Особенности армирования центрифугированных опор контактной сети

Опоры кольцевого сечения отличает та особенность, что в них арма­турные элементы расположены равномерно с заданным шагом по всей длине окружности, отстоящей от наружной поверхности опор на тол­щину защитного слоя бетона. Такое расположение арматуры обеспечивает одинаковую несущую способность опор в любом направлении. Это свойство опор упрощает их установку, исключает ошибки при монтаже поддерживающих конструкций, позволяет повысить устойчивость кон­тактной сети в аварийных режимах.

Количество устанавливаемой в опорах арматуры в зависимости от ее вида и уровня нагрузок на конструкции определяется расчетом. В качестве методологической основы расчетов используется метод расчета по предельным состояниям. В соответствии с этим методом опоры должны удовлетворять требованиям расчета:

• по несущей способности, или по предельным состояниям первой группы;

• по пригодности к нормальной эксплуатации, или по предельным со­стояниям второй группы.

Расчет несущей способности, или расчет по предельным состояни­ям первой группы, должен обеспечить сопротивление опоры разруше­нию под совместным действием силовых факторов и неблагоприятных воздействий внешней среды (температурно-влажностных воздействий, вибраций от движущихся поездов, агрессивных влияний окружающей среды и т. п.). Расчет по пригодности к нормальной эксплуатации, или но предельным состояниям второй группы, должен обеспечить стой­кость опоры к образованию поперечных трещин, к чрезмерным дефор­мациям или прогибам в уровне контактного провода.

Из двух групп расчетов в настоящее время при проектировании но­вых и привязке типовых опор основным является расчет опор по тре­щиностойкости и деформативности. Этот расчет опор, проводимый на воздействие нормативных нагрузок и удовлетворение требовани­ям по трещиностойкости и деформативности, автоматически реша­ет задачу удовлетворения требованиям по их несущей способности. Экспериментальные исследования и испытания опор показали вы­сокую степень сходимости результатов расчета опор по отмеченным предельным и фактическим показателям трещиностойкости, дефор­мативности и прочности центрифугированных железобетонных опор контактной сети.

При проведении расчетов опор, определении их параметров и усло­вий эксплуатации важнейшим фактором является выбор и назначение вида и класса прочности рабочей арматуры. В практике проектирования

 

45

 

Глава 2. Железобетонные опоры

и изготовления центрифугированных опор используется в основном арматура двух видов: стержневая и проволочная арматурная сталь. Из стержневой арматуры наибольшее распространение получили горячека­таные стержни периодического профиля, выполняемые из стали класса А-III. Эта арматура использовалась в основном в ненапряженных желе­зобетонных опорах, получивших название ЖБК. В последнее время этот вид арматуры применяется также при армировании предварительно-напряженных опор со смешанным армированием, носящих марку СС. Арматура этого вида отличается достаточно высокой прочностью, она обладает высокой пластичностью и вследствие этого нечувствительна к различным концентраторам напряжений, возникающих при коррозион­ных воздействиях. При этих воздействиях ее механические прочностные характеристики не изменяются, а также не возникает опасности водо­родного растрескивания.

Стержневая арматура более высоких классов используется также для армирования и предварительно напряженных центрифугированных опор. В качестве предварительно напряженной арматуры применяют­ся стержни периодического профиля классов А-IV и А-V Таким видом стержней армированы предварительно напряженные опоры типа СП и СТ. Причем вследствие более высокой чувствительности стержневой арматуры класса А-V к коррозионному растрескиванию из-за водород­ного охрупчивания опоры с нею используются в основном на участках переменного тока.

Весьма широкое распространение получил и другой вид арматуры для армирования центрифугированных опор контактной сети, а именно проволочная арматурная сталь. Из этого вида арматуры следует выде­лить прежде всего арматурную холоднотянутую проволоку класса В_р-П. Эта проволока, изготовленная из низколегированной стали путем хо­лодной протяжки через фильеры, обладает высокой прочностью на рас­тяжение, причем величина прочности зависит от диаметра проволоки. Чем меньше диаметр проволоки, тем более высокой прочностью она об­ладает. В частности, при диаметре 4 мм ее нормативное сопротивление растяжению, за которое принимается наименьшее значение условного предела ее текучести при остаточном относительном удлинении 0,2%, составляет 1400 МПа, а для проволоки диаметром 5 мм аналогичное со­противление равно 1280 МПа.

Высокое сопротивление растяжению отмеченной арматурной про­волоки создает определенные особенности условий ее применения. Основной особенностью этой арматуры является то, что она не может использоваться в качестве рабочей в обычных конструкциях и ее эф­фективное применение в конструкциях может быть достигнуто только с предварительным напряжением. Степень предварительного напряже­ния проволочной арматуры в опорах контактной сети выбирается та-

 

46

 

Глава 2. Железобетонные опоры

ким образом, чтобы возникающие под нормативной нагрузкой в рас­тянутой зоне сечения растягивающие напряжения в бетоне не превы­сили его прочности на растяжение и в нем не образовались поперечные трещины. С другой стороны, степень предварительного напряжения арматуры должна назначаться с учетом нормативного сопротивления проволоки растяжению и напряжения натяжения с учетом допусти­мых отклонений от номинала не должны превышать величины этого сопротивления.

3.4. Влияние предварительного напряжения арматуры на стойкость центрифугированных опор

Наиболее важным требованием к степени предварительного на­пряжения арматуры является непревышение установленного уровня обжатия бетона при передаче напряжений от арматуры на бетон. Как известно [10], при передаче на бетон возрастающей сжимающей на­грузки в нем происходят определенные структурные изменения, характеризуемые так называемыми параметрическими точками процесса деформирования — нижней R ⁰ и верхней К⁰ границами области микротрещинообразования в бетоне. При достижении нижней границы К⁰, составляющей 0,4 — 0,5 прочности бетона, в последнем начинает раз­ виваться интенсивное микро-трещинообразование на контакте круп­ною заполнителя и цементного камня (микротрещины сцепления). При дальнейшем увеличении нагрузки и достижении верхней грани­
цы R⁰ начинается не менее интенсивное микротрещинообразование в цементном камне. Возникающие микротрещины соединяются с ми­кротрещинами контактной зоны в непрерывные микротрещины. Последние затем перерастают в макротрещины, приводящие к разруше­нию бетона. В опорах это проявляется в образовании видимых про­
дольных трещин.

Из двух параметрических точек процесса деформирования бетона наиболее важное значение имеет нижняя граница микротрещинообразования. После достижения сжимающими напряжениями этой границы резко изменяются основные свойства бетона, обеспечивающие его доли точность и другие эксплуатационные свойства. В частности, при на­
пряжениях сжатия, превышающих нижнюю параметрическую точку R ⁰, резко снижается морозостойкость бетона, повышается проницаемость, увеличивается водопоглощение. В связи с этим для обеспечения требуемой долговечности и надежности опор устанавливается, что отношение сжимающих напряжений в бетоне в стадии предварительного обжатия его предварительно напряженной арматурой к величине передаточной
прочности бетона не должно превышать: значения 0,65 для опор, экс-

 

 

47

 

Глава 2. Железобетонные опоры

плуатирующихