Сборные покрытия из предварительно напряженного железобетона

В плитах сборных покрытий из обычного железобетона в большинстве случаев неполностью используется высокий предел прочности стальной арматуры на растяжение. Бетон плохо работает на растяжение, его предельная растяжимость не превышает 0,1—0,2 ммм. Растягивающие напряжения в арматуре к моменту, когда полностью исчерпана работа бетона на растяжение, оказываются небольшими (около 200—400 кгсм2). При дальнейшем увеличении напряжения в растянутой зоне бетона появляются трещины. По существующим нормам в железобетонных элементах промышленных и инженерных сооружений допускаются трещины шириной до 0,02 мм, обычно не вызывающие коррозии металла. Однако к железобетонным плитам, работающим на дорогах в условиях постоянной влажности и изменения климатических факторов, должны быть предъявлены требования полной тpeщиностойкости.

В дорожных плитах из обычного железобетона трещинообразо-вание ограничивают применением сварных арматурных каркасов или иным распределением арматуры в плите. Это позволяет использовать сталь с пределом текучести 3500—4000 кгсм2. Применять более прочные стали, что позволило бы снизить расход арматуры и ее стоимость, нецелесообразно из-за недопустимого раскрытия трещин. Применяя предварительное напряжение, можно рационально использовать высокопрочную сталь и получить трещиностойкие железобетонные плиты для дорожных одежд.

Железобетонные элементы при изготовлении, еще до нагружения их эксплуатационными нагрузками, приводятся в напряженное состояние. В тех зонах конструкций, где в период эксплуатации возникают растягивающие усилия, заранее, в процессе изготовления создают сжимающие напряжения. Они должны уравновесить или даже превзойти проектные растягивающие напряжения от эксплуатационных нагрузок. Таким образом, растяжение бетона и связанное с ним появление трещин исключаются или значительно отдаляются.

Основные преимущества предварительно напряженных покрытий по сравнению с одеждами из обычного железобетона следующие:

1) существенное снижение расхода арматуры и бетона благодаря применению материалов высокой прочности и уменьшения толщины плит;

2) значительное повышение (вплоть до обеспечения полной) трещиностойкости плит;

3) повышение выносливости (что особенно важно для дорожных плит, работающих на многократно повторяющиеся нагрузки);

4) некоторое увеличение морозостойкости вследствие увеличения плотности бетона при обжатии;

5) уменьшение транспортных расходов в ходе строительства вследствие уменьшения веса плит.

Предварительно напряженное железобетонное покрытие распределяет давление от временной нагрузки на большую площадь, чем обычное железобетонное покрытие, допускает большие прогибы под действием нагрузки или под влиянием деформации основания. Применение предварительно напряженного бетона позволяет уменьшать толщину покрытия на 25—40% по сравнению с обычными железобетонными покрытиями.

Впервые сборные предварительно напряженные железобетонные покрытия в нашей стране были применены в аэродромном строительстве. За последние годы разработано и исследовано несколько типов крупноразмерных, предварительно напряженных железобетонных плит для сборных покрытий аэродромов.

Применительно к изготовлению плит на заводах железобетонных изделий, имеющих широкие конвейеры, оборудованные навивочны-ми машинами, была разработана конструкция плиты, получившая условное наименование П-IX (24). Плита имеет непрерывное напряженное армирование в двух направлениях высокопрочной проволокой, расположенной в два слоя и обеспечивающей предварительное напряжение в бетоне соответственно в продольном и поперечном направлениях в 28 и 21 кгсм2.

Для конвейерных заводов, оснащенных оборудованием только для одноосного (продольного) напряжения арматуры, была разработана конструкция плиты П-XV-I, в продольном направлении армированная двухслойной напряженной арматурой из высокопрочной проволоки, а в поперечном — ненапряженной арматурой.

Для всех конструкций плит, армированных высокопрочной проволокой, предусматривается применение бетона марки 400, а для плит, армированных стержневой арматурой периодического профиля, — марки 300.

Для возведения сборных покрытий на аэродромах и подъездах к ним были разработаны типовые конструкции предварительно напряженных аэродромных и дорожных плит типа ПАГ-XIV (плита аэродромная гладкая) и типа ПДГ-2-6с и ПДГ-1,5-6с (плита дорожная гладкая). Плиты армированы в продольном направлении двухрядной напрягаемой стержневой арматурой периодического профиля из стали класса A-IV, а в поперечном направлении — холоднотянутой проволокой и стержневой арматурой класса А-П.

Аэродромная плита ПАГ-XIV имеет размеры в плане 2,0X6,0 м при толщине 14 см. В верхней зоне плиты в продольном направлении предусмотрена установка четырех стержней диаметром 14 мм, а в нижней — пяти стержней диаметром 14 см. Конструкция дорожной плиты ПДГ-2-6с (25) аналогична конструкции аэродромной плиты типа ПАГ-XIV. Отличие ее состоит в том, что, в связи с меньшей расчетной нагрузкой на дорожное покрытие, напрягаемая арматура выполнена из стержней диаметром 12 мм.

Дорожная плита ПДГ-1,5-6с при такой же толщине (14 см) имеет размер в плане 1,5x6,0 м. Армирование ее аналогично армированию дорожной плиты ПДГ-2-6с, с той лишь разницей, что в верхней зоне устанавливаются в продольном направлении три, а в нижней зоне—четыре напрягаемых арматурных стержня.

В некоторых случаях применяются также дорожные плиты типа ПДГ-1,2-6с с размером в плане 1,2X6,0 м. Основные характеристики этих плит указаны в  3.

Из плит серии ПДГ наилучшие эксплуатационные показатели имеют ПДГ-2-6с.

В Уральском научно-исследовательском институте Академии коммунального хозяйства РСФСР были разработаны два типа конструкций сочлененных плит с предварительным напряжением арматуры. Первая конструкция представляет сплошную железобетонную плиту размером 3X1X0,15 м, марка бетона 300 (26, а). Верхняя сжатая зона плиты армирована напрягаемой высокопрочной стальной проволокой периодического профиля диаметром от 2,5 до

8 мм с пределом прочности от 12 000 до 18 000 кгсм2. Нижняя растянутая зона плиты армирована сеткой из ненапряженной арматуры. Расход бетона на одну плиту 0,45 м3, расход арматурной стали 12—16,5 кг или 4—5,5 кгм2.

Второй тип конструкции — железобетонная плита размером 3X1X0,15 м, бетон марки 300. В нижней части плиты на г—Vs ее толщины устраиваются углубления в виде конусообразных отверстий (см. 26, б). Площадь сечений отверстий по основанию плиты составляет 7з—А общей его площади. Верхняя сжатая зона плиты армирована сеткой из ненапрягаемой арматуры, а нижняя растянутая — напрягаемой высокопрочной стальной проволокой периодического профиля диаметром от 2,5 до 8 мм. В качестве напрягаемой арматуры может применяться также горячекатаная арматура периодического профиля из стали марок 30ХГ2С и 25Г2С.

Расход бетона на одну плиту 0,4 ж3, расход арматурной стали 12— 16,5 кгм2 или 4—5,5 кгм2.

Оба типа плит были использованы на строительстве в г. Нижний Тагил.

Подобные плиты не получили широкого распространения. Наряду с конструктивными недостатками этих плит следует отметить и дефекты их изготовления. Выпускали их заводы железобетонных изделий, не освоившие еще технологию производства таких конструкций. В результате наблюдались значительные разрушения сборных покрытий на построенных участках.

В соответствии с планом типового проектирования Госстроя СССР институтом «Мосинжпроект» были разработаны типовые конструкции предварительно напряженных железобетонных дорожных плит, основные показатели которых приведены в  4.

