3.3. Работоспособность поврежденных двутавровых опор

К основным видам поврежденных двутавровых опор относятся коррозия арматуры, сколы полок, трещины в сопряжении полок со стенкой, продольные трещины в поясах. Образуются продольные трещины в основном из-за коррозии арматуры.

Причиной коррозии является тонкий защитный слой и невысокая плотность бетона. Наиболее сильные коррозионные разрушения в надземной части отмечаются у двутавровых: опор с ненапряженной стержневой арматурой (рис. 3.6). Отслаивающийся при этом защитный слой приводит к снижению сцепления арматуры с бетоном.

Рис. 3.6. Коррозионное повреждение арматуры в поясах двутавровых опор типа ЖБД

Размеры коррозионных поражений у струнобетонных опор, как правило, бывают меньше, чем у опор со стержневой ненапряженной арматурой, но опасность их больше. Тонкая высокопрочная проволока диаметром 4 мм очень быстро выходит из строя. Коррозионные изъязвления в ней происходят не только со стороны, обращенной к наружной поверхности опоры, но и с противоположной, так как после отделения защитного слоя бетона кислород и влага легко проникают ко всей поверхности арматуры.

Наибольшую опасность представляет коррозия арматуры в растянутых (полевых) поясах. Расчет прочности их можно выполнять как центрально растянутых элементов, определяя растягивающие усилия в них следующим образом:

где M_p - расчетный изгибающий момент в рассматриваемом сечении от внешних нагрузок, вычисляемый так же, как и при расчете центрифугированных опор;

a - расстояние между осями поясов.

Допустимость коррозионного износа следует определять из условия

где R_а, R_н - расчетное сопротивление соответственно стержневой и проволочной арматуры;

F_аост, F_ност - площади поперечных сечений соответственно стержневой и проволочной арматуры с учетом их коррозии.

Расчетные сопротивления арматуры определяются подсправочникам или непосредственно по результатам испытаний.

Подвергшуюся коррозии высокопрочную проволоку при проверке прочности сечений следует считать как скорродированную полностью независимо от того, насколько сильно она повреждена к моменту обследований. Коррозия ее происходит быстро и неравномерно по длине, а довольно высокие напряжения в ней способствуют ускорению разрушения. Поэтому рассчитывать на длительную работоспособность корродирующей высокопрочной проволоки нет оснований. Наоборот, степень износа стержневой арматуры можно и нужно определять и учитывать при расчете прочности опор.

Проверка расчетом прочности поперечных сечений опор с учетом конкретных нагрузок позволяет во многих случаях оставить в эксплуатации поврежденные конструкции, тем самым продлив сроки их службы. Происходит это потому, что опоры, как правило, не догружены. Мощность их часто бывает подобрана с некоторым запасом, этот запас и следует выбирать, допуская коррозионный износ.

Уменьшение сечения арматуры в поясе на 20-25% по отношению к начальному, как показали испытания [46], можно считать вполне допустимым. Объясняется это тем, что при многоэлементной, параллельно работающей арматуре происходит перераспределение усилий между проволоками, когда наступает стадия упругопластической работы. В большей степени используется прочность всего пакета, поскольку достижение предельного состояния в одном стержне или проволоке при пластической их деформации не приводит к отказу всей системы. С увеличением числа проволок надежность пакета повышается. Чем выше пластические свойства металла, тем в большей степени это проявляется.

Назначать допустимое количество струн, подвергшихся коррозии, нужно дифференцированно в зависимости от мощности опор, диаметра арматуры и количества ее в каждом поясе, пользуясь табл. 3.2.

Таблица 3.2. Определение допустимого количества корродированных струн в двутавровых опорах типа СД

Если мощность опоры неизвестна и определить ее не удается, назначать допустимое количество корродированных струн нужно ого минимально допустимому их количеству для данного диаметра арматуры, т. е. применительно к опорам мощностью 45 кН•м. Это составляет две-три струны в нижней части опор и три-четыре - в верхней.

Если учесть, что арматура диаметром 4 мм для двутавровых опор применялась крайне редко, можно почти во всех случаях допускать коррозию трех струн в сечениях, расположенных ниже отметки 4 м, и четырех струн - в вышерасположенных сечениях.

В верхней части опор степень допустимого износа опор больше, чем нижней, потому, что количество арматуры там больше требуемого. Особенно это характерно для струнобетонных опор.

Появляется излишнее количество арматуры в верхней части потому, что при принятой технологии изготовления сокращение количества струн по длине опор невозможно. Поэтому в вершинах опор, например струнобетонных, количество продольной рабочей арматуры на 20-30% больше требуемого и износ ее там можно допустить больший.

В практике часто встречаются случаи, когда коррозии подвержены две пряди (из четырех в каждом поясе), как показано на рис. 3.7. Допускать эксплуатацию опор с такими повреждениями тоже можно, но при этом важно, чтобы расстояние между зонами повреждений Δ было не менее 60-70 см. Обусловлено это сцеплением арматуры с бетоном.

Рис. 3.7. Минимально допустимое расстояние между корродирующими пучками арматуры в поясе двутавровой струнобетонной опоры: 1 - пояс опоры; 2 - корродирующие пучки

Одновременно с коррозией арматуры в растянутых поясах можно допускать такое же количество скорродированных струн и в сжатых (путевых) поясах.

В железобетонных опорах со стержневой арматурой допускать полное выключение из работы отдельных стержней опасно, так как количество их в каждом поясе невелико - всего 4 шт.; можно допустить лишь частичный их износ. Если корродирован один стержень в поясе, степень его износа может достигать 50-60% по сечению. При двух стержнях износ должен быть в 2 раза меньше.

В верхней части железобетонных опор с ненапряженной арматурой износ может быть больше, чем в нижней. Прочность опор всегда будет достаточной, если количество стержней арматуры с износом до 20-25% по сечению в нижней части опоры не превысит двух, а в верхней - трех.

Площадь оставшегося сечения обнаженной стержневой арматуры можно вычислять на основе данных по непосредственному измерению их диаметров или расчетным путем, считая, - что ежегодно диаметр арматуры уменьшается в районах с неагрессивными газовыми средами на 0,05-0,08 мм, а в агрессивных - на 0,10-0,14 мм. В местах, где на арматуру попадают минерализованные воды, скорость коррозии выше и зависит от степени минерализации. Для этих сред конкретных данных по скорости коррозии не имеется.

Продольные трещины в поясах двутавровых опор, как правило, появляются из-за коррозии арматуры. Допустимую ширину их раскрытия следует находить из условия прочности корродирующей арматуры, определяя по толщине слоя продуктов коррозии износ арматурных стержней, как это делается у центрифугированных опор. Чаще всего эти трещины развиваются по боковым граням поясов, т. е. у крайних стержней (рис. 3.8). При ширине раскрытия трещин до 2 мм степень уменьшения находящейся в них арматуры не превышает 15-20% по сечению, а при раскрытии 3 мм - 25%. Такие размеры продольных. трещин и считаются допустимыми.

Рис. 3.8. Трещины возникающие в поясах двутавровых опор при коррозии крайних арматурных стержней: 1 - корродирующий стержень; 2 - слой продуктов коррозии; 3 - трещина

Продольные трещины в поясах не изменяют механики работы опор. При них только уменьшается площадь поперечного сечения бетона за счет откалывающихся частей. Это уменьшение сечения, как правило, бывает небольшим и его можно не учитывать.

Кроме продольных трещин в поясах, иногда встречаются трещины в зоне сопряжения поясов со стенкой (или ригелями в етрунобетонных опорах). Они оказывают влияние на механику работы опор, нарушая связь между элементами. Поэтому длину этих трещин приходится ограничивать. Экспериментально показано [46], что если трещины имеются не более чем в четырех рядом расположенных ригелях, они не представляют серьезной опасности. Всего в опоре можно допустить восемь трещин в ригелях, но при этом важно, чтобы они на были расположены подряд.

К числу опасных повреждений относятся также выколы в поясах. Они являются следствием местных механических воздействий на опоры - ударов от выступающих частей подвижного состава, наездов и др. Особенно опасны выколы в сжатых поясах струнобетонных опор, так как бетон их находится в сильно напряженном состоянии. Наибольшая степень нагружения бетона от усилия предварительного напряжения арматуры имеется в верхней части опор. Там можно выключать из работы лишь небольшую часть сечения - не более 10-15%. Ниже отметки 3-4 м (считая от головки рельса) можно уменьшить площадь поперечного сечения сжатого пояса на 20%.

В опорах со стержневой ненапряженной арматурой выколы менее опасны, чем в струнобетонных. Уменьшать сечения их поясов, как показывают испытания, можно и на 30%.

Прочность поясов с выколами следует рассчитывать как внецентренно сжатых элементов, к которым усилие прикладывается с эксцентриситетом е (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Расчетная схема пояса двутавровой опоры с выколом

Опыт эксплуатации опор со сколотыми поясами показывает, что опасных последствий при указанных размерах выколов не наблюдается. В этих случаях беспокоиться приходится не столько о прочности бетонных сечений, сколько о сохранности арматуры.

Принципы нормирования допустимых размеров остальных повреждений, таких, как коррозия поверхностного слоя бетона, поперечные трещины, сетка трещин, сохраняются такими же, как и у струнобетонных опор. Конкретные их значения приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Предельно допустимые размеры повреждений двутавровых опор