Бетонный арочный мост 95-летней давности: от характеристики материалов до структурного анализа
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Связанные данные
Все результаты лабораторных испытаний (данные) включены в таблицу 1 настоящей статьи.
Абстрактные
В данной статье проводится структурный анализ 95-летнего бетонного арочного моста, расположенного в Ягоднике (Польша), с целью проверки его поведения при сегодняшних транспортных нагрузках. Механические свойства как бетона, так и арматуры исследуются путем испытания стержней и стержней, извлеченных из моста. Структурный анализ подтверждает, что мост соответствует сегодняшним требованиям по нагрузке с точки зрения несущей способности, эксплуатационного состояния и что принятые конструктивные усовершенствования (новая плита настила поверх существующей конструкции и слой раствора для защиты поверхности старого бетона) эффективны. Таким образом, 95-летний арочный мост получил новую жизнь. Структурные усовершенствования показывают, как сочетание численного моделирования и лабораторных испытаний может способствовать сохранению старой, хотя и довольно простой, и ценной конструкции, в противном случае обреченной на снос, с экологическими и экономическими преимуществами.
1. Введение
Арочные мосты – один из самых популярных видов мостов. В настоящее время в мире насчитывается более 40 железобетонных арочных мостов с пролетом более 200 м [1]. Применение бетона при строительстве арочных мостов имеет долгую и интересную историю [2]. В большинстве стран имеются старые мосты, требующие ремонта, ремонта или реконструкции [3]. В литературе можно найти много интересных исследований, связанных с процессом испытаний и ремонта старых железобетонных мостов [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15] или структурный анализ старых мостов [16,17,18,19,20,21,22]. Реконструкция и ремонт старых мостовых конструкций и адаптация к новым транспортным нагрузкам — сложные вопросы, часто требующие опыта не только инженеров-строителей, но и научного сообщества. Перед тем, как разобраться с техническими условиями и несущей способностью той или иной мостовой конструкции, необходимо произвести детальный осмотр. Положения норм, касающиеся исходных материалов, таких как механические, химические, а также физические свойства, необходимы для правильной оценки состояния старых конструкций, чтобы отразить их реальное техническое состояние. Объем испытаний материалов должен быть адаптирован к специфике конструкции и расположения конструкции моста. Команда разработчиков часто сталкивается с проблемой нехватки исходной документации или ее отсутствия. Затем необходимо провести детальный осмотр, который помогает определить объем реконструкции или ремонта, а также построить численную модель. Новые технологии, такие как лазерное сканирование, методы фотограмметрии и георадар [23,24,25,26,27,28,29, XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX], все чаще используются для мониторинга, инвентарного контроля и проверки конструкций. Новые инструменты и методы очень полезны при технической и теоретической оценке старых мостовых конструкций.
Настоящее исследование направлено на структурный анализ 95-летнего бетонного арочного моста на основе механических свойств, измеренных с помощью лабораторных испытаний. Структурный анализ был частью экспертного заключения, необходимого для проверки того, имеет ли старый арочный мост достаточную несущую способность перед сегодняшними транспортными нагрузками, чтобы продлить срок его службы. Настоящая статья дополняет и расширяет исследования, проведенные Ambroziak et al. [30] на стадии проектирования. В настоящей работе были испытаны в лаборатории новые образцы бетона, взятые со старого железобетонного арочного моста во время его реконструкции, и представлены результаты испытаний исходной стальной арматуры. Определяются результаты о внутренних усилиях при расчетных нагрузках, оцениваются максимальные напряжения как в бетоне, так и в арматуре и сравниваются с расчетными напряжениями, а перемещения проверяются относительно тех, которые указаны для предельного состояния эксплуатации. В статье ученые, инженеры и проектировщики приводят пример результатов расчета конструкции и экспериментальной оценки 95-летнего бетонного арочного моста.
2. Материалы и методы
Исследуемый старый мост (см. рис. 1) представляет собой арочный мост, построенный в 1925 году недалеко от города Эльблонг (деревня Ягодник в Польше) над рекой Кумель. Строительная компания Karl Metzger & Co. [31] отвечала за строительство моста, который состоит из железобетонной плиты, монолитно соединенной с железобетонной аркой с пролетом 12.95 м.
Типы бетонных мостов
Арочные мосты получают свою прочность за счет того, что вертикальные нагрузки на арку создают сжимающие силы в арочном кольце, которое изготовлено из материалов, способных выдерживать эти нагрузки. Силы сжатия в кольце арки приводят к наклонным нагрузкам на опоры, и важно, чтобы опоры арки были хорошо закреплены или укреплены, чтобы противостоять вертикальным и горизонтальным компонентам этих нагрузок. Если опоры раздвинутся, арка падает. Римляне знали об этом все.
Традиционно арочные мосты строились из камня, кирпича или массивного бетона, так как эти материалы очень прочны на сжатие, и арку можно было сконфигурировать так, чтобы не возникали растягивающие напряжения. В современных бетонных арочных мостах используется предварительное напряжение или армирование, чтобы противостоять растягивающим напряжениям, которые могут возникать в тонких арочных кольцах.
Форма привлекла внимание многих пионеров бетонного строительства. В 1930 году Фрейсине был ответственным за впечатляющий арочный мост в Плугастеле во Франции, а три года спустя швейцарский инженер Роберт Майяр создал знаменитый элегантный мост Швандбах, в котором тонкие поперечные стены связывают арку с горизонтально изогнутой проезжей частью.
Плугастель, Франция
Мосты из армированных плит
Для коротких пролетов наиболее простой конструкцией является сплошная железобетонная плита, обычно отлитая на месте, а не сборная. Это также экономически выгодно, поскольку плоский, ровный софит означает, что опалубка и опалубка также просты. Армирование тоже несложное. При больших пролетах армированная плита должна быть толще, чтобы выдерживать дополнительные нагрузки под нагрузкой. Этот дополнительный вес самой плиты затем становится проблемой, которую можно решить одним из двух способов. Во-первых, использовать методы предварительного напряжения, а во-вторых, уменьшить собственный вес плиты за счет включения «пустот», часто из пенополистирольных цилиндров. При пролете примерно до 25 м такие плиты с пустотами более экономичны, чем предварительно напряженные плиты.
Грета, Кесвик
Балочный и плитный мост
Балочные и плитные мосты, вероятно, сегодня являются наиболее распространенной формой бетонных мостов в Великобритании. Достоинствами их являются простота, экономичность, широкая доступность стандартных секций и скорость возведения. Успех стандартных сборных предварительно напряженных бетонных балок, первоначально разработанных Группой по разработке предварительно напряженного бетона, позже дополнен альтернативными конструкциями других компаний, кульминацией которых стала Y-образная балка, представленная Ассоциацией предварительно напряженного бетона в конце 1980-х годов.
Сборные балки размещаются на опорах или опорах, как правило, на резиновых опорах, не требующих технического обслуживания. Затем на постоянную опалубку, которая проходит между балками, заливается монолитная железобетонная плита перекрытия. Сборные балки могут быть соединены друг с другом на опорах для образования неразрезных балок, которые являются конструктивно более эффективными. Однако обычно этого не делают, поскольку связанные с этим затраты не оправдываются повышенной эффективностью.
Бетонные балки с простой опорой и мосты из плит теперь уступают место составным мостам, которые предлагают преимущества меньшей стоимости и меньшего обслуживания благодаря устранению компенсаторов и подшипников.
Коробчатый балочный мост
Для пролетов более 45 метров преднапряженные железобетонные коробчатые балки являются наиболее распространенным методом строительства бетонных мостов. Основные пролеты полые, и форма «коробки» будет варьироваться от моста к мосту и вдоль пролета, будучи более глубоким в поперечном сечении на устоях и опорах и более мелким в середине пролета.
Методы строительства различаются в зависимости от фактической конструкции и положения моста, существует три основных типа: постепенно наводимый, пролетный и сбалансированный консольный.
Инкрементальный запуск
В ситуациях, когда палуба прямая (или с постоянной кривизной) и требуется избегать создания ложной работы в области настила, может быть уместным пошаговый спуск. Сегменты строятся в конце предыдущего сегмента и вставляются на место. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет построен весь мост. Обычно к передней кромке моста присоединяется стальная балка или элемент фермы, чтобы уменьшить консольный момент на главной палубе. Этот стальной элемент называется носом. Над промежуточными опорами установлены подшипники скольжения, облегчающие перемещение настила.
пролет за пролетом
Для длинных многопролетных виадуков, где доступ снизу ограничен, дорог или практически невозможен, строительство настила можно начинать с одного конца, по одному пролету за раз, при этом отдельные пролеты могут достигать 60 м.
Эти мосты обычно строятся на месте с выдвижением опалубки вперед пролет за пролетом, но могут быть построены из сборных секций. Первоначально сооружаются устои и опоры. Портал длиной не менее двух последовательных пролетов первоначально располагают между одним упором и первой внутренней опорой. Стыки между сегментами залиты цементным раствором или эпоксидной смолой. Когда все сегменты установлены в правильном положении и их соединения вылечены, тросы пост-натяжения пропускаются через сегменты и нагружаются, создавая пролет между двумя опорами. Портал теперь перемещается вперед к следующему пролету.
Сбалансированный кантилевер
В начале 1950-х годов немецкий инженер Ульрих Финстервальдер разработал способ возведения консолей из предварительно напряженного бетона сегмент за сегментом, при этом каждый дополнительный элемент предварительно напрягается по отношению к уже установленным. Это позволяет избежать ложной работы, и с тех пор система была разработана.
Независимо от того, создается ли он на месте или с использованием сборных сегментов, уравновешенная консоль является одним из самых впечатляющих способов строительства моста. Работы начинаются с возведения устоев и опор. Затем от каждой опоры строится мост одновременно в обе стороны. Таким образом, каждая опора остается стабильной – а значит, «сбалансированной» – до тех пор, пока, наконец, отдельные структурные элементы не сойдутся и не соединятся вместе. В каждом случае сегменты постепенно привязываются к опорам с помощью предварительно напряженных арматурных стержней или стержней, продетых через каждую секцию.
Инкрементальный запуск
Сейрог, Северный Уэльс
пролет за пролетом
Кис, Флорида
Сбалансированный кантилевер
Скай, Шотландия
Интегральные мосты
Одной из трудностей при проектировании любой конструкции является решение, где разместить соединения. Они необходимы для обеспечения движения, так как структура расширяется под жарким летним солнцем и сжимается во время зимнего холода.
Компенсационные швы в мостах, как известно, подвержены протечкам. Вода, насыщенная дорожной солью, может затем достичь вершин опор и устоев, что может привести к коррозии всей арматуры. Расширяющиеся эффекты ржавчины могут расколоть бетон на части.
Кроме того, компенсаторы и подшипники требуют дополнительных затрат, поэтому все больше и больше мостов строятся без них. Такие конструкции, называемые «составными мостами», могут быть построены с любым типом бетонного покрытия. Они построены так, что их настилы соединены непосредственно с опорными опорами и устоями и не имеют никаких приспособлений в виде подшипников или компенсаторов для теплового движения. Тепловое перемещение настила компенсируется изгибом опорных стоек и горизонтальными перемещениями устоев при упругом сжатии окружающего грунта.
Уже используемый для длины до 60 м интегральный мост становится все более популярным, поскольку инженеры и дизайнеры находят другие способы борьбы с тепловым движением.
Халбан-Алмаз, Эр-Рияд
Вантовые мосты
Для действительно больших пролетов одним из решений является вантовый мост. Как и на перекрестке Ди, где все элементы выполнены из бетона, конструкция состоит из опорных башен, несущих тросы, которые поддерживают мост с обеих сторон башни.
Диагональные ванты передают вертикальные нагрузки с настила непосредственно на опоры, таким образом, основное настил вантового моста работает как неразрезная балка на вантовых опорах (более гибких, чем опоры опор) с дополнительным сжимающим усилием по всему настилу. Большинство вантовых мостов строятся с использованием консольной конструкции, которая может быть как монолитной, так и сборной железобетонной.
Ди Кроссинг, Северный Уэльс
Висячие мосты
Бетон играет важную роль в строительстве подвесного моста. Там будут массивные фундаменты, обычно встроенные в землю, которые поддерживают вес и крепления тросов. Также будут опоры, опять же, вероятно, из массивного бетона, обеспечивающие жизненную прочность и способность противостоять огромным силам, и, кроме того, тонкие надстройки, несущие верхние концы несущих тросов, также обычно сделаны из железобетона.