Из указанных в таблице конструкций плит наибольшее применение в строительстве городских дорог находят шестиугольные плиты (группа I). Из них плита ДНШ-2 (27) имеет внешнее обжатие, осуществляемое по ее периметру в процессе непрерывной намотки стальной высокопрочной проволоки диаметром 3 мм (класса В-П).

Дорожные плиты группы II имеют прямоугольную форму.

Плиты марок ДНП-2 (28) и ДНП-3 в продольном и поперечном направлениях армированы предварительно напряженной арматурой диаметром 18 мм из стали класса А-IV. Конструкции их схожи, отличаются плиты только размерами в плане (3,0x3,5 м и 3,0X3,75 м). Рассчитаны они на автомобильную нагрузку класса Н-30 (давление на колесо Вт).

В качестве опытных конструкций институтом «Мосинжпроект» разработаны предварительно напряженные железобетонные плиты, основные данные которых приведены в  5.

Шестиугольная плита марки ДНШ-3 (29) имеет размеры сторон, равные 1,16 м, толщину 18 см и армирована 6-ю стержнями предварительно напряженной арматуры диаметром 16 мм, класса A-IV.

Прямоугольная плита марки ДНП-3-0 аналогична типовой конструкции штаты марки ДНП-3, основные показатели которой приведены в  4.

Предварительно напряженные плиты марок ДНП-4с (30) и ДНП-5с в продольном направлении армированы 3-мя стержнями диаметром 22 мм и 2-мя стержнями диаметром 12 мм из стали класса А-IV; в поперечном — 9-ю стержнями диаметром 18 мм. Схема армирования плит марок ДНП-4с и ДНП-5с одинакова. Отличаются плиты друг бт друга только размерами в плане (7,0X3,0 м и 6,0X3,5 м). ,

Плита марки ПДГ-2-6с~типа II аналогична типовой конструкции плиты той же марки типа I ( .5). Основное отличие конструкции плит состоит в том, что эта плита имеет два поперечника  диаметром 40 мм для пропуска стержневой или пучковой арматуры и последующего ее напряжения в процессе монтажа покрытия. Кроме того, на торцовых гранях имеются выпуски рабочей арматуры (длиной 130 мм) для соединения смежных плит между собой после их укладки.

Для строительства на городских улицах и проездах в опытном порядке использованы предварительно напряженные крупноразмерные плиты марок ДНП-4Б и ДНП-5Б (31), имеющие соответственно размеры 3,0X6,88X0,14 и 3,5Х5,88Х Х0Д4 м.

Плиты напряжены в двух направлениях: в продольном — стержнями диаметром 12 мм из стали класса A-IV, расположенными в двух зонах, в поперечном — стержнями диаметром 18 мм, из стали класса A-IV, расположенными в средней части плиты (по высоте ее сечения).

Дорожные плиты марок ДНП-4-Н и ДНП-5-Н (32) в продольном направлении напряжены 5-ю стержнями диаметром 18 мм из стали класса A-IV, в поперечном — 9-ю стержнями диаметром 18 мм и отличаются друг от друга только размером в плане.

В отличие от плит марок ДНП-4-Б и ДНП-5-Б, имеющих те же размеры в плане, в плитах марок ДНП-4-Н и ДНП-5-Н рабочая арматура и в продольном и поперечном направлениях расположена в средней зоне.

Нормативная нагрузка при расчетах для всех опытных предварительно напряженных плит принята класса Н-30, марка бетона 400, морозостойкость не ниже 200 циклов.

Впервые участки сборных покрытий из крупноразмерных предварительно напряженных плит на городских дорогах были построены в 1962—1963 гг. На проспекте Вернадского и улице Михайлова в Москве. Конструкции плит, технология их изготовления и уклад-

Ки были разработаны научными работниками кафедр автомобильных дорог и организации городского хозяйства Всесоюзного заочного инженерно-строительного института.

Для строительства опытного участка на проспекте Вернадского в юго-западном районе Москвы разработана конструкция плиты, показанная на 33. Размеры плиты в плане, а также способ армирования назначены с учетом технологических возможностей оборудования и транспортных средств экспериментального завода, где были изготовлены эти плиты.

Плиты армированы продольной и поперечной напряженной арматурой в виде пучков, состоящих из четырех стержней высокопрочной холоднотянутой проволоки периодического профиля диаметром 5 мм. Пучки продольной арматуры расположены в два ряда: в нижней зоне плиты 9 пучков, в верхней — 5; пучки поперечной арматуры расположены в один ряд, по осевому сечению плиты — 9 пучков.

Для строительства экспериментального участка на улице Михайлова на вертикальном конвейере завода ЖБИ № 6 Главмоспромстройматериалов было организовано опытное изготовление предварительно напряженных плит размером в плане 3,0X6,0 м при толщине 14 см (34).

В продольном направлении плиты армировались 15-ю стержнями диаметром 14 мм из стали класса А-Ш. В верхней зоне плиты устанавливалась сетка из обычной проволоки с рифленой поверхностью. Размер ячеек сетки 200X200 мм. Плиты изготавливались из бетона марки 400. Напряжение арматуры осуществлялось электротермическим способом.

В дальнейшем применительно к технологии изготовления на двухъярусных конвейерах во Всесоюзном заочном инженерно-строительном институте разработаны конструкции крупноразмерных предварительно напряженных плит, характеристика которых приведена в  6.

Армирование гладких плит (35) и плит, совмещенных с бортом (36) в продольном направлении, предусмотрено стержневой арматурой из стали класса A-IV, напрягаемой электротермическим способом. Крайние и средний стержни арматуры имеют диаметр 22 мм, а промежуточные — 12 мм. В поперечном направлении плиты напрягают в процессе монтажа с помощью стержневой арматуры диаметром 22 мм, пропускаемой в специально оставленные в процессе изготовления поперечные каналы.

В верхней и нижней зонах плиты предусмотрена установка арматурной сетки, выполненной из стали периодического профиля, диаметром 5 мм. Изготовление плит без борта и совмещенных с бортом предусмотрено в универсальных формах, поэтому напрягаемая арматура в обоих типах плит имеет в плане одинаковое расположение. Универсальность формы состоит в том, что на ней можно формовать и те и другие конструкции плит. При этом, в процессе изготовления плит без борта, углубление, образующее борт, закрывается специальным съемным вкладышем. Для размещения элементов стыковых соединений на торцовых гранях плит (в углах и середине) в процессе изготовления оставляются специальные гнезда. В основу разработки конструкции предварительно напряженной плиты, совмещенной; с бортом, была положена экономическая эффективность данной конструкции. При сооружении сборных покрытий из

Плит, совмещенных с бортом, устраняется трудоемкая и маломеханизированная операция по установке бортового камня. Такая конструкция повышает жесткость краев плиты и исключает проникание поверхностной влаги в основание в лотковой части сборного покрытия.

В практике дорожного строительства имели место также случаи применения плит из предварительно напряженного железобетона значительно больших размеров. Так, на дороге Карлсруэ-Штутгарт в 1957 - г. Были уложены небольшие участки сборных покрытий из предварительно напряженных железобетонных плит размерами 12,50X3,74X0,18 и 9,99X3,74X0,18 м [33]. В плитах было создано предварительное напряжение арматуры только в продольном направлении. Для плит длиной 12,50 м оно составляло 30 кгсм2 и

Для плит длиной 10 м (9,99 м) —23 кгсм2. Как показали последующие исследования, если часть растягивающих напряжений передать па бетон плит, то величину предварительного напряжения для данных конструкций можно было бы снизить до 12 кгсм2.

Для восприятия поперечных напряжений на растяжение при изгибе вдоль нижней и верхней граней плит была уложена ненапряженная арматура.