаются изначально деформационными модулями, дальнейшая передача их на анкерные элементы (и далее на пролетные строения) осуществляется посредством опорных элементов.

Анкерные элементы служат для фиксации КДШ в пролетных строениях. В целом, они выполняются аналогично уже описанным выше анкерным элементам различных типов ДШ.

Для обеспечения равномерного распределения общих деформаций между деформационными модулями используются дополнительные связующие элементы. В задачи элементов связи входит исключение чрезмерного растяжения или сжатия одних модулей ДШ при недостаточно растянутых (сжатых) других модулях.

Вообще говоря, системы модульных ДШ различаются, прежде всего, способом, с помощью которого достигается распределение деформаций между деформационными модулями.

В качестве примера рассмотрим одну из самых известных конструкции модульных ДШ, содержащую все рассмотренные конструктивные элементы, представленную на рис. 69. Это многоопорный модульный ДШ производства фирмы Manrer Söhne типа Girder-Grid Joint [1, 9], в котором для обеспечения одинаковых деформаций модулей используется гак называемая система балочной клетки.

В качестве несущих элементов в нем используются продольные несущие балки с установленными между ними упругими компенсаторами 8. Такая система образует в проезжей части несколько разрывов (шириной не более 80 мм), а проезд по ДШ осуществляется по верхним поверхностям несущих балок 1 и 2. Из-за такой организации проезжей части ДШ типа Girder-Grid Joint и другие, подобные ему, получили англоязычное название lamella joints или ДШ с поверхностью проезда, состоящей из нескольких продольных (к ДШ) относительно узких элементов (балок).

1 - крайняя несущая балка; 2 - промежуточная несущая балка; 3 - опорная балка; 4 - плита скольжения; 5верхний скользящий прижимной элемент; 6 - нижний скользящий опорный элемент, 7 - упругая связь (регулирующий элемент); 8 - ленточный компенсатор; 9 - анкерный элемент; 10 - анкерный болт; 11 - короб

Рис. 69. Конструкция ДШ типа Girder-Grid Joint (Maurer Söhne) и схема регулирования зазоров между несущими балками

Промежуточные несущие балки 2 передают нагрузки на опорные балки, причем каждая промежуточная балка приварена к своей опорной балке, которая может перемещаться по принципу скользящей заделки, образованной элементами 5 и 6 (рис. 69). Между каждыми двумя опорными балками устанавливаются упругие элементы 7, работающие на сжатие. Поскольку они обладают приблизительно равной жесткостью, при раскрытии ДШ общие деформации распределяются между опорными балками 3 (а, следовательно, между промежуточными балками 2 и упругими компенсаторами 8) равномерно. Такая схема регулировки называется также контрфорсной. Опорные балки при перемещениях ДШ убираются в защитный короб 11.

Количество ленточных профилей в данной конструкции ДШ составляет от 2 до 8 штук. При максимальном перемещении деформационного модуля не более 80 мм наибольшее продольное перемещение ДШ Girder-Grid Joint достигает 640 мм. Опорные элементы позволяют поворот опорных балок в вертикальной плоскости, что дает возможность достичь предельных вертикальных перемещений ДШ ±80 мм, однако из-за жесткого крепления несущих балок к опорным балкам, поперечные горизонтальные перемещения ограничены ±20 мм. Крепление ленточного профиля к несущим балкам осуществляется аналогично однопрофильным ДШ производства фирмы Маurer Söhne, рассмотренным выше.

Модульный ДШ типа LR производства Mageba SA представляет собой одноопорную модификацию предыдущей конструкции. В отличие от ДШ Girder-Grid Joint (рис. 69), данная конструкция имеет общую опорную балку (траверсу) 5 для всех несущих профилей 2 (рис. 70). Несмотря на то, что для регулирования перемещений используются также упругие контрольные элементы 8, в ДШ типа LR они работают на сдвиг, а регулирование зазоров осуществляется в результате наложения упругих связей между каждой промежуточной несущей балкой и двумя соседними.

Каждая промежуточная балка имеет возможность скользить по траверсе. Связь между этими элементами организована по типу скользящей заделки (элементы 3 и 4, рис. 70). Также осуществлена связь опорной траверсы с металлическим коробом 6. Конструкция модульного ДШ производства Mageba SA имеет нежесткие связи между всеми основными элементами, что позволяет этому ДШ воспринимать, помимо продольных горизонтальных и вертикальных перемещений, еще и поперечные перемещения, большие, чем ДШ Girder-Grid Joint (Maurer Söhne). Кроме того, конструкция лучше демпфирует удары и вибрации, возникающие от проходящего транспорта.

Продольные перемещения данного типа ДШ могут достигать 960 мм (в конструкции с 12 деформационными модулями), однако подобные конструкции могут производиться фирмой Mageba SA на перемещения и до 2000 мм (по специальному проекту).

Рис. 70. ДШ типа LR производства Mageba SA:

a - характерное сечение ДШ; б - общий вид ДШ; в - вид на конструкцию снизу; 1 - крайняя несущая балка, 2 - промежуточная несущая балка; 3 - ленточные профили; 4 - нижний скользящий опорный элемент; 5 - верхний скользящий прижимной элемент, 6 - короб, 7 - анкерные элементы; 8 - контрольные пружины

Практически аналогичными ДШ конструкции Mageba SA являются ДШ производства TechStar типов LG, LR и LX. Основное отличие заключается в работе контрольных элементов на сжатие, а не на сдвиг, и их размещение между соседними двумя несущими балками, а не между тремя.

Применяются также конструкции, в которых функции деформационного модуля совмещены с функциями регулирующих зазор элементов; а в ряде случаев - и с функциями несущих элементов. Как правило, это ДШ с деформационными модулями, выполненными на основе монолитных упругих профилей, как армированных, так и неармированных.

Одна из таких конструкций - ДШ типа WaBo® GS (Watson Bowman Acme Corp.). Она состоит из двух деформационных модулей, которые выполняют также функции несущих и распределяющих перемещения (за счет собственной упругости) элементов (рис. 71) [9].

Рис. 71. ДШ типа WaBo GS (Watson Bowman Acme Corp.) на перемещения - 400 мм

В рассматриваемой конструкции зазор перекрыт металлической плитой, а деформационные модули вынесены за пределы деформационного зазора и расположены на пролетных строениях, что позволило отказаться от использования опорных балок и других подобных элементов. Характер работы такого модульного ДШ принципиально мало отличается от работы монолитных армированных компенсаторов в более простых конструкциях. ДШ типа WaВo® GS способны воспринимать продольные перемещения до 1600 мм.

