Увеличаване носимоспособността на стоманобетонни мостове

Стоманобетонът е един от най-често използваните материали за изграждане на мостови съоръжения. Въпреки многобройните му качества и предимства, в определен момент от експлоатацията на дадена мостова конструкция неминуемо се налага изпълнението на ремонтно – възстановителни работи. В определени случаи е възможно да се наложат по-специални ремонтни работи с усилване на мостовото съоръжение или отделни негови елементи.

До необходимост от усилване на дадена стоманобетонна мостова конструкция могат да доведат редица фактори като неправилна и ненавременна поддръжка, настъпване на корозия в бетона, а оттам и в армировката, което води до намаляване на носещата способност, увеличено подвижно натоварване, промени в нормативната уредба или промени в мостовия или подмостовия габарит, промяна в условията, при които функционират съоръженията - например по-агресивна околна среда, появата на пукнатини, при различни разрушения от удари или поради недостатъчна носеща способност и други. В такива случаи е важно степента и обема на ремонтите да бъдат много прецизно определени и да бъдат изпълнени във възможно най-кратки срокове, тъй като конструкциите бързо могат да достигнат до аварийно състояние.

С усилването на една мостова конструкция могат да бъдат повишени както носимоспособността, така и устойчивостта й. Степента на усилване трябва да бъде определена след точен анализ на състоянето и носимоспособността на съоръжението и елементите му преди усилването, както и целите, които е необходимо да бъдат постигнати. Възможно е да се изпълни усилване на определени конструктивни елементи с използването на материали с по-високи якостни характеристики, тъй като вложените са повредени, корозирали или с недостатъчна якост и качество. Усилването може да бъде и по-сложно, като към конструкцията се добавят нови носещи елементи.

С годините в инженерната практика са се наложили някои традиционни методи за усилване на мостовите конструктивни елементи, които не бива да бъдат пренебрегвани, тъй като притежават редица предимства. Въпреки това, новите технологии и материали в областта на строителството могат да бъдат значително по-подходящ и дори единствен избор при решаването на редица инженерни задачи. Един такъв съвременен метод за усилване е с използването на полимерни композитни материали. Технологията притежава отлични качества, изискващи се за възстановяване и повишаване носимоспособността на мостовете.

Към стандартните методи, които е важно да бъдат споменати за сравнение, се включват:

Усилване с добавяне на бетон и армировка
Носимоспособността на елементите може да бъде увеличена чрез добавяне на материал към напречното сечение. Усилването се осъществява като към сечението се прилагат допълнително армировъчна стомана и пласт бетон. По този начин могат да бъдат усилени елементи от връхната конструкция и от долното строене на мостовете. Връзката между съществуващия елемент и добавения материал е от особено значение за правилното предаване на усилията и съвместното действие.

Стоманобетонни греди могат да бъдат усилени с добавяне на надлъжна армировка, която се закрепва към конструкцията посредством стремена, заварени към съществуващите или обхващащи цялото сечение. Изпълнението на този вид усилване е трудоемко, а за допълнителното изливане на бетон е необходимо да се използва кофраж, поради което се прилага много рядко.

С увеличаване на напречното сечение могат да се усилват и стоманобетонни плочи. Обикновено за плочи увеличението е от порядъка на 5-8cm, като може да се осъществи както от горната, така и от долната страна на плочата, в зависимост от това къде е необходимо да се увеличи носимоспособността и имайки предвид вида на усилията. По-лесно е да се изпълни усилване от горната страна, тъй като няма нужда от допълнителен кфраж, но най-често има необходимост от усилване от долната страна - от страната на положителните моменти. Етапите на изпълнение са следните: първоначално се почиства повърхността на елемента до достигане на здраво сечение - без повреди или пукнатини. След това се монтира допълнителната армировка и се бетонира. Бетонирането може да стане и с пръскан бетон. Армировката може да бъде във вид на пръти и стремена, мрежи или стоманени плочи. При първите два случая усилването е без допълнителни отвори, докато при изполването на стоманени плочи се налага направата на такива. В този случай е изключително важно да се определи дали конструкцията е в състояние да понесе товарите от собствено тегло, имайки предвид намаленото напречно сечение поради пробиването на отворите, или ще се наложи допълнително изграждане на укрепителна система до монтажа на стоманените плочи. Друг важен момент се явява местоположението на отворите – те не трябва да съвпадат със съществуващата армировка, за да не бъде тя повредена при пробиването им. Обикновено стоманените плочи се монтират от долната страна на плочата – от страната на опънатите нишки. Бетонът има малка носимоспособност на опън и вероятността от получаване на пукнатини, вследствие огъване на това място е най–голяма. Съединителните средства са болтове или анкери.

Усилване със стоманобетонен „кожух”

Когато е налице достъп до всички страни на елемента, може да се изпълни така нареченият стоманобетонен „кожух”. Този метод обикновено се прилага при вертикални елементи – колони, стълбове или стени. Важно е да бъде осигурена връзката между новите материали и стария елемент, чиято повърхност предварително се почиства и награпавява за осигуряване на сцепление с новия бетон. Впоследствие се монтира изцяло нов скелет от армировъчна стомана и се бетонира.
Този метод трябва да се използва с повишено внимание при усилване на елементите на мостове. По принцип с увеличаване на напречното сечение, се повишава коравината, което от своя страна води до увеличаване на усилията при неопределимите системи, а сеизмичната сила, която се поема от усилените по този начин елементи от долното строене се увеличава дори и при определимите конструкции. Трябва да се отбележи, че с добавянето на материали се повишава собственото тегло на конструкцията, поради което се влошава цялостното поведение на конструкцията при земетръс.

Най–често с добавяне на армировка и бетон се усилват фундаментите на мостовите конструкции. Това се налага, когато е налице недостатъчна носимоспособност на основната фуга. Усилването може да се състои в увеличаване сечението на фундамента, като се изпълнява допълнителен армировъчен скелет от всички страни, до които има достъп и след това се бетонира. За връзка с новите материали могат да се използват анкери, монтирани в специално подготвени отвори в съществуващия фундамент, запълнени с епоксидни разтвори. Стоманобетонните фундаменти могат да бъдат усилени и с направата на пилоти и допълнителен пласт стоманобетон към съществуващия елемент.

Усилване със стоманен „кожух”
Стоманеният „кожух” се състои от тънки стоманени листове, заварени към стоманени ъгли, монтирани в краищата на даден елемент от конструкцията. Върху стоманените листове се изпълнява кожух от монолитно излят бетон или от торкрет бетон. По този начин се подобряват носимоспособността, коравината и якостта на срязване на елементите. За увеличаване на огъвателната коравина на плочи и стоманобетонни елементи могат да се използват и самостоятелни стоманени плочи, прикрепени плътно към стоманобетонната повърхност, чрез епоксидни лепила. От основно значение за ефективността на подобен вид усилване е качеството на използваните лепила.

Външно предварително напрягане
Усилването на стоманобетонните мостови конструкции може да се осъществи чрез външно предварително напрягане. По този начин се увеличава носещата способност на конструкциите при повишени полезни товари от увеличен трафик. Компенсират се загуби на носеща способност, провисвания и пукнатини в конструкциите. Увеличава се както огъвателната коравина, така и носимоспособността на срязване. При прилагането на подобен вид усилване трябва да се предвиди изграждането на специални закотвящи и отклонителни устройства за напрягащите кабели, както и да се предвиди защитата от корозия на напрягащата армировка със специални смазки. Направата на такъв вид усилване е сравнително сложна и трудоемка задача, изискваща прецизно изпълнение.

Усилване с ленти от специални тъкани FRP
Все по-широко разпространен метод за усилване на стоманобетонни конструкции, който се използва и при мостовете, е с прилагане на ленти от специални тъкани. Тъканите представляват полимерни композити, армирани с нишки – въглеродни, стъклени или арамидни. В зависимост от вида на армиращия материал се формират разпространените в практиката наименования за различните видове тъкан – CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) – за тъкани, армирани с въглеродни нишки, АFRP (Аramid Fiber Reinforced Plastic) – за тъкани, армирани с арамидни нишки и GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) – за тъкани, армирани със стъклени нишки. Композитният материал се състои от много на брой нишки, ориентирани в определено направление и съединени помежду си в матрица от свързващо вещество, което обикновено е смола. Матрицата служи за обединяване и предпазване на нишките, като разпределя усилията между тях. Самите нишки са основният носещ елемент. Те могат да бъдат разположени само в едно или в две направления и обичайно се произвеждат под формата на ленти с много малка дебелина – около 1mm. Физико–механичните свойства на лентите се определят от вида и качествата на армиращите нишки, като могат да варират в широки граници.

Въглеродните нишки се произвеждат от нефтена или каменовъглена смола, която се втвърдява чрез нагряване. Този вид нишки са изключително еластичен и високоякостен материал, с голяма устойчивост на химично и атмосферно въздействие. Коефициентът на топлинно разширение на въглеродните нишки е нисък, а якостта им на умора е висока.

Арамидните нишки притежават висока еластичност при опън, но поведението им при натиск е нелинейно и пластично, което ги прави подходящи за прилагане в надлъжно направление. Устойчивостта им на умора и повреди също е висока.

Стъклените нишки са най-евтиният и икономичен материал за производство на специални усилени тъкани. Физико–механичните им качества са най-ниски в сравнение с другите видове нишки.

Свързващо вещество, или така наречената матрица, служи за свързване и разпределяне на натоварването между нишките, както и за предпазването им от корозия под въздействието на околната среда. Матрицата не позволява нишките да се изкълчат при натисково натоварване. Най–често матрицата се състои от термоактивна пластмаса или от термопластична пластмаса. В състава й влизат и различни видове смоли, като с най–добри качества са епоксидните смоли. Якостта на натиск и срязване на усилващите ленти също зависят до голяма степен от характеристиките на матрицата.

Връзката между стоманобетонните елементи и композитния материал се осъществява посредством специални лепила. Те трябва да притежават определени якостни характеристики за осигуряване на съвместно действие, като за целта трябва да поемат възникващите срязващи сили. Обикновено лепилата са на базата на епоксидна основа и се получават при смесването на епоксидна смола и втвърдител. Необходимо е при полагане на лепилото да се спазва специална технология. Този тип лепило притежава определен срок на годност след смесването, преди материалът да се втвърди. След нанасяне на лепилото върху повърхностите, които трябва да бъдат съединени, трябва също да бъде спазен определен срок, който не трябва да се надвишава. Важно условие по време на монтажа е температурата, при която се изпълнява. Над определена температура епоксидното лепило променя състоянието си от твърдо и стъкловидно в каучукообразно, което може да доведе до намаляване на свързващата му способност.

Широкото навлизане на технологията се обуславя от редица предимства, които системата притежава, в сравнение със стандартните методи за усилване. Като пример може да послужат стоманобетонните „кожуси”. Изпълнението им е трудоемко и изисква сравнително дълъг срок на строително–монтажните работи, в които обикновено се включва монтаж на армировка и кофраж, подготовка на повърхностите, полагане на бетон, за чието свързване се изисква технологично време. Нерядко се налага спиране на движението по мостовото съоръжение. При използването на стоманени листове монтажът е затруднен, поради голямото им собствено тегло, необходимостта от изпълнение на качествена връзка между стоманените листове и бетона, както и необходимостта от направа на скеле или временно укрепване. Увеличеното собствено тегло на конструктивните елементи след добавянето на материали за усилване, както и увеличената коравина също могат да се окажат проблем. При използването на ленти от специални тъкани за усилване на мостове, голяма част от изброените по-горе недостатъци могат да бъдат избегнати. Дебелината на усилващите ленти е много малка – от порядъка на милиметри, с което на практика напречните сечения на елементите не се увеличават. Благодарение на много малкото собствено тегло не се променя собственото тегло на конструкцията, както и коравините, а оттам и усилията в елементите. Това предимство улеснява и монтажните работи - не се изисква специална механизация за доставка и монтаж на усилващия материал на обекта, като полагането на лентите е максимално опростено.

Когато е необходимо да се изпълни усилване на конструктивни елементи за огъващи моменти, лентите се разполагат от страната на опънните усилия, при което изпълняват ролята на допълнителна надлъжна армировка. Това се постига благодарение на високата якост на опън, която FRP-лентите притежават. Тя е по-висока от якостта на опън на армировъчната стомана, но носещата способност на натиск е незначителна. Когато се разполагат като външни стремена, лентите увеличават носимоспособността на елементите за напречни усилия. За усилване на вертикални елементи – стълбове от долното строене на мостовите конструкции, които са подложени основно на натиск, усилващите ленти се омотават по външната повърхност, с което се постига аналогия на спирално армиране.

Не на последно място е важно да се отбележи дълготрайността на FRP–системите за усилване. Когато монтажът им е изпълнен съобразно технологичните изисквания, експлоатационният им срок е сравним с този на другите видове усилване. За сравнение – времето необходимо за полагането им е в пъти по-кратко. От определящо значение за дълготрайността на системата е връзката и съвместното действие на лентите с основата. Качеството на връзката зависи преди всичко от състоянието на основата, върху която се полагат лентите, както и от качеството и дълготрайността на материалите, вложени в усилващия композитен материал. Високите атмосферни температури могат да доведат до отслабване на лепилото, поради което системата трябва да бъде защитена допълнително с противопожарен покриващ материал. За защита от ултравиолетовото слънчево лъчение е достатъчно да бъде изпълнено покритие от светла боя на акрилна или полиуретанова основа. FRP–материалите имат отлична устойчивост на пълзене и умора. Пълзенето на материала е проблем единствено при лентите с арамидни нишки. Деформациите при елементите, усилени с такива материали, не трябва да се пренебрегват. Композитният материал с въглеродни нишки на практика не пълзи, а при този със стъклени деформациите са незначителнои, но при постоянно, продължително натоварване на опън съпротивлението на последните намалява драстично, което може да доведе до преждевременно разрушаване. Висока устойчивост на динамично натоварване от удар притежават единствено арамидните нишки, поради което FRP – материалите с такива нишки могат да се използват за усилване на мостовите стълбове срещу удар от превозни средства. Важно е да се отбележи, че при контакт на въглеродни нишки със стомана се получава химическа реакция с индуциране на ток, поради което трябва да бъде изпълнена електрическа изолация между метала и въглеродните нишки и да се избегне директен контакт. За подобна изолация може да послужи слой от стъклени или арамидни нишки.

Въпреки всички изброени предимства, полимерните композитни материали не бива да бъдат възприемани като единствен материал за усилване с пренебрегване на останалите методи и традиционни материали. Всички физико–механични качества на материалите трябва да бъдат добре познати и внимателно сравнени, в зависимост от специфичните изисквания във всеки конкретен случай. Необходимо е при проектирането на дадено усилване да бъде направена оценка на предимствата и недостатъците на всяка една система, като се отчетат разнообразни фактори, включително технологичност, дълготрайност и икономичност на методите. Всеки отделен случай на усилване на мостово съоръжение трябва да се разглежда като индивидуален и да бъде много внимателно проучен. Проектирането на ремонтно–възстановителни работи на мостове изисква висока квалификация, като често проектът за ремонт може да се окаже по-сложен и обемен от проекта за едно ново съоръжение.