Усиление многобалочного моста из предварительно напряжённого бетона

Проект касается существующего автодорожного моста в Испании, являющегося частью автомагистрали с двумя пролётными строениями, рядом с которой видна конструкция параллельной проезжей части. Пролётное строение состоит из разрезных пролётов, образованных часто расположенными сборными предварительно напряжёнными железобетонными балками двутаврового сечения, перекрытых монолитной железобетонной плитой; каждая балка опирается независимо на железобетонные стенки устоев и промежуточные опоры пилонов. Это стандартная конфигурация сборно-монолитного предварительно напряжённого моста, строившаяся в больших количествах по всей сети испанских автомагистралей в 1980-х и 1990-х годах.

После десятилетий эксплуатации плановый осмотр и обследование конструкций показали, что балки работают ниже несущей способности, требуемой современными условиями движения. На поверхностях устоев обнаружились долговременные водяные потёки и высолы — свидетельство связанного со сроком службы воздействия влаги, концентрирующегося у концов балок — и оценка нагрузки подтвердила, что ни изгибная способность балок в середине пролёта, ни их способность воспринимать сдвиг у опор больше не отвечают требованиям современных транспортных нагрузок.

• Растущие транспортные нагрузки: вес транспортных средств и интенсивность движения существенно превысили предпосылки, принятые при проектировании моста, оставив сборным балкам крайне малый резерв несущей способности.

• Разрезная система не имеет резерва неразрезности: в отличие от неразрезных пролётных строений, каждый пролёт несёт собственные нагрузки независимо — изгибное усилие достигает максимума в середине пролёта, а усилие сдвига — у концов балок, при этом перераспределение между соседними пролётами невозможно. Как только любая из этих способностей превышена, альтернативного пути передачи нагрузки не существует.

• Связанное со сроком службы ухудшение: многолетнее воздействие влаги в зонах устоев снизило качество бетона именно там, где усилия сдвига максимальны.

• Непрерывность эксплуатации не подлежала обсуждению: замена или реконструкция исключались. Автомагистраль не могла допустить закрытия, и любое решение должно было выполняться полностью из-под пролётного строения.

Модернизация сборных балок с помощью CFRP — схема усиления напрямую соответствует силовой модели разрезной системы: продольные пластины из углеродного волокна для изгибного усилия в середине пролёта, концевые U-wrap из углеродного волокна для усилия сдвига.

В проекте применяется комбинированная система CFRP от Horse Construction, реализуемая в два взаимодополняющих этапа:

1. Пластины CFRP на трёх гранях балки — усиление на изгиб

Пултрузионные пластины из углеродного волокна были приклеены конструкционным плиточным клеем к трём граням каждой сборной двутавровой балки: к нижней поверхности (зоне растяжения при положительном изгибе) и к нижним частям обеих стенок, продольно вдоль пролётов.

Пластины нижней поверхности работают как внешняя растянутая арматура: после приклейки они деформируются совместно с бетоном и внутренней напрягаемой арматурой, напрямую повышая изгибную способность балки по положительному моменту — определяющее усилие в середине разрезного пролёта. Пластины на стенках расширяют усиленную зону растяжения и улучшают передачу усилий в углах между нижней поверхностью и стенкой. Заводские пултрузионные пластины выбраны благодаря высокому и стабильному содержанию волокна — важный фактор для несущих элементов моста, чья долговременная работа зависит от однородного качества материала.

2. U-wrap из ткани CFRP — усиление на сдвиг и анкеровка пластин

Поверх приклеенных пластин однонаправленная ткань из углеродного волокна (HM-30, 300 г/м², толщина после отверждения 0,167 мм) наносилась мокрым способом (wet lay-up) в виде U-образных обмоток: пропитанная ткань проходит под нижней поверхностью балки и поднимается вверх по обеим стенкам, образуя трёхсторонний пояс ограничения. Поскольку плита проезжей части препятствует полному обёртыванию, U-wrap является стандартной конфигурацией усиления на сдвиг для данного типа балок.

Эти обмотки выполняют одновременно две функции:

• Армирование на сдвиг — работая как внешние хомуты, обмотки пересекают диагональные трещины главного растяжения, развивающиеся в стенках у опор, повышая способность балки воспринимать сдвиг. Обмотки концентрируются в сторону устоев и пилонов, где усилие сдвига в разрезном пролёте достигает максимума — это хорошо видно по более плотному охвату усилением у концов балок.

• Механическая анкеровка пластин — обжимая пластины нижней поверхности и стенок, U-wrap сдерживают отслаивание на концах пластин и на промежуточных участках, существенно повышая долговечность и запас безопасности усиления на изгиб.

Дефекты основания были устранены и выровнены перед приклейкой, в местах сопряжения стенки и нижней поверхности выполнены галтели во избежание концентрации напряжений там, где ткань изгибается, а временные клинья удерживали ткань на месте во время отверждения смолы, обеспечивая полный контакт с бетоном.

Комбинированная система пластин и U-wrap восстановила как изгибную, так и сдвиговую способность разрезных сборных балок в соответствии с современными требованиями по нагрузке, продлив срок службы моста за малую долю стоимости и помех по сравнению с заменой.