Вынесение деформационных модулей за пределы деформационного за юра использовано и в конструкции ДШ типа EOLE фирмы Freyssinet (рис. 72) [1]. В данной конструкции также зазор перекрыт стальной плитой, а деформационные модули представляют собой сложную систему, образованную пятью металлическими балками и четырьмя упругими компенсаторами. Модули соединяются между собой, причем между ними укладывается герметизирующий профиль. ДШ типа EOLE способен воспринимать перемещения в трех Измерениях, причем максимальные продольные горизонтальные перемещения могут иметь величину от 300 мм до 2500 мм и более.

Рис 72. Модульный ДШ типа BOLE фирмы Freyssinet:

a - общий вид конструкции; б - разрез ДШ; в - основные составляющие элементы ДШ

все описанный выше конструкции не лишены недостатков. в основном ли связано с недостаточно совершенной системой регулировки перемещении деформационных модулей. На сегодняшний день в наибольшей степени удовлетворяет потребительским качествам одноопорный модульный ДШ производства Maurer Söhne типа Swivel-Joist (рис. 73) [1, 9]. Регулировка зазоров в нем осуществляется кинематическим способом без использования упругих связей.

Опорные балки (траверсы) 3 (рис. 73) расположены в этом ДШ под определенным углом друг к другу и к несущим балкам 1 и 2, шарнирно закреплены со стороны одного из пролетных строении. Со стороны другого пролетного строения они закреплены по способу скользящей заделки при помощи направляющего 5 и скользящего опорного 6 элементов. Там же расположен короб, внутри которого находятся траверсы (при смыкании пролетных строений). Крайние несущие элементы 1 имеют анкеровку, объединяемую с арматурой пролетного строения, короба - заанкериваются в бетон пролетного строения.

Направляющие и опорные элементы траверсы допускают повороты во всех трех плоскостях, за счет чего обеспечивается восприятие КДШ поперечных и вертикальных смещений пролетных строений.

Промежуточные несущие балки опираются на направляющие элементы через шарнирное соединение, позволяющее направляющим вращаться в плане относительно балок.

Рис 73. Конструкция ДШ типа Swivel Joist (Maurer Söhnе)

1 - крайняя несущая балка; 2 - промежуточная несущая балка, 3 - траверса, 4 - лист скольжения; 5 - направляющая шпонка; 6 - скользящая опора; 7 - ленточный профиль

Схема регулирования перемещений, используемая в ДШ типа Swivel-Joist (Maurer Söhne), показана на рис. 74.

Опорные траверсы при среднем раскрытии ДШ установлены под углом φ. Промежуточные несущие балки устанавливаются на траверсы, причем расстояние CD = d фиксировано. Также не изменяются расстояния АВ и EF на крайних несущих балках. При увеличении или уменьшении расстояния между крайними балками (при перемещениях пролетных строений) угол φ меняется на величину ±Δφ. Поскольку направляющие элементы, установленные на траверсы в точках С и D, могут вращаться относительно промежуточной балки, изменение угла φ приводит к скольжению направляющих вдоль траверс к точкам А и В при закрытии ДШ, т.е. при уменьшении угла φ (увеличении угла между траверсами). При раскрытии ДШ, направляющие С и D движутся в направлении точек Е и F соответственно.

При перемещениях пролетных строений рабочие длины траверс (расстояния АЕ и BF) увеличиваются или уменьшаются (в последнем случае неиспользуемые хвостовые части траверс убираются в короба). Принцип регулирования перемещений основан на следующих геометрических соображениях.

Рис. 74. Схема регулирования зазоров между несущими балками в ДШ типа Swivel-Joist (Maurer Söhne)

Согласно теореме Фалеса, отрезки АВ, CD и EF (рис. 74) подобны, поскольку отсечены двумя пересекающимися прямыми (траверсами) на параллельных прямых (крайних и промежуточных несущих балках). Кроме того, отрезки АЕ и СЕ, а также BF и DF подобны отрезкам АВ и CD. При увеличении (уменьшении) длин АЕ и BF, расстояния между несущими балками изменяются на одинаковые величины, так как благодаря фиксированному отношению длин отрезков АВ, CD и EF друг к другу, отношения подобных им отрезков АЕ к СЕ и BF к DF (расстояния между балками) также остаются постоянными.

Для такой работы описанной системы необходимо обеспечить беспрепятственное изменение угла между траверсами. Поскольку и точках А, В, Е и F установлены шарниры (рис. 73), допускающие поворот, укачанное условие соблюдается. Так как все углы в описанной системе могут имен, произвольную величину и изменяются при работе, вся система подвижна в плане и способна воспринимать поперечные перемещения пролетных строений без нарушения корректности регулировки перемещений. Величина перемещений зависит ох заданного изначально угла φ и длин траверс, что определяется, в свою очередь, способностью компенсаторов, установленных между несущими балками, воспринимать сдвиговые деформации вдоль собственной оси.

Вертикальные перемещения обеспечиваются восприятием опорными шарнирами траверс А, В, Е и F угловых деформаций в вертикальной плоскости.

Конструкции ДШ типа Swivel-Joist (Maurer Söhne) способны воспринимать значительные линейные и угловые перемещения в плане. Так, при линейных продольных перемещениях ДШ стандартного исполнения 1200 мм поперечные перемещения достигают ±600 мм. ДШ может воспринимать также вертикальные перемещения пролетных строений относительно друг друга до ±45 мм. В случае необходимости, ДШ такой конструкции могут создаваться и на большие перемещения.

7.3. КЛАССИФИКАЦИЯ

ДШ с упругим компенсатором делятся на однопрофильные и много профильные ДШ.

Однопрофильные ДШ бывают следующих видов:

- с полыми ненесущими профилями;

- с монолитными несущими компенсаторами и эластоблочные;

- с монолитными армированными несущими компенсаторами;

- с ненесущими ленточными профилями.

Кроме того, ДШ могут быть с упругими профилями, закрепляемыми:

- с помощью клея;

- вулканизацией;

- за счет предварительного обжатия (только полые профили);

- механическим способом.

По типу объединения ДШ с пролетными строениями, конструкции ДШ с упругими профилями могут быть:

- с металлическими анкерными элементами, объединяемыми с арматурой железобетонных пролетных строений;

- с заанкериваемыми в бетон железобетонных пролетных строений элементами (шпильками или болтами);

- с анкеровкой в виде полимербетонных приливов; привариваемые к металлическим пролетным строениям;

- соединяемые с металлическими пролетными строениями при помощи болтов.

ДШ могут иметь сразу два различных типа анкеровки либо анкеровку, скомбинированную из указанных.

По форме сечения упругого профиля, ДШ с полым профилем можно разделить на конструкции:

- с коробчатым профилем; с секционным профилем;

- с сотовым (ячеистым) профилем (в т.ч. с одной ячейкой - упругие трубки).

