Admin

Опыт и перспективы использования полимерных композитных конструкций

КАПТЕЛИН С.Ю., Петербургский государственный университет путей сообщения, канд. техн, наук

Одним из инновационных направлений совершенствования строительных конструкций транспортных сооружений является замена традиционных материалов — металла и железобетона — полимерными композитными (ПКМ), состоящими из двух основных компонентов: связующей матрицы и армирующего наполнителя. В качестве наполнителя широко применяются стеклянные и углеродные волокна, благодаря которым композитные материалы получили свое название: стеклопластики и углепластики.


Преимущества конструкций из ПКМ:

• долговечность, обусловленная устойчивостью композитных материалов к агрессивным воздействиям внешней среды;
• небольшая масса при плотности 1,4—2,1 г/см3 (примерно в 4 раза меньше, чем у алюминия или железобетона, и в 3 раза меньше, чем у стали), что уменьшает постоянные нагрузки на сооружение, снижает транспортные расходы по доставке конструкций к месту строительства и затраты на их монтаж. По данным ГК «РУСКОМПОЗИТ», масса цельнокомпозитных пролетных строений пешеходных путепроводов при ширине 3 м и длине 20,5 и 26 м составляет соответственно 15 и 19 т, а железобетонных конструкций такой же длины — 66 и 91 т;
• ускоренные сборка и монтаж, особенно в случае применения крупноблочных элементов, за счет выполнения на строительной площадке только сборочных операций, а также возможность строительства при любых погодных условиях;
• минимальные эксплуатационные расходы в течение всего срока службы сооружения, поскольку композитные конструкции не подвержены коррозии, свойственной металлическим и железобетонным конструкциям, и не изменяют со временем своих физико-механических характеристик;
• хорошие теплоизолирующие свойства (могут эффективно применяться в условиях крайнего севера для сохранения вечной мерзлоты), так как коэффициент теплопроводности стеклопластика в 160 раз меньше, чем у стали;
• незначительные изменения геометрических размеров при температурных колебаниях, так как коэффициент линейного температурного расширения углепластиков меньше, чем древесины, что также снижает температурные напряжения;
• высокая удельная прочность (отношение расчетного сопротивления материала к его плотности), обеспечивающая большую несущую способность конструкций.

На рис. 1 представлены различные конструкционные материалы и указана длина конструкций, при которой они начинают саморазрушаться под воздействием собственного веса.
Основным недостатком ПКМ является ярко выраженная анизотропия свойств, как в отношении деформации, так и в отношении прочности, что необходимо учитывать при проектировании сооружений. К тому же у стеклопластиков модуль упругости в три раза меньше, чем у стали, что увеличивает де-формативность строительных конструкций. Углепластики лишены этого недостатка.
Отмечается также чувствительность полимерной матрицы к ультрафиолетовому излучению, вызывающему старение материала. Этот недостаток устраняют, нанося защитное светоотражающее покрытие.
Конструкции из ПКМ дороже стальных и железобетонных аналогов, что также ограничивает их широкое применение. По данным ГК «РУСКОМПОЗИТ», стоимость композитных пролетных строений на момент их отгрузки в 1,5—2 раза выше, чем железобетонных. Однако предполагается, что за первые 10 лет эксплуатации расходы на содержание объектов с применением конструкций из ПКМ будут в 12-15 раз меньше, чем железобетонных или металлических, а срок эксплуатации композитных пешеходных переходов мостового типа, без вложений в капитальный ремонт, составит не менее 50 лет.

В транспортном строительстве ПКМ на основе высокопрочных силикатных или углеродных волокон начали применять в XX в. В настоящее время из них изготавливают разнообразные конструкции [1— 3]: лотки водоотводящих и дренажных систем; колодцы ливневой канализации; профильные элементы (ГОСТ 33344—2015); секции настилов для пешеходных и автодорожных мостов и путепроводов (ГОСТ 33376—2015); лестничные сходы; перильные ограждения; арматуру периодического профиля и арматурные сетки для армирования бетонных конструкций (ГОСТ 31938—2022); системы внешнего армирования для ремонта и реконструкции железобетонных конструкций; павильоны станций; опоры освещения и ЛЭП (ГОСТ Р 58018-2017); стойки для дорожных знаков, светофоров, дорожных указателей, информационных стендов (ГОСТ Р 52282-2004); водопропускные трубы (ГОСТ 33123—2014); люки колодцев (ГОСТ 3634-2019); георешетки для укрепления конусов насыпей (ГОСТ Р 56708—2015); балки (НСВ) длиной 9, 12, 18 и 24 м; несъемную опалубку для формования железобетонных конструкций; плиты для укрепления основания насыпей в зоне вечной мерзлоты; шпунт композитный полимерный (ГОСТ Р 57942—2017); конструкции для пешеходных мостов и путепроводов (ГОСТ 33119—2014).
В XXI в. ПКМ начали применять в мостостроении, пока в небольших мостовых сооружениях, преимущественно пешеходных.

Первые композитные пешеходные путепроводы были построены в России с использованием полтру-зионных* профилей. В ноябре 2004 г. у платформы Чертаново был построен пешеходный путепровод через путь Павелецкого направления Московской дороги (рис. 2). Расстояние между шкафными стенками устоев — 41,4 м. Схема пролетов: 13,2+15+13,2 м. В поперечном сечении путепровода установлены две главные фермы высотой 1,81 м с расстоянием между осями 3,14 м. Монтажные соединения элементов главных ферм и элементов продольных и поперечных балок — клееболтовые с использованием стальных фасонных изделий.
В июле 2005 г. у платформы Косино через I—IV главные пути направления Москва—Рязань был сооружен второй пешеходный путепровод с двумя пролетными строениями длиной по 17 м, тремя лестничными сходами, изготовленными из пултрузионных стеклопластиковых профилей (рис. 3). Полная длина путепровода составила 47,0 м; ширина пешеходной части — 5,0 м. В поперечном сечении путепровода расположены три главные несущие фермы высотой 1,60 м.


