К.т.н., доцент Кисин Б.С., ассистент, Маринин А.Н.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Обследование и испытание автодорожного моста с пролетным строением комбинированной системы

В ноябре 2007 г. были выполнены работы по обследованию и испытанию моста через Волго-Донской судоходный канал км 105+525 автомобильной дороги «Западный обход г. Волгограда» в Калачевском районе Волгоградской области РФ.

Целью этих работ было определение технического состояния сооружения с позиций надежности, долговечности и безопасности движения, его фактической грузоподъемности, а также возможности пропуска по мосту современных нагрузок А-11 и НК-80.

Автодорожный мост через Волго-Донской судоходный канал расположен на участке дороги IV технической категории, построен в 1952 г. Полная длина моста, включая длину открылков устоев, составляет 139,14 м. Мост трехпролетный, с разрезными пролетными строениями по продольной схеме 21,6 + 83,2 + 21,6. Водное пространство канала проходит в пролете № 2 и пересекает его под прямым углом. Канал судоходный, шириной 80 м и глубиной до 5,5 м. Подмостовой габарит в русловом пролете – 17,5 м.

Габарит проезжей части и тротуаров в пролетных строениях № 1 и № 3 Г-7+2×1,0, на судоходном пролетном строении № 2 – Г-7+2×1,5 м. Мост проектировался на пропуск временных нагрузок по схемам Н-13 и НГ-60.

Общий вид моста и его конструктивное решение представлены на рис. 1 и 2.

Береговые опоры – устои № 1 и № 4 – монолитные железобетонные облегченного типа с проемами и открылками, обсыпные на свайном основании из забивных железобетонных свай. Промежуточные опоры № 2 и № 3 – массивные с раздельными парными столбами, связанными между собой поверху железобетонными ригелями.

Рис. 1. Общий вид моста через Волго-Донской канал

Рис. 2. Поперечное сечение пролетного строения судоходного пролета

Береговые пролетные строения № 1 и № 3 – сталежелезобетонные с расчетным пролетом 21,6 м. В поперечном сечении расположены четыре главные балки двутаврового сечения высотой 145 см и расстояниями в осях 1,8 + 3,2 + 1,8 м.

По геометрическим размерам, году постройки эти пролетные строения соответствуют типовому проекту института «Союздорпроект» 1946 г. Плита проезжей части толщиной 20 см включена в совместную работу с металлическими главными балками с помощью металлических уголков-упоров.

Судоходный пролет № 2 перекрыт металлическим пролетным строением с двумя сегментными фермами с ездой понизу комбинированной системы, состоящей из жесткой балки и гибкой арки, дополненной работой вспомогательных элементов – наклонных подвесок (система проф. А.Я. Аствацатурова). Расчетный пролет – 83,2 м, высота ферм в середине пролета – 13,96 м. Балка жесткости (нижний пояс) имеет высоту 185,6 см, по длине балка состоит из 11 блоков, объединенных монтажными стыками на заклепках.

Сечение верхнего пояса (гибкой арки) выполнено из горизонтально ориентированных сварных двутавров. Узлы верхнего пояса расположены по окружности на равных расстояниях. Наклонные подвески также имеют двутавровое сечение высотой 33 см и присоединены к балке жесткости с помощью парных фасонок, прикрепленных к верхнему поясу балки сварными швами.

Поперечное объединение ферм в пролетное строение выполнено с помощью горизонтальных связей между верхними поясами и стальными поперечными балками проезжей части, расположенными через 4,16 м по длине пролета. Монолитная железобетонная плита проезжей части толщиной 20 см включена в совместную работу с поперечными балками с помощью упоров.

По геометрическим размерам и году постройки пролетное строение № 2 соответствует типовому проекту ЦНИИ «Проектстальконструкция» 1946 года с нормативными временными нагрузками по схемам Н-13, НГ-60 и толпой на тротуарах интенсивностью 300 кг/ м². Основная марка стали по этому типовому проекту 50-х годов постройки – низколегированная сталь 14Г2 или 10Г2СД, однако, как показали химические и прочностные исследования образца, вырезанного из наклонной подвески сегментной фермы, фактическая марка стали соответствует марке ВСт3 сп.

Опорные части металлические: подвижные – катковые и неподвижные – балансирные секторные из стального литья высотой 80 см. На опорах № 2 и №3 размещены разноименные опорные части.

Мостовое полотно состоит из асфальтобетонного покрытия толщиной 70 мм, защитного слоя из бетона толщиной 60 мм, армированного сеткой из проволоки Ø 5ВрI, гидроизоляции и сточного треугольника из мелкозернистого бетона 30- 100 мм.

Тротуары устроены на металлических консолях, приваренных к вертикальным ребрам жесткости крайних балок. Конструкция тротуаров – металлические ортотропные плиты.

За 55 лет существования мост обследовался несколько раз, при этом отмечались многочисленные дефекты и повреждения элементов проезжей части (мостового полотна, водоотвода, деформационных швов и др.), вызванные неудовлетворительной эксплуатацией моста. В сталежелезобетонных пролетных строениях наблюдалась коррозия нижних поясов и стенок главных балок, особенно в зоне водоотводных трубок. Нарушение гидроизоляции мостового полотна привело к фильтрации воды через плиту с выщелачиванием бетона.

В металлических фермах судоходного пролета № 2 проходящим по мосту транспортом были нанесены механические повреждения ряду наклонных подвесок, так как барьерное ограждение было установлено вплотную к нижнему поясу сегментных ферм. Из-за нарушения гидроизоляции вода, попадающая на стенки и нижние пояса балок жесткости, привела к частичной коррозии металла.

Ширина проезжей части моста, обеспечивающая пропуск двух полос движения, на метр меньше требуемого нормами (СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы») габарита для мостов на дорогах общего пользования IV технической категории, равного 8 м.

В 2001-2003 гг. был произведен ремонт моста Мостоотрядом № 57 ОАО «Волгомост». Выполнен ремонт (правка, замена, усиление) наклонных подвесок, очистка и окраска металлоконструкций пролетных строений, удаление старых и укладка новых слоев мостового полотна, ремонт деформационных швов, устройство сопряжений моста с подходами. Были выполнены также новые парапетные ограждения проезжей части из монолитного железобетона.

Основными дефектами пролетных строений по данным последнего обследования являются: отслоение защитного слоя бетона по низу плит проезжей части с оголением арматуры, повреждение лакокрасочного слоя и частичная коррозия металлических элементов пролетных строений. Клепаные соединения стальных элементов пролетных строений находятся в удовлетворительном состоянии. Выборочное определение прочностных свойств бетона в железобетонных плитах проезжей части пролетных строений моста показало, что фактическая прочность бетона близка к классу бетона В20.

Статическим испытаниям были подвергнуты два разнотипных пролетных строения: балочное разрезное сталежелезобетонное с расчетной длиной 21,6 м (пролет № 1) и с сегментными фермами комбинированной системы (пролет № 2). В качестве испытательной нагрузки использовались четыре груженых автосамосвала марки МАЗ 5551 общей массой от 19,4 до 19,7 т. Размещение нагрузки вдоль и поперек пролета производилось по теоретическим линиям влияния из расчета создания невыгоднейших условий работы пролетного строения в целом. Для детального исследования работы конструкций проводилось по две установки автомобилей на пролетные строения – с максимальным приближением к левому и правому ограждениям проезжей части. Так как мост был запроектирован на подвижные вертикальные нагрузки Н-13 и НГ-60, то интенсивность испытательной нагрузки должна была составлять от 70 до 100 % эквивалентной нормативной нагрузки Н-13 с полным динамическим коэффициентом.

В качестве измеряемых параметров каждого из испытанных пролетных строений были: общие деформации (прогибы) балок в серединах пролетов, а также местные фибровые деформации в отдельных элементах балок и ферм. Измерения выполнялись с помощью поверенных приборов: прогибомеров с проволочной связью марки «6 ПАО» и рычажными механическими тензометрами с базой 100 мм. Установка приборов на пролетных строениях № 1 и № 2 показана на рис. 3.

Плоская ферма комбинированной системы с жестким нижним поясом была рассчитана как многократно статически неопределимая стержневая система с помощью программного комплекса «ЛИРА 9.2». Рассматривались три расчетных сочетания:

Постоянная нагрузка + А-11+ толпа на тротуаре;

Постоянная нагрузка + Н-13 + толпа на тротуаре;

Постоянная нагрузка + НК-80.

При проверке нормальных напряжений в сечениях фермы выяснилось, что напряжения в крайних панелях верхнего пояса при первом сочетании нагрузок превышают расчетное сопротивление стали на 4,6 %.

Рис. 3. Схема установки приборов на пролетных строениях

Следует отметить, что существующее проектное решение по устройству массивного железобетонного парапетного ограждения проезжей части, не является на наш взгляд оптимальным. Пролетное строение оказалось перегруженным постоянной нагрузкой. На долю временной нагрузки приходится всего от 15,6 % (НК-80) до 29 % (автомобильная Н-13) несущей способности конструкции.

Пролетное строение № 1 было рассчитано с учетом совместной работы железобетонной плиты и металлических балок, а также двух стадий работы конструкции. Определяющей временной нагрузкой здесь является тяжелая одиночная НК-80, усилия от автомобильной нагрузки и толпы на тротуаре меньше. Прочность сечений при расчетном сочетании усилий удовлетворяется.

Проведенные статические испытания двух разнотипных пролетных строений показали соответствие расчетных и фактических значений прогибов и напряжений в металлических фермах и балках. Совместная работа железобетонных плит с металлическими пролетными строениями обеспечивается.

Для нормальной эксплуатации, сохранения несущей способности и увеличения долговечности моста рекомендовано устранить выявленные дефекты и повреждения. Учитывая состояние конструкций моста, установлены следующие ограничения массы транспортных средств:

- в потоке общая – 18 т, осевая – 12 т;

- в одиночном порядке общая – 80 т, осевая – 20 т.