Эластоблочные ДШ могут иметь различные исполнения несущих компенсаторов. По характеру верхней поверхности таких компенсаторов, эластоблочные ДШ могут быть:

- с выгнутой криволинейной поверхностью профиля;

- с горизонтальной поверхностью профиля (с ковровым профилем).

ДШ с монолитными армированными несущими компенсаторами могут разделяться на конструкции следующих видов (по типу армирования):

- с простым профилем (с армированием опорных зон компенсатора в нижней зоне);

- со сложным профилем (с комплексным армированием профиля в верхней и нижней зонах);

- с внешним армированием верхней зоны сложного профиля (с металлизированной поверхностью износа).

ДШ с ненесущими ленточными профилями делятся по форме компенсатора на конструкции:

- с клиновидным профилем;

- с вогнутым полукруглым профилем; с выгнутым полукруглым профилем;

- с профилями сложного сечения.

Многопрофильные ДШ бывают собственно многопрофильными, либо выполненными по модульному принципу. Модульные ДШ могут быть построены из деформационных модулей на основе любых из описанных видов однопрофильных ДШ.

По расположению деформационных модулей конструкции ДШ делятся на виды:

- ДШ с расположением модулей над зазором;

- ДШ с вынесением модулей на пролетные строения.

По характеру работы опорных элементов можно выделить:

- многоопорные конструкции;

- одноопорные конструкции;

- с использованием в качестве основания для деформационных модулей конструкций пролетных строений (ДШ с вынесением модулей)

По принципу организации регулирования равномерного распределения перемещении между деформационными модулями ДШ могут иметь:

- регулирующую систему с упругими связями при одноопорной конструкции (между несущими балками);

- регулирующую систему с упругими связями между соседними опорными балками при многоопорной конструкции;

- регулирующую систему с упругими связями между опорными балками и пролетными строениями при многоопорной конструкции,

- кинематическую регулирующую систему.

7.4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

Первые ДШ с упругими компенсаторами были построены с использованием полых резиновых профилей, закрепляемых в конструкции путем предварительного обжатия резины. Опыт показал, что в таких ДШ компенсаторы необходимо с большим усилием прижимать к окаймлению, а компенсаторы для этого необходимо изготавливать из упругого материала, работающего на сжатие. Несмотря на выполнение этих условий, остались трудности обеспечения плотности прижатия компенсатора, и если раньше ДШ с полыми профилями использовались даже в модульных конструкциях, сейчас такие ДШ практически не применяются. Поэтому в настоящее время ДШ с обжатыми компенсаторами используются только в однопрофильных конструкциях малых перемещений, причем профиль стремятся фиксировать (приклеивать к конструкции ДШ или пролетным строениям).

На следующем этапе получили распространение ДШ с резиной, скрепленной с металлическими несущими элементами при помощи вулканизации, горячей или холодной склейкой.

Было установлено, что прочность соединений на холодных клеях и вулканизационным способом в лабораторных условиях примерно одинакова и составляет от 15 до 25 кгс/см². Однако в заводских условиях покупатели прочности клеевых соединении имеют большой разброс (от 2 до 20 кгс/см²), что время как при вулканизации они практически постоянны [23]. Поэтому применение ДШ с компенсаторами, в которых резина склеена с металлом горячим способом, оказалось оправданным. Кроме того, при горячей склейке и вулканизации упругие компенсаторы ДШ не обязательно должны постоянно находиться под обжатием (могут работать и на знакопеременные нагрузки), тогда как при холодной склейке это необходимо.

Существенным недостатком горячей склейки и вулканизации является сложность осуществления этих процессов на месте расположения мостового сооружения, необходимость в которых возникает при установке или замене компенсатора. Поиски решения, позволяющего беспрепятственно заменять упругий компенсатор, отказаться от его предварительного обжатия и, как следствие, уменьшить усилия, передаваемые на пролетные строения, привели к использованию механического способа крепления упругих компенсаторов. ДШ, построенные по такому принципу, оказались проще при монтаже и замене, а также работали и на сжатие, и на растяжение, что более эффективно и, кроме того, создает более благоприятный режим работы материала компенсатора.

ДШ с полыми компенсаторами и механическим креплением компенсаторов широко применяются и в настоящее время. К примеру, такой конструкцией является ДШ BЕJ производства Universal Sealants (описание конструкции приведено выше). По итогам обследований мостов были выявлены достоинства этих ДШ и ряд характерных дефектов. Компенсатор ДШ ВЕJ устроен таким образом, что при нормальных условиях эксплуатации грязь с проезжей части не скапливается на его поверхности и выносится колесами проходящего транспорта из конструкции ДШ. Однако в отдельных случаях при повышенной загрязненности проезжей части, песок, глина и каменная крошка могут образовывать на поверхности компенсатора конгломерат, самопроизвольное удаление которого затруднено. Скапливающаяся на компенсаторе грязь может приводить к перегрузке стыка компенсатора и металлических несущих элементов из-за давления колес транспорта, и как следствие, к выдавливанию компенсатора из пазов несущих элементов. Тот же результат может иметь место, когда грязь попадает в зазор между компенсатором и металлическим несущим элементом (зазор открывается при наезде на профиль колеса транспортного средства и прогибе компенсатора под колесом). Далее грязь накапливается и утрамбовывается колесами проходящего транспорта и постепенно вытесняет компенсатор из пазов несущих элементов. ДШ BEJ водонепроницаем, но только при условии быстрого удаления с его поверхности воды. При застаивании воды водонепроницаемость может нарушаться. Все это влечет за собой необходимость ежемесячных осмотров ДШ с целью выявления указанных дефектов.

К достоинствам ДШ типа BEJ можно отнести хорошую работу полимербетонного окаймления конструкции в реальных условиях. В некоторых случаях отмечается образование трещин и выбоин на стыке полимербетонного окаймления и дорожной одежды мостового полотна. Тем не менее, конструкция BEJ обеспечивает удовлетворительную работу ДШ при своевременном выявлении дефектов и проведении профилактических работ. Так, при обследовании 23 ДШ типа BEJ [6] основной выявленный дефект - трещина на стыке полимербетонного окаймления и покрытия мостового полотна - отмечался в 9% случаев, а дефект самой КДШ (выпадение компенсатора из пазов несущих элементов) был выявлен на отдельном участке лишь в одном случае из всех.

Об опыте эксплуатации ДШ с монолитными компенсаторами (неармированными), к сожалению, сказать практически нечего, поскольку данных о применении в нашей стране этих ДШ найти не удалось. Можно отметить, что за рубежом ДШ с монолитными компенсаторами применяются достаточно широко, однако о выявленных дефектах таких ДШ также информация отсутствует.

Группа ДШ с монолитными армированными компенсаторами при эксплуатация обнаруживает следующие дефекты: потеря прижимающего усилия в анкерных болтах, расслоение армированных компенсаторов, разрушение подстилающего слоя и окаймления ДШ, отсутствие заглушек или заливки из герметика пазов под болтовые крепления, трещины на сопряжении приливов окаймления с покрытием проезжей части (даже при использовании мастичного заполнения сопряжения).

Так, из 33 обследованных ДШ с монолитными армированными компенсаторами производства Watson Bowman Acme Corp. и СП «Россербмост» (типа РСМ) [6] вышеперечисленные дефекты обнаружены у 75% ДШ. Из них, в частности, отсутствие герметика или заглушек болтовых пазов встречается в 36% случаев, трещины и выбоины асфальтобетонном) покрытия на границе с ДШ (или приливом ДШ) - в 30% случаев, разрушения бетонных (полимербетонных) приливов - в 33%, ослабления болтовых креплений (проявляющиеся в вибрации ДШ и подвижках его в плане) в 18%, а серьезные дефекты, угрожающие безопасности движения (провалы, переломы и разрушение секций ДШ) - отмечены в 12% случаев. Такая явно неудовлетворительная работа ДШ с монолитными армированными компенсаторами отмечается и за рубежом [29].

ДШ с упругими ленточными компенсаторами в нашей стране применяются с начала 70-х годов прошлого века. В основном, у нас использовались конструкции с компенсаторами К-8 (например, ШК-8-55, ДШРМ-3-50) [1].

Опыт применения первых ДШ с компенсаторами К-8 (рис. 66) покачал следующее. Принятая анкеровка окаймления (один ряд болтов) недостаточна для предотвращения расшатывания окаймления от действия временной нагрузки. Монтаж заполнения собранного на всю длину ДШ возможен лишь при длине заполнения до 12-15 м, а при большей длине происходит искривление стальных полос и выдергивание резины при монтаже. Трудно обеспечить и плотный контакт стальных полос заполнения с окаймлением при длине заполнения более 10 м. Наблюдались случаи отрыва болтов от пластин заполнения при обжатии компенсаторов. Так, выборочной проверкой прочности заделки болтов в стальной полосе установлено, что 8-10% болтов имеют слабое крепление, недостаточное для создания проектного усилия обжатия резины. Таким образом, основные недостатки таких ДШ - наличие длинных полос заполнения, слабая анкеровка окаймления и наличие болтов в стальных полосах [23]. Основные дефекты, выявляемые при обследованиях ДШ с ленточными компенсаторами К-8, следующие [26]:

- компенсатор выступает над уровнем окаймления, происходит его истирание;

- трещины и разрывы компенсатора;

- компенсатор не установлен в фиксатор (не закреплен), нарушение герметичности ДШ;

- фиксаторы не прижаты (плохо приварены) к окаймлению, нарушение герметичности ДШ;

- компенсатор не загерметизирован (отсутствует герметизирующая мастика);

- коррозия элементов, примыкающих к стенке окаймления;

- заклинивающая полоса деформирована, сварка повреждена;

- фиксаторы оторваны, компенсатор провалился (в зазоре грязь);

- трещины и разрушение бетонных приливов и примыкающего покрытия проезжей части.

При этом дефекты ДШ с компенсаторами К-8 выявляются на большинстве обследованных объектов (порядка 80-90%).

В отличие от ДШ с компенсаторами К-8, ДШ с ленточными профилями производства, например, фирмы Маurer Söhne, удовлетворительно работают на мостовых сооружениях, в том числе и в России. Такие конструкции достаточно надежны и страдают, в основном, от неправильной установки в сооружение, что приводит к непроектному режиму работы и, как следствие, к снижению долговечности ДШ такого типа. Среди характерных дефектов можно отметить механические повреждения ленточного профиля, трещины покрытия мостового полотна на примыкании к КДШ и усталостные трещины в несущих балках (зачастую проходящие по некачественным сварным швам стыков отдельных участков несущих балок).

То же можно сказать о многопрофильных ДШ. В России модульные ДШ нашли применение лишь в последнее время (в основном, это конструкции производства Maurer Söhne), поэтому опыт их эксплуатации пока накоплен незначительно (около четверти их минимально возможного срока службы). Тем не менее, за пятилетний срок работы таких ДШ (типа Swivel-Joist) на мостовом переходе через р. Волгу недалеко от г. Саратова (с. Пристанное), претензий к этим конструкциям практически нет [8]. Из выявленных дефектов отмечается износ антикоррозионного покрытия несущих балок вследствие истирания его колесами транспортных средств, а также застаивание воды над ДШ, что может быть следствием неточности монтажа [6].

За рубежом модульные ДШ эксплуатируются давно, поэтому обследование мостов, проведенное в США [32], позволило выявить наиболее часто встречающиеся дефекты этих конструкций. Помимо дефектов, характерных для однопрофильных ДШ, модульные конструкции могут испытывать:

- усталостные повреждения несущих элементов (траверс, узлов крепления анкеровки и т.д.);

- повреждения антикоррозионного слоя несущих балок (вследствие истирания поверхности балок шинами, механического повреждения);

- коррозионные повреждения металлических элементов с нарушенным антикоррозионным слоем;

- разрушение клеевых стыков элементов (если таковые имеются);

- повреждение материала поверхностей скольжения и упругих связен (деградация антифрикционного материала вследствие старения и воздействия агрессивной среды, растрескивание и отрыв под действием нагрузок, а также из-за ползучести материала под нагрузкой);

- потерю антифрикционных свойств материалом поверхностей скольжения (из-за старения и истирания песком материала);

- дефекты ленточных профилей (выдавливание из пазов несущих балок, разрывы из-за попадания между несущими балками твердого мусора, неравномерного раскрытия модулей и вследствие зимних работ по снегоочистке, повреждения в результате действия агрессивной среды);

- повреждения анкеровки ДШ (в том числе приливов) из-за неправильной установки и омоноличивания, контакта ножа снегоочистителя с крайними несущими балками, старения бетона.

Тем не менее, правильно собранные и смонтированные модульные ДШ показывают удовлетворительное качество работы, поэтому для больших перемещений их использование дает наиболее хорошие результаты.

7.5. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ

Одним из определяющих критериев надежности ДШ с упругим компенсатором является используемый в его конструкции способ крепления упругого компенсатора к несущим элементам ДШ (или конструкциям пролетных строений), а также характер работы компенсатора (на который в значительной степени влияет используемый способ крепления).

В настоящее время в большинстве ДШ с упругим компенсатором используется механический способ крепления профиля. Это обусловлено некоторыми недостатками прочих известных способов.

Недостаток предварительно обжатых компенсаторов - необходимость сильного прижатия компенсатора к элементам ДШ или пролетных строений. Нормальные напряжения при обжатии не должны быть меньше 10 кгс/см², т.е. величины, обеспечивающей плотное прижатие профиля и герметичность ДШ в течение эксплуатации компенсаторов (с учетом релаксации сжимающих напряжений в материале компенсатора) [23]. Но и в этом случае трудно обеспечить водонепроницаемость ДШ и неподвижность компенсатора в проектном положении, особенно при воздействии на него мусора и грязи, утрамбовываемого колесами транспорта.

Склеивание резины с металлом исключает необходимость сильного предварительного сжатия компенсатора. Поэтому оказывается возможным принять компенсатор такой формы, которая обеспечивает передачу на окаймление минимального реактивного усилия, например, при работе резины на изгиб. В случае холодной склейки предварительное обжатие компенсаторов стараются назначать таким, чтобы на клей не передавались растягивающие усилия. При горячей склейке и вулканизации допускают знакопеременные усилия, что позволяет использовать компенсаторы для больших перемещений.

Исходя из отечественного и зарубежного опыта, наиболее благоприятным режимом работы резинового компенсатора является работа на изгиб пли изгиб с растяжением [23], однако, такая работа характерна не для всех видов ДШ с упругим компенсатором.

Как было указано, характер работы компенсатора тесно связан со способом крепления последнего. Данные, характеризующие эту связь, приведены в табл. 20 [23]. Здесь же даны усилия, передаваемые на конструкции ДШ в каждом случае.

Далее рассмотрим ряд конструкций ДШ, каждая из которых является характерной для применения в современном мостостроении, а также присущие им достоинства и недостатки.

Таблица 20

К примеру, конструкция ДШ DEJ с полым секционным профилем имеет ряд существенных недостатков, но в нее заложена, как представляется, очень перспективная концепция выполнения переходных зон между ДШ и мостовым полотном из полимербетона, способного демпфирован, удары транспортных средств о края зазора ДШ. Ко всему прочему, указанное конструктивное решение позволяет в ДШ средних перемещении отказаться от анкеровки ДШ за счет адгезии материала окаймления с материалом пролетных строений. Опыт эксплуатации обращает внимание также на узел сопряжения покрытия с полимербетонным окаймлением, поскольку в отдельных случаях наблюдается образование трещины вдоль сопряжения.

Несмотря на то, что ДШ типа BEJ и WABO® ER имеют крепление профиля, способствующее некоторой его заклинке при приложении к профилю вертикальной нагрузки, при любых величинах раскрытия ДШ упругий профиль испытывает давление от колес транспортных средств. Профили такого типа не являются несущими и не способны нести нагрузку от транспорта, поэтому под давлением колеса профиль прогибается. Вследствие этого материал профиля работает на изгиб и растяжение, а для промежуточных стенок профиля вероятна местная циклическая потеря устойчивости. Такой режим работы компенсаторов ДШ WABO® ER и BEJ вызывает усталость материала профиля.

Описанные полые профили ДШ и им подобные работают исключительно на сжатие (со стороны пролетных строений), то есть при установке предварительно сжимаются, а при максимальном раскрытии ДШ - возвращаются в состояние, близкое к нормальному (несжатому). Это условие особенно необходимо для правильной работы таких ДШ, как BEJ или WABO® ER и им подобных, поскольку релаксация сжимающих напряжений в упругом профиле и скопление грязи между профилем и окаймлением способствуют снижению усилия предварительного сжатия профиля и выпадению компенсатора из пазов металлического окаймления. При проектировании обычно принимается, что ширина профиля (при измерении перпендикулярно к оси ДШ) при его фактической работе в конструкции ДШ будет находиться в пределах от 85 до 40% от нормальной ширины профиля, полученной им при изготовлении [29]. Для обеспечения этого условия считается достаточным, если в момент установки при температуре 20°С ширина профиля будет составлять 60% от нормальной ширины профиля. В случае косого пересечения, при установке необходимо учитывать угол косины и пересчитывать процент сжатия компенсатора. Кроме того, необходимо ориентироваться на фактическую величину деформационного зазора ДШ в момент установки и устанавливать ее такой, которая обеспечила бы указанный выше (в процентах от ширины несжатого профиля) диапазон перемещений профиля. Максимальный сдвиг профиля, происходящий при восприятии конструкцией ДШ горизонтальных поперечных перемещений, обычно ограничивают величиной, составляющей 22% от нормальной (несжатой) ширины профиля [29].

ДШ с монолитными резиновыми компенсаторами (неармированные), имеют упругий компенсатор, различные части которого могут работать на сжатие, изгиб и растяжение. Особенностями рассмотренных выше конструкций ДШ с монолитным и упругими компенсаторами (типов K30 и K50 (Маurer Söhne) и TENSA-GRIP Silent GU (Proceq)) является возможность вертикальных и поперечных перемещений, соизмеримая с величиной допустимых продольных перемещений. Это, помимо прочего, делает ДШ такого типа хорошо приспособленными к использованию в косых мостах, мостах со значительным переломом профиля (по оси ДШ) ив мостах со сложной пространственной работой пролетных строений, к примеру, и пешеходных мостах, на стыке трех пролетных строений, на примыкающих к пролетным строениям лестничных сходах и т.д. (рис. 58, 75). Однако использовать такие ДШ в зоне проезжей части не рекомендуется из-за того, что применяемые несущие компенсаторы, как правило, не рассчитаны на восприятие высоких транспортных нагрузок.

Рис. 75. Варианты использования ДШ с монолитными несущими компенсаторами

Среди эластоблочных ДШ конструкции с ковровым профилем имеют преимущество ровной поверхности перед конструкциями с упругими блоками. Напомним, что выгнутость поверхности имеет значение при использовании данных типов ДШ в зоне тротуаров, а именно эта область применения является основной для эластоблочных ДШ, обеспечивающих непрерывность поверхности. Максимальное превышение выгнутой поверхности не должно превышать 5±2 мм (см. главу 2).

Недостатком данной конструкции можно назвать сложность определения напряженно-деформированного состояния упругого компенсатора. Кроме того, некоторые конструкции могут быть подвержены, в случае слабой заклинки компенсатора в направляющих, выдавливанию профиля из пазов грязью, забивающейся между компенсатором и направляющими (подобно компенсаторам ДШ типа ВEJ).

Отказ от заклинивания компенсатора в стальных направляющих свойственен всем КДШ с монолитными армированными компенсаторами, в случае которых применяется крепление секций ДШ к пролетному строению болтами, заанкеренными в бетон. Как и в рассмотренных ранее конструкциях, во всех ДШ с монолитными армированными компенсаторами при работе профили находятся в сложном деформированном состоянии. Вследствие наличия в них армирующих листов, характер деформирования такого компенсатора еще более сложен и трудно поддается расчету. Упругий материал в таких конструкциях может воспринимать сжимающие, растягивающие, сдвигающие и изгибающие усилия.