Пешеходы проходят по сплошному настилу из ПКМ с верхним износостойким покрытием.
В 2010 г. на 29+600 км через Можайское шоссе в поселке ВНИИССОК Одинцовского района Московской обл. сдан в эксплуатацию пешеходный путепровод (рис. 4) с пролетным строением длиной 31,4 м. В поперечном сечении пролетного строения расположены две главные несущие фермы высотой 3,612 м, по верхним поясам которых устроены продольные связи с треугольной решеткой, а в уровне нижних поясов расположена пешеходная часть шириной 3 м.

Сотрудники Научно-исследовательского института мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта (НИИ мостов) провели обследования, статические и динамические испытания пролетных строений указанных путепроводов. В отчете по результатам обследования указано, что конструкции композитных пролетных строений не требуют дополнительных эксплуатационных затрат, но отмечен незначительный рост прогиба главных ферм за три года эксплуатации.
В ходе испытаний пролетное строение путепровода через Можайское шоссе выдержало нагрузку, составившую 70,14 % расчетной пешеходной нагрузки интенсивностью 400 кгс/м2. Максимальные вертикальные прогибы пролетного строения от испытательной нагрузки составили 26,11 мм, что в три раза меньше расчетных значений, регламентированных СП 35.13330.2011:

-Д-1= 4^30800 = 77 мм.
400 р 400
Максимальные напряжения от испытательной нагрузки в нижнем и верхнем поясах фермы, опорном раскосе, опорной стойке и пешеходном настиле пролетного строения составили 13 % расчетного сопротивления стеклопластика марки СП ПС на изгиб, что свидетельствуют о достаточном запасе прочности элементов. Динамические испытания пролетного строения показали, что период его собственных вертикальных колебаний находится вне диапазона периодов колебаний (0,45—0,60 с), запрещенных СП 35.13330.2011.
В 2011 г. при совместном участии Союзкомпозита ООО ГК «Рускомпозит» и ОАО ЦНИИС разработали стандарт организации СТО 00204961-004-2011 «Пешеходные мосты и путепроводы. Технические условия», в котором установлены требования для крупноблочных композитных пешеходных мостов и путепроводов, изготовленных с применением метода вакуумной инфузии**.
С 2013 г. построено несколько композитных пешеходных мостов и путепроводов, конструкции которых изготовлены этим методом, длинной от 16 до 51 м, шириной 3 м, с пролетами от 16 до 26 м: на 25 км трассы Ml «Беларусь» (рис. 5); в селах Старо-балтачево, Ленино, Хрущевка, Подгорное, Верхний Карачан; в городах Псков и Уфа.

Первый в России автодорожный мост построен через р. Пашенка летом 2014 г. В поперечном сечении моста установлены шесть главных балок с параллельными поясами из тавровых композитных профилей и решетчатыми стенками, по типу ферм Тауна, из полосовых композитных ламелей в середине пролета и сплошными стенками из композитного листа возле устоев. Балки соединены поперечными крестовыми связями из уголковых композитных профилей. Все соединения элементов болтовые. На главные балки опирается железобетонная плита проезжей части (рис. 6).
На форуме «Армия-2020» была представлена опытная модель временного моста ТММ-7 с пролетным строением, на 80 % состоящим из современных легких композитных материалов, длиной 16 м, с расчетной грузоподъемностью 60 т.

Проектировщики следят за техническим состоянием построенных мостов и пока с осторожностью относятся к новому материалу, который к тому же пока дороже традиционных конструкционных материалов.
Основываясь на накопленном опыте проектирования и строительства композитных пешеходных мостов в России, разработаны национальные стандарты, регламентирующие применение композитов в несущих конструкциях пешеходных мостовых сооружений (ГОСТ Р 54928-2012, ГОСТ 33119-2014, ГОСТ 33376-2015), методический документ ОДМ 218.2.093-2019 с рекомендациями по оценке технического состояния и подтверждению эффективности применения конструкций из полимерных композиционных материалов на автомобильных дорогах, разработаны и находятся на утверждении проекты изменения СП 35.13330.2011, СП 46.13330.2012, СП 79.13330.2012.

Наличие системы нормативных документов, стандартов организаций, национальных и межгосударственных стандартов и сводов правил создает условия для широкого применения полимерных композитных материалов в транспортном строительстве.

Список источников

1. Полиновский В.П. Полимерные композиционные материалы для пролетных строений пешеходных мостов и переходов // Дороги. 2013. № 32. С. 86—91.
2. Жиленко Д.С. Структура и динамика развития мирового рынка композиционных материалов и конструкций // Актуальные проблемы в области создания конструкций из композиционных материалов в работах молодых специалистов АПАТЭК. М.: ЦАГИ, 2007. Вып. 4. С. 5-7. (Труды НПП «АпАТэК»),
3. Современные конструкции мостов из стеклопластиковых материалов / А.С. Бейвель, А.Е. Ушаков, Ю.Г. Кленин, А.В. Панков, Е.С. Одинцов, Ф.В. Винокур, С.В. Боханова // Научные проблемы мостостроения. М., 2007. С. 136—156. (Труды ОАО ЦНИИС; вып. 240).

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК