Указания по строительству предварительно напряженных железобетонных покрытий автомобильных дорог

УКАЗАНИЯ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Для предотвращения образования трещин в бетонных покрытиях обычного типа плиты либо усиливают армированием, либо ослабляют в заранее намеченных местах ложными швами, которые позволяют избежать появление трещин.

Образование трещин в покрытиях происходит из-за растягивающих напряжений, возникающих главным образом от действия нагрузок при движении автомобилей, от изменения температуры, влажностных деформаций бетона. При сцеплении с основанием длинных плит изменение температуры может вызвать большие растягивающие напряжения, которые превысят предел прочности бетона на растяжение, и в плите появятся трещины.

Значительно уменьшается или исключается полностью образование трещин в покрытиях при предварительном обжатии бетона. Предварительное напряжение сжатия компенсирует возникающие в плитах растягивающие напряжения и существенно улучшает условия работы бетонных покрытий. Бетонные покрытия с предварительно напряженной арматурой обладают большей деформативной способностью, а отсюда лучшим сопротивлением вертикальным повторным нагрузкам, изменениям температуры, неравномерному поднятию грунта.

Предварительное напряжение позволяет применять плиты больших размеров, сократить количество швов. Кроме того, такие покрытия при одинаковых расчетных нагрузках имеют значительно меньшую толщину, чем ненапряженные. Значительно возрастает морозостойкость бетона, так как отсутствие трещин исключает возможность проникновения воды в бетон и ее разрушающее действие при замерзании. Эксплуатационные расходы на содержание предварительно напряженных покрытий снижаются в результате их более высокой долговечности. Вместе с тем следует отметить, что предварительно напряженные бетонные покрытия имеют и ряд недостатков. К основным недостаткам следует отнести следующие: потребность высокопрочного металла, трудоемкость работ, высокая стоимость, а также отсутствие достаточного опыта натяжения арматуры, особенно на кривых участках дороги. При натяжении арматуры необходимо строго соблюдать правила охраны труда.

Однако по мере накопления опыта и разработки рациональных способов предварительного напряжения стоимость таких покрытий не должна превышать ненапряженные покрытия, что определит их широкое применение в дальнейшем.

Опытные предварительно напряженные бетонные покрытия построены в России, Чехии, Франции, Англии и др.

Особенности конструкции предварительно напряженных бетонных покрытий

Факторы, влияющие на конструкцию предварительно напряженных бетонных покрытий, зависят от типа основания, интенсивности движения, а также от климатических условий строительства.

Исходными данными при проектировании предварительно напряженных бетонных покрытий являются напряжения в плите, длина, ширина и толщина плиты покрытия.

Ширина плиты. Полоса бетонного покрытия устраивается в соответствии с параметрами машин, строящих дорогу. Обычно она имеет ширину от 3,0-3,5 до 7 м. Исследования работы плиты предварительно напряженных покрытий, проведенные в России, Англии, Франции и других странах, показывают, что в поперечном направлении напряжения незначительны, поэтому при устройстве покрытия шириной 3,5 м предварительного натяжения в поперечном направлении не требуется. При большей же ширине плиты возникает необходимость предварительного напряжения и в поперечном направлении. Бетонные покрытия большей ширины, построенные из нескольких полос, разделяются продольными швами.

В процессе эксплуатации продольные швы могут раскрываться. Для предотвращения возможного расширения продольного шва смежные плиты должны быть связаны между собой арматурой. При строительстве покрытия в две полосы, после того, как одна полоса построена и находится под напряжением, для возможности предварительного натяжения в другой смежной полосе должна быть устроена поперечная связь, обеспечивающая небольшие продольные перемещения одной плиты относительно другой.

Длина плиты. Чрезмерно большие размеры плит требуют очень большого натяжения арматуры. Большое предварительное напряжение в длинных плитах требует большого расхода дорогостоящего металла. В связи с этим применение чрезмерно длинных плит становится экономически неоправданным. При сокращении же длины плит увеличивается количество трудоемких швов и число натяжений арматуры. Все это снижает экономический эффект предварительно напряженных покрытий.

Из опытов, проведенных в Англии, Германии и других странах, установлено, что наиболее рациональной длиной предварительно напряженного железобетонного покрытия между поперечными швами считается плита длиной 120-150 м.

Толщина плиты предварительно напряженных покрытий назначается по расчету в зависимости от грузоподъемности транспортных средств. При проектировании следует учитывать, что предварительно напряженная плита, находящаяся под нагрузкой, имеет сравнительно большую допустимую деформацию и вызывает большие напряжения в подстилающем слое по сравнению с плитами неармированного бетона. Кроме того, необходимым условием предварительно напряженных покрытий является укладка достаточного защитного слоя бетона, покрывающего арматуру. С учетом изложенных факторов в ряде стран толщина предварительно напряженных плит принимается равной 15 см. Эта толщина оказывается достаточной и для обычного подстилающего песчаного слоя, и для покрытия арматуры защитным слоем.

Величина предварительного напряжения. В плитах нормальной длины напряжения возникают главным образом от внешней нагрузки и изменения температуры при эксплуатации покрытия. В чрезмерно длинных плитах напряжение создается также в результате сопротивления плиты сдвигу по грунтовому основанию. При понижении температуры сопротивление сдвигу исключает возможность свободного сжатия плиты и является причиной появления растягивающих напряжений, максимум которых находится в середине плиты. Эти растягивающие напряжения по величине должны быть меньше сжимающих, возникающих при предварительном напряжении, иначе в плите могут появиться трещины, и в период низких температур, когда они будут раскрыты, в них может попадать песок, который будет препятствовать смыканию трещин при повышении температуры.

Сопротивления сдвигу возрастают главным образом с увеличением неровностей нижней поверхности бетонного покрытия. По данным исследований, проведенных в Англии, в плитах длиной 12 м растягивающие напряжения могут достигать от 14 до 21 кгс/см. Для компенсации растягивающих напряжений такой величины предварительное напряжение должно быть очень высоким.

На плиту воздействуют и другие усилия - от нагрузки, изменения температуры, влажности и усадки бетона. Для предотвращения появления трещин суммарные растягивающие напряжения, возникающие в плите, должны компенсироваться предварительным напряжением. Поэтому в Англии минимальной величиной предварительного напряжения для плит длиной до 12 м считается напряжение 21 кгс/см, принимаемое только с учетом компенсации растягивающих напряжений, возникающих при сдвиге плиты по грунтовому основанию. В Германии обжатие от натяжения арматуры в продольном направлении принимают равным 30 кгс/см.

Компенсация растягивающих напряжений такой величины значительно увеличивает стоимость предварительного напряжения.

В тех случаях, когда величину сопротивления сдвигу плиты по грунтовому основанию оценить трудно или предполагается движение по дороге очень тяжелых транспортных средств, величину предварительного напряжения необходимо увеличить. При проектировании учитывают также, что предварительное напряжение на концах плиты несколько больше, чем в середине, вследствие потерь натяжения, обусловленных трением арматуры о бетон. Предполагается, что увеличение предварительного напряжения по сравнению с требуемой величиной для середины плиты на 10% достаточно для компенсации потерь этого вида.

В поперечном направлении предварительное напряжение бывает значительно меньшим и принимается равным от 3,5 до 10 кгс/см.

При строительстве бетонных покрытий ранней весной или осенью, когда имеют место значительные колебания температуры в течение суток, трещины могут возникнуть, раньше, чем будет достигнута необходимая величина предварительного напряжения. В таких случаях трещины должны быть предохранены от засорения с тем, чтобы во время предварительного напряжения они могли закрыться.

Предварительное напряжение должно осуществляться постепенно с учетом возраста и прочности бетона.

Строительство предварительно напряженных бетонных покрытий

Предварительное напряжение в бетоне может быть создано либо путем натяжения арматуры до укладки бетонной смеси, либо после ее укладки, а также путем безарматурного обжатия плиты с ее торцов.

В практике дорожного строительства получил применение метод натяжения арматуры после укладки бетонной смеси. В этом случае арматура предохраняется от сцепления с бетоном, а по достижении бетоном достаточной прочности ее натягивают и концы закрепляют в бетоне таким образом, чтобы он подвергался сжимающим усилиям.