Существенным недостатком, являющимся причиной большого числа дефектов таких ДШ, является болтовое крепление упругих компенсаторов. Болты и гайки крепления предрасположены к разрушению и разбалтыванию под действием динамических нагрузок движения. При наличии выходящих к проезжей части болтов, крепящих секции компенсаторов, а также металлических поверхностей износа (внешнего армирования) конструкций, создаются небезопасные условия для дорожного движения.

Выход из строя ДШ с монолитными армированными компенсаторами зачастую происходит из-за расслоения компенсаторов (отрыва упругого материала от армирующих листов) вследствие сложной работы компенсатора в мостовом сооружении, особенно под динамической нагрузкой.

Разбалтывание креплений, различная жесткость компенсатора и прилегающего материала дорожной одежды (или прилива из бетона, либо полимербетона) приводят к быстрому разрушению прилегающих к ДШ кромок проезжей части (приливов). В подавляющем большинстве случаен этот узел показывает ненадежность в работе, обусловленную, прежде всего, несовершенством конструкции таких ДШ.

Все вышеописанное привело к тому, что зарубежные специалисты не рекомендуют использовать в мостах ДШ такого типа вообще [29]. В нашей же стране, напротив, в последнее время широко применяют ДШ с монолитными армированными компенсаторами. К примеру, при обследовании мостовых объектов МКАД, проведенном в 2000 г. институтом «Ленгипротрансмост», из выборки обследованных ДШ (76 шт.) 43% конструкций - это ДШ с монолитными армированными компенсаторами.

Для перемещений до 60...80 мм лучше всего себя проявляют ДШ с ненесущими ленточными компенсаторами. Широкое применение таких ДШ началось не так давно, поскольку ДШ с ленточными профилями проявляли существенные недостатки, связанные с трудностями крепления ленточного компенсатора в конструкции ДШ и недостаточной прочностью анкеровки. Опыт эксплуатации ДШ подобного типа помог выработать концепцию конструирования таких ДШ, впервые внедренную фирмой Maurer Söhne [1]. Основные положения этой концепции уже приводились в главе 2. Суть ее состоит в том, чтобы не допускать выполнения нескольких различающихся функций одним элементом ДШ. Таким образом, четко разграничиваются элементы гидроизоляции (упругие ленточные профили), несущие элементы (металлические профили) и анкерные элементы (анкерные петли, болты и т.д.). Кроме того, ленточный профиль должен легко крепиться в несущих элементах, но быть самозаклинивающимся при приложении вертикальной нагрузки и доступным для замены со стороны проезжей части. Анкерные элементы должны объединяться с арматурой пролетных строений и обеспечивать жесткое крепление ДШ в конструкциях моста. Применение этого принципа проектирования, совместно с жестким контролем качества позволило специалистам фирмы Maurer Söhne создать простой, не имеющий болтовых креплений, прочный ДШ, обладающий хорошей анкеровкой и не требующий обслуживания.

При разработке однопрофильных ДШ фирма Maurer Söhne в значительной степени сумела учесть недостатки ДШ перекрытого типа и избежать их появления в новой конструкции. Мощная и жесткая анкеровка, прочные несущие профили позволили передавать нагрузки на пролетное строение без локальной концентрации напряжений и появления значительных изгибающих моментов, повысить степень гашения собственных и вынужденных колебаний элементов ДШ массой бетона пролетных строений. Было принято решение полностью отказаться от использования металлического окаймления, болтовых соединений и трущихся поверхностей. В ряде случаев применяются полимербетонные приливы на подходах к ДШ, предотвращающие разрушение кромок проезжей части и гасящие удары колес транспорта. Истиранию шинами транспорта подвержены только верхние поверхности несущих профилей, а прямой контакт шин с ленточными компенсаторами отсутствует. Ненесущий ленточный профиль способен свободно деформироваться, что позволяет КДШ воспринимать продольные, поперечные и вертикальные перемещения пролетных строений. Наконец, гидроизоляция ДШ устроена так, что водонепроницаемый барьер, образованный ленточными профилями, находится выше остальных элементов ДШ, у самой поверхности проезжей части. Таким образом, воздействию агрессивных вод, собирающихся с проезжей части, подвержены только верхние поверхности несущих профилей и ленточные профили, основные же элементы конструкции находятся вне зоны действия агрессивных веществ.

К недостаткам же однопрофильных конструкций с ленточными профилями следует отнести достаточно высокие динамические нагрузки, передаваемые на пролетные строения и шумовую эмиссию. Причиной является ничем не перекрытый зазор между несущими балками, ширина раскрытия которого достигает 80 мм. При проезде через ДШ колеса транспортных средств неизбежно ударяют по несущим балкам, вызывая шум и вибрации конструкций пролетных строений и ДШ. Кроме того, зазор, равный 80 мм, превышает допустимый размер в 65 мм (см. главу 2), что неблагоприятно сказывается на комфортности и безопасности проезда транспорта через ДШ.

В некоторых случаях применяются перекрывающие листы, закрепленные на одном из несущих профилей, шумогасящие упругие накладки и коврики, закрепляемые на несущих балках, комбинированные системы с гребенчатыми плитами, однако удовлетворительного решения проблемы пока не найдено.

Все сказанное относительно однопрофильных ДШ с упругими ленточными профилями полностью относится и к модульным ДШ, модули которых выполнены по системе однопрофильных ДШ с ленточными профилями. Таких модульных ДШ выпускается подавляющее большинство. К подобным конструкциям относятся известные ДШ модульного типа фирм Maurer Söhne, Mageba SA, TechStar. Однако модульные ДШ представляют собой значительно более сложные конструкции, поэтому, несмотря на то, что ДШ такого типа существуют уже около 50 лет, их широкое применение началось только 20...25 лет назад. В основном, это было связано с трудностями обеспечения равномерного распределения общих перемещений ДШ между деформационными модулями конструкции. Попытки добиться равномерного раскрытия модулей привели к включению в конструкцию модульных ДШ элементов, в функции которых входит распределение перемещений между модулями в равных долях.

Не останавливаясь на не нашедших широкого применения системах распределения перемещений, отметим две наиболее распространенные на сегодняшний день.

Первая система основана на использовании упругих связей, накладываемых между несущими балками (контрольные пружины пли связи). За счет равной жесткости упругих связей обеспечивается равномерное распределение деформаций между упругими связями, а следовательно, и между модулями. Конструкции, использующие этот принцип, встречаются чаще всего. К ним относятся ДШ типов Girder-Grid Joint (Maurer Söhne), LR (Mageba SA), LG, LR и LX (TechStar).

Основные недостатки такого решения - это склонность к нарушению равномерного раскрытия модулей при приложении к несущим балкам горизонтальной нагрузки, например, при торможении либо разгоне на ДШ транспорта. Тот же эффект возникает при заклинивании между несущими балками одного из модулей твердого мусора, словом, при любом приложении горизонтальных нагрузок к промежуточным, а не крайним несущим профилям ДШ. Объясняется это малой жесткостью системы распределения перемещений, основанной на упругих связях. Ко всему прочему, такая система образует множество упругосвязанных масс, что при ударном возбуждении колесами проходящего транспорта дает широкий спектр собственных частот колебаний элементов ДШ, трудно поддающийся теоретическому определению [2]. В результате шумовая эмиссия и динамическое воздействие на конструкции пролетных строений моста, и без того свойственные модульным ДШ, возрастают.

Анализируя конструкции рассмотренных модульных ДШ, следует отметить, что ДШ типа Girder-Grid Joint производства Maurer Söhne (рис. 69), несмотря на мировой авторитет фирмы, в данном случае уступает по потребительским свойствам и ДШ производства Mageba SA (рис. 70), и ДШ производства TechStar. Объясняется это тем, что в конструкции ДШ типа Girder-Grid Joint несущие балки жестко приварены к опорным балкам, поэтому ДШ плохо работает на восприятие поперечных горизонтальных перемещений. Справедливости ради, отметим, что вертикальные и продольные перемещения система ДШ типа Girder-Grid Joint воспринимает хорошо. Конструкции фирм Mageba SA, TechStar имеют нежесткие связи в этих узлах, а потому более универсальны, тогда как ДШ типа Girder-Grid Joint (производства Maurer Söhne) необходимо применять только в мостах с малыми поперечными смещениями пролетных строений.

Второй тип системы распределения перемещений - кинематический. Принцип работы такой системы был рассмотрен выше (см. рис.74) на примере ДШ типа Swivel-Joist (Maurer Söhne). Высокая жесткость системы, отсутствие упругих связей, примененное конструктивное решение, исключающее возможность неравномерного раскрытия модулей, позволило освободиться от всех недостатков, присущих системам с упругими связями. При этом была сохранена возможность восприятия всесторонних перемещений торцов пролетных строений, улучшен динамический режим работы мостового сооружения и КДШ, несколько снижена шумовая эмиссия. В настоящее время ДШ типа Swivel-Joist (фирмы Maurer Söhne) являются лучшим решением в диапазоне средних и больших перемещений пролетных строений, причем при увеличении количества деформационных модулей (а, значит, и предельных перемещений), экономическая эффективность ДШ типа Swivel-Joist (Maurer Söhne) растет благодаря лучшему использованию косых опорных балок (траверс), количество которых при этом не возрастает. Это в равной степени свойственно всем одноопорным конструкциям модульных ДШ.

7.6. ВЫВОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

Подытоживая вышесказанное, молено сделать ряд выводов относительно рассмотренных конструкций ДШ с упругими компенсаторами:

- необходимо произвести четкое разделение и ограничение областей применения ДШ с упругим компенсатором в зависимости от вида ДШ;

- ДШ с полыми несущими профилями и окаймлением в виде бетонных (полимербетонных) приливов следует применять в тех же диапазонах перемещений и условиях, что и ДШ заполненного типа (см. главу 4), как альтернативу последним;

- ДШ с полым упругим профилем и механическим креплением профиля следует выполнять по концепции ДШ типа ВШ с полимербетонным окаймлением (приливами), обладающим хорошими демпфирующими свойствами. При этом необходимо пересмотреть способ крепления компенсатора с целью исключения его выпадения из пазов несущих профилей и повышения водонепроницаемости ДШ. Кроме того, следует ограничить область применения данных конструкций максимально возможным значением расстояния между гранями несущих элементов в 65 мм и исключить прямой контакт шин транспорта с упругим профилем;

- ДШ с сотовым или ячеистым профилем (в том числе, с коробчатым) должны конструироваться подобно ДШ с полым упругим профилем и механическим креплением профиля, вследствие подобия лих конструкций;

- ДШ с монолитными несущими компенсаторами и эластоблочные ДШ следует применять в конструкциях мостов со сложным пространственным характером работы пролетных строений, в зонах примыканий к пролетным строениям различных площадок и переломов профиля, а также в зонах тротуаров, где такие конструкции работают хорошо. Не следует применять ДШ с монолитными несущими компенсаторами и эластоблочные ДШ под интенсивными транспортными нагрузками (в зоне проезжей части);

- необходимо полностью отказаться от использования в мостах ДШ с монолитными несущими армированными компенсаторами ввиду их низких эксплуатационных качеств в пользу однопрофильных и модульных (с 2-3 деформационными модулями) ДШ с ненесущими упругими компенсаторами;

- можно рекомендовать к широкому применению однопрофильные ДШ с клиновидным самозаклинивающимся ленточным профилем, построенные согласно концепции конструирования ДШ, выдвинутой фирмой Maurer Söhne (однопрофильные конструкции фирм Maurer Söhne, Mageba SA, TechStar и им подобные). Желательно ограничить максимальную ширину открытого зазора до 65 мм. В зоне тротуаров необходимо применять перекрытие зазора, либо использовать системы ДШ с ровной поверхностью, например, эластоблочные;

- следует ограниченно использовать ДШ типа Girder-Grid Joint (производства Маurеr Sohne) и только при малых (до 20 мм) поперечных смещениях пролетных строений. Более перспективными конструкциями такого типа представляются модульные ДШ производства фирм Mageba SA и TechStar;

- можно рекомендовать применение ДШ типа Swivel-Joist (Maurer Söhne) в диапазоне средних и больших перемещений, причем в последнем случае альтернативы ДШ типа Swivel-Joist найти не удалось;

- модульные ДШ с ленточными профилями нуждаются в мерах по обеспечению ровности проезда и снижению шума. В городских мостах использование мер по снижению шумовой эмиссии обязательно. В черте города, где это возможно, как альтернативу следует использовать ДШ гребенчатого типа. При этом необходимо помнить об ограничениях, с которыми связано применение конструкций гребенчатого типа (см. главу 6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Деформационные швы автодорожных мостов: учеб. пособие / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, В.Н. Макаров, А.А. Пискунов. - Казань: КГСА, 2003. - 137 с.

2. Ефанов А.В. Моделирование динамического взаимодействия системы «транспортное средство - деформационный шов автодорожного моста» / А.В. Ефанов // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всерос. конф.: в 3 т. - Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2005. -Т. 1. - С. 78-82.

3. Ефанов А.В. Основные требования, предъявляемые к современным конструкциям деформационных швов мостовых сооружений/ А.В. Ефанов // Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли: сб. тезисов докладов науч.-практ. конф Саратов: ОАО «Приволжское книжное издательство», 2004. С. 34-36.

4. Исследование напряженно-деформированного состояния криволинейных в плане и профиле пролетных строений и совершенствование технологии их изготовления. Раздел 4: Разработка исходных требований и программ ОКР по созданию высоконадежных деформационных швов мостовых сооружений с большими и малыми перемещениями. - М.: ЦНИИС, 1998. -С. 8-9.

5. Корнеев М.М. Стальные мосты. Теоретическое и практическое пособие по проектированию / М.М. Корнеев. - Киев, 2003. - 547 с.

6. Макаров В.Н. Конструкция и технология устройства мостового полотна автодорожных мостов с применением литого асфальтобетона и современных деформационных швов (на примере моста через Волгу у села Пристанное Саратовской области): автореф. дис. канд. техн. наук / В.Н. Макаров. - Саратов, 2004. - 26 с.

7. Методические рекомендации по проектированию и устройству конструкции деформационных швов в автодорожных и городских мостах и путепроводах / Минтранс СССР, Союздорнии. - М.: Союдорнии, 1980. -85 с.

8. Мониторинг поведения деформационных швов и опорных частей на автодорожном мосту через р. Волгу у с. Пристанное / А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.А. Теплов // Актуальные вопросы строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - С. 486-490.

9. Мостовое полотно автодорожных мостов с применением литого асфальтобетона и современных деформационных швов: монография / И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.В. Ефанов и др. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. - 214 с.

10. Овчинников И.Г. Новые конструкционные материалы и технологии, примененные на строительстве автодорожного моста через реку Волгу у села Пристанное Саратовской области / И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.В. Ефанов // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб, статей II Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУ AиС, Приволж. Дом знаний, 2003. -С. 340-342.

11. Пособие 2.91 к СНиП 2.04.05-91. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения. - М.: Промстройпроект, 1993. - 35 с.

12. Рекомендации по ремонту и уходу за деформационными швами в малых и средних мостах / Минавтодор РСФСР. - М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1989. - 52 с.

13. Рекомендации по применению предварительно напряженной арматуры и технологии подъемки железобетонных пролетных строений при ремонте и реконструкции мостов / Сост.: Ю.Н. Саканский, С.В.Семенов, И.С.Попков, В.И.Шестериков; Росдорнии, Союздорнии. - М.: Информавтодор, 2000. - 58 с.

14. Рекомендации по содержанию и ремонту металлических пролетных строений автодорожных мостов / Сост.: С.А. Мусатов, В.И. Шестериков; Гипродорнии. - М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1983. - 73 с.

15. СНиП 2.01.01-82, Строительная климатология и геофизика. - М.: ГП ЦПП, 1996,- 115 с.

16. СНиП 2.01.07-85*.Нагрузки и воздействия.- М.: ГП ЦПП, 1 990.-73 с.

17. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991. -200 с.

18. СНиП 23-01-99. Строительная климатология- М.: ГУП ЦПП, 2000.-76 с.

19. СНиП II-3-79**. Строительная теплотехника. М.: ГУП ЦПП, 1998. -37с.

20. Современные конструкции опорных частей автодорожных мостов: учеб. пособие / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, И.В. Алексеенко и др. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. - 130 с.

21. Типовой проект 3.503.1-81.0-2-П3. / Союздорпроект. М.: Coюздорпроект, 1981. -С. 20-21.

22. Физические величины: справочник / А.П. Бабичев, Н.А. бабушкина, A.M. Братковский и др.; под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова. -М.: Энергоавтомиздат, 1991.- 1232 с.

23. Шестериков В.И. Деформационные швы в автодорожных мостах / В.И. Шестериков. -М.: Транспорт, 1978. - 151 с.

24. Шестериков В.И. Определение перемещений концов пролетных строений при проектировании автодорожных мостов / В.И. Шестериков // Тр. ГП Росдорнии, НИИ, «Мосты», ОАО ЦНИИС. М.: Информавтодор, 2002. - Вып. 12.-С. 25-55.

25. Шестериков В.И. Ремонт деформационных швов эксплуатируемых автодорожных мостов / В.И. Шестериков; Минавтодор РСФСР // Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: зкспресс-информ. - М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1976. - Вып. 5.-51 с.

26. Шестериков В.И. Ремонт конструкций деформационных швов с металлическим окаймлением / В.И. Шестериков // Автомобильные дороги: обзорн. информ. -М.: Информавтодор, 2001. - Вып. 7. - 68 с.

27. Asphalt Plug Joints - material characterization and specification / B.K. Bramel, C.W. Dolan, J.A. Puckett, K. Ksaibati; Wyoming Department of Civil and Architectural Engineering, University of Wyoming. - USA, Wyoming, Laramie, 2002. - 13 p.

28. BD 33/94. Expansion joints for use in highway bridge decks / The Highways Agency. - Great Britain, London, 1994. - 18 p.

29. Bridge Engineering Handbook. Chapter 25. Expansion Joints / R.J. Dorn-sife; Ed. by W.-F. Chen, L. Duan. - USA, Florida, Boca Raton: CRC Press, 2000.-P. 25-1 -25-14.

30. Köster W. The functioning and operation of the modern modular expansion joint system / W. Köster, S. Brown // Rep. on Third World Congress on Joints and Bearings, Toronto, Canada, Oct. - Nov., 1991. - Электронный ресурс: http//www.techstar-ino.com/artman/uploads/t1030402.pdf, 2005,- 15 p.

31. Manual of Bridge Engineering. 15.3. Expansion joints / P. Thaurc, D.E. Jenkins, R.A. Broome, D.J. Grout; Ed. by M.J. Ryall, G.A.R. Parke, J.A. Harding. - Great Britain, London: Thomas Telford Publishing, 2000. P. 783-793.

32. Performance testing for modular bridge joint systems. NCHRP report 467 / R.J. Dexter, M.J. Mutziger, C.B. Osberg; University of Minnesota. Washington, D.C.: National Academy Press, 2002. - 92 p.

33. Ramberger G. Structural bearings and expansion joints for bridges. Structural Engineering Documents 6 / G. Ramberger. - Switzerland, Zurich: 1A13SE, 2002. -P. 51-89.

34. Standard for asphaltic plug joints / Bridge Joint Association, 2003. -Электронный ресурс: http//www.bridgejoints.org.uk/publications/A Standard for Asphaltic Plug Joints.pdf, 2005. - 19 p.

35. Standard for mechanical expansion joints / Bridge Joint Association, 2003. - Электронный ресурс: http//www.bridgejoints.org.uk/publications/Slandard for Mechanical Expansion Joints.pdf, 2005. -25 p.