17.6. Строительство предварительно напряжённых монолитных цементобетонных покрытий

Существует несколько способов создания предварительно-напряжённых конструкций, которые можно свести к двум системам (рис. 17.10):

неподвижная, состоящая из плит, деформации которых в продольном направлении невозможны; подвижная, то есть допускающая перемещения плит за счёт стыковых устройств.

Рис. 17.10. Системы напряжённо армированных покрытий: 1 - концевой упор; 2 - участок плиты без швов; 3 - силовой шов, омоноличиваемый в конце процесса обжатия бетона; 4 - упругий шов; 5 - арматура из высокопрочной стали

В неподвижной системе предварительное напряжение создаётся приложением к бетону сжимающих усилий специальными устройствами, располагаемыми в швах, а само покрытие жёстко закреплено между неподвижными анкерными упорами. Первоначально устраивают упоры, затем укладывают плиту, делая в одном или в нескольких сечениях зазоры (швы), в которые устанавливают домкраты для создания предварительного напряжения. В этой системе изменение величины предварительного напряжения обусловливается изменениями температуры и упругими свойствами бетона. В подвижной системе плиты могут расширяться или сжиматься под влиянием температурно-влажностных изменений. В связи с этим покрытие разделяют швами, конструкции которых позволяют воспринимать перемещения плит без повреждения заполнения швов. Подвижная система допускает скольжение плит по основанию, в связи с чем появляется сила трения, изменяющая силу предварительного напряжения в бетоне. Перемещение концов плит обеспечивает продольную устойчивость покрытия. По способу обжатия подвижные системы могут быть двух видов: с внешним и с внутренним обжатием.

При внешнем обжатии предварительное напряжение осуществляется домкратами или какими-либо другими упругими устройствами, установленными в месте стыка плит. Швы называют упругими. При внутреннем обжатии предварительное напряжение создаётся напряжением арматуры, расположенной в сечении плиты. Швы между плитами в этом случае называют свободными.

Подвижная система с внутренним обжатием по способу напряжения может быть с натяжением арматуры до бетонирования на упоры и с натяжением арматуры на затвердевший бетон. Плиты могут иметь напрягаемую арматуру только в продольном направлении, в продольном и поперечном направлениях, в диагональном направлении и по периметру плит.

Струнобетонные покрытия представляют собой один из видов предварительно напряжённых покрытий подвижной системы, в которых для получения предварительного напряжения в продольном направлении применяют высокопрочную проволоку (струну), напрягаемую до бетонирования и отпускаемую в поперечных швах после достижения бетоном прочности, необходимой для полного сцепления стали с бетоном (рис. 17.11). Толщина плит покрытия при песчаном основании обычно составляет 14 см, на стабилизированном основании - 12 см при расстоянии между поперечными швами 50 м. Число струн диаметром 4 мм на ширине 7 м при толщине плит 14 см - 81, а при толщине плит 12 см - 99. Расход высокопрочной проволоки соответственно 1,16 и 1,45 кг/м². Под поперечными швами обычно укладывают бетонные подшовные плиты сечением 15×80 см на всю ширину покрытия. Для закрепления натянутых струн по концам захватки устраивают анкерные упоры.

Первый в мире опытный участок предварительно-напряжённого покрытия был построен в 1946 г. во Франции при строительстве аэропорта Орли. Была уложена одна плита длиной 14 м и шириной 12,5 м. Напряжение 8 МПа создавалось в двух взаимно перпендикулярных направлениях пучками из 12 проволок диаметром 5 мм.

В 1958 г. на ул. Кравченко в Москве было построено струнобетонное покрытие с размещением рабочей предварительно напряжённой арматуры посередине высоты плиты, с интервалом между проволоками 12 и 23 см. Помимо продольного обжатия плита на одном участке была обжата также и в поперечном направлении пучками из 16 проволок диаметром 4 мм, натянутых с усилием 21 т. Поперечные пучки (13 шт.) были уложены через 8 м по длине плиты.

Метод натяжения арматуры на затвердевший бетон покрытия не требует дорогих концевых упоров и применяется в подвижных системах. Данный метод строительства предварительно напряжённых покрытий отличается тем, что принимаются специальные конструктивные или технологические меры по предупреждению сцепления арматуры с бетоном. Для этого арматурные пучки либо помещают в образованные различными способами каналы, либо покрывают специальной изоляцией, предохраняющей от сцепления с бетоном.

Рис. 17.11. Принципиальная схема струнобетонного покрытия:

1 - анкерные упоры; 2 - плиты струнобетонного покрытия; 3 - швы расширения; 4 - продольные швы между захватками; 5 - песчаное основание; 6 - подшовные плиты

Для устройства каналов в бетон закладывают резиновые шланги или прочные цельнотянутые металлические трубки, которые после схватывания бетона вытаскивают из плит. Затем в каналы вставляют арматурные пучки и после достижения бетоном требуемой прочности их натягивают и закрепляют, а каналы заполняют цементным раствором.

В 1954 г. в Чехословакии был построен участок, состоящий из трёх плит длиной по 80 м с различной силой обжатия. Для предварительного напряжения применяли пучки из высокопрочной проволоки диаметром 4,5 мм с пределом прочности 16,5 МПа. В первой плите пучки были расположены под углом 14° к продольной оси, а в двух других плитах - в продольном и поперечном направлениях. Ширина покрытия составляла 7 м, а толщина 15 см. Предварительное напряжение равнялось в первой плите 2,0 МПа, во второй 2,9 МПа и в третьей 1,45 МПа в продольном направлении, а в поперечном соответственно 0,5; 0,2 и 0,1 МПа.

Предварительное напряжение безарматурно обжатых покрытий, устраиваемых из ненапрягающего бетона, создают домкратами, располагаемыми в активных швах. Воспринимается сила обжатия специальными анкерными устройствами, располагаемыми по концам покрытия.

Для того чтобы при передаче давления бетон не разрушался от местного сжатия, устанавливают закладные детали: швеллеры, металлические плоские прокладки или производят местное армирование бетона. Давление, развиваемое домкратами, установленными в активном шве, контролируют манометром насосной станции.

На рис. 17.12 представлена технологическая схема строительства предварительно напряжённого покрытия с внешним обжатием.

Много оригинальных и остроумных инженерных решений предложено по конструкциям силовых швов внешне обжатых подвижных покрытий (Дубровин Е.Н., Старостин Ю.В. Жёсткие покрытия городских улиц. - М.: Стройиздат, 1979. - 471 с).

Обжатие плиты обычно выполняют в три приёма. Первоначально бетон обжимают из условия исключения трещин при понижении температуры ещё в период набора прочности бетона. Затем осуществляют рабочее обжатие с созданием расчётных напряжений. Окончательное обжатие производят после проявления ползучести бетона для восстановления в бетоне расчётных напряжений.

В 1964 г. впервые на участке дороги Полтава-Кишинёв было построено дорожное покрытие с внешним обжатием. Покрытие представляло собой ряд плит длиной по 100 м, расположенных между двумя неподвижными упорами и разделённых узкими швами. Концы плит опирались на подшовные плиты. Толщина плит покрытия составляла 15 см. Упоры устраивали на расстоянии 3 км один от другого. В конструктивном отношении упоры представляли собой шесть шпор шириной 0,8 и глубиной 2,2 м, объединённых поверху плитой (толщиной 30 см), армированной сеткой.

Рис. 17.12. Технологическая схема строительства предварительно напряжённого покрытия с внешним обжатием:

1 - домкраты; 2 - трубопроводы от насосной станции к домкратам; 3 - смежные плиты покрытия; 4 - место установки закладных деталей (шов между обжимаемыми плитами)

Подшовные плиты шпунтового типа, уложенные через каждые 100 м, обеспечивали возможность смещения плит покрытия в продольном направлении и не допускали поднятия концов плит. Ширина таких плит 7 м, длина 1,4 м, толщина 18 см.

В подшовную плиту укладывали продольную и поперечную арматуру и промежуточный каркас из скоб для связи подшовной плиты с плитами покрытия. В плите были оставлены окна для домкратов и клиновидные пазы для перемещения скоб при обжатии покрытия. Для поддержания заданного напряжения в шов вставляли железобетонные закладные детали толщиной от 30 до 8 см, высотой 15 см и длиной 57 см.

Предварительно напряжённые цементобетонные покрытия не нашли широкого применения в дорожном строительстве в связи со значительной трудоёмкостью работ по их устройству и потерей созданного предварительного напряжения в период эксплуатации покрытий.