1. В настоящее время вторгаются в реальную практику новые конструктивные решения опор и применяемых инновационных материалов. В первую очередь следует указать на опоры пролетных строений транспортных сооружений в виде сборных железобетонных опускных колодцев или стальных труб большого диаметра [2, 6]. Они повышают степень надежности опор при непредвиденной просадке грунтового основания и соответствующем нарушении целостности конструкции пролетного строения. Предлагаются опоры пролетного строения, разработанные на основе анализа существующих опор и экспериментально-теоретических исследований [3, 4].

Для создания мостовых опор из сборных трехслойных ребристых элементов рассматриваются три принципа повышения их несущей способности:

1) применение ребристой рулонной заготовки;

2) создание несущей способности опоры за счет дополнительного заполнения ребер мелкозернистым бетоном, песком;

3) передача вертикальных нагрузок на каркас стальной опоры транспортных сооружений.

Использование этих принципов и рекомендации по конструированию опор пролетного строения дают возможность проектировать и строить мостовые опоры из рулонных заготовок с использованием низколегированной стали марки 09Г2С, причем на мягких (заторфованных) и просадочных грунтах.

2. Трехслойный ребристый элемент состоит из стальной листовой заготовки и дискретно прикрепленных к ней полос (рис. 1). С обеих сторон элемента прикрепляют слои углеволокна [7] с загибом за кромки пластины с последующим объединением всех слоев [1]. Причем деформирование плоских заготовок производят после адгезии соединяемых слоев. Полые ребра заполняют материалом после установки всех конструкций опоры в проектное положение. На рис. 1 обозначено: 1 – ребристая заготовка; 2 – слои углеволокна; 3 – заполнитель, например мелкозернистый бетон.

Рис. 1. Создание трехслойного ребристого элемента

На основе экспериментально-теоретических исследований были получены аналитические зависимости и построены графики и номограммы (рис. 2–3), из которых четко видно как изменяется давление в процессе формирования трехслойного ребристого элемента при коэффициентах раздутия kр от 0,1 до 0,8. Кроме того, видно, как влияет материал плоских заготовок и полос на их деформирование при образовании продольных полых ребер в трехслойном ребристом элементе.

3. Определение давления для создания трехслойного ребристого элемента (панели).

Пример 1. Требуется рассчитать необходимое давление сжатого воздуха для создания трехслойного ребристого элемента (рис. 1) при следующих данных: коэффициенты раздутия и сжатия k_p = k_c = 0,8; расчетное сопротивление стали по пределу текучести σ_т = 230 МПа; толщина листа и полос t_s = 3 мм; ширина полос h_s = 200 мм.

Давление сжатого воздуха вычислим по формуле [4, 7]:

λ = hs/ts = 200/3 = 66,66 ≈ 70 < 100.

а б

Рис. 2. К определению параметров ребристой панели: а – зависимость гибкости деформируемого элемента от давления сжатого воздуха; б – влияние материала элемента на его деформирование

Рис. 3. Зависимость kp (kc) – p – r (hs = 200 мм; σт = 230 МПа)

Пример 2. Требуется рассчитать необходимое давление сжатого воздуха при следующих данных: коэффициенты раздутия и сжатия k_p = k_c = 0,8; расчетное сопротивление стали по пределу текучести σ_т = 230 МПа; толщина листа и полос t_s = 1,5 мм; ширина полос h_s = 200 мм.

Давление сжатого воздуха вычислим по формуле:

где λ = h_s/t_s = 200/1,5 = 133,33 ≈ 135.

Давление можно определить, используя графики, представленные на рис. 2 (при заданной гибкости и принятом материале трехслойных ребристых элементов). Например, при коэффициенте раздутия kp = 0,8, гибкости λ = 135 и Gт = 230 МПа по графику находим р = 0,13 МПа, что согласуется с аналитическим расчетом.

Согласно работе [5] рекомендуется вводить поправочный коэффициент равный 1,3. Тогда имеем:

р = 1,3∙1,26 = 1,6 кг/см2.

Используя номограмму, можно установить размеры эллипсоидального поперечного сечения (радиус) продольного ребра трехслойного ребристого элемента одновременно с определением давления сжатого воздуха, необходимого для его создания (рис. 3). Например, при kp = 0,8 при t = 1,5 мм находим – давление p = 0,13 МПа = 1,3 кг/см2 и радиус поперечного сечения эллипсоидального ребра, равный r ≈ 90 мм.

4. Конструкция пролетного строения. Оболочечные опоры (рис. 4) собирают из сборных трехслойных ребристых элементов, прикрепляемых к каркасу, состоящему из стоек из прямоугольных труб; верхнего, нижнего и трех промежуточных колец, выполненных из полосы шириной 200 мм и толщиной 3 мм. После монтажа всех элементов оболочечной опоры вертикальные ребра необходимо заполнить раствором, или мелкозернистым бетоном, или другим материалом.

Рис. 4. Пролетное мостовое строение с опорами из сборных трехслойных панелей

Были разработаны варианты опор пролетного строения транспортных сооружений, скомпонованных из сборных трехслойных ребристых элементов с круговым, эллипсоидальным, прямоугольным и комбинированным сочетанием (рис. 5).

В основу создания оболочечных опор были заложены принципы образования опоры с учетом унификации конструктивных решений, использования рациональных способов изготовления и монтажа, экономичности перемещения к месту строительства.

Выводы

Анализ проведенных исследований показал, что использование трехслойных ребристых элементов приводит к снижению стоимости опор пролетного строения в целом на 10,0‒12,6 % за счет использования рулонной листовой стали при их изготовлении плоских заготовок, компактности поставки и снижения сроков монтажа пролетного строения.

Применение трехслойных ребристых строительных элементов позволяет снизить металлоемкость и энергоемкость оболочечной конструкции опор транспортных сооружений. За счет применения инновационных материалов высокого качества [1, 7] сформированные строительные элементы обладают большой жесткостью и несущей способностью, имеют повышенную сопротивляемость специальным нагрузкам.

а б в г

Рис. 5. Типы опор при различной компоновке трехслойных ребристых элементов: а – круговые; б – эллипсоидальные; в – прямоугольные; г – волнообразные

Овчинников И.Г., д.т.н., профессор кафедры «Транспортное строительство», ФБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», г. Саратов;

Иващенко Ю.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Строительные материалы и технологии», директор строительно-архитектурно-дорожного института, ФБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», г. Саратов.

Работа поступила в редакцию 11.04.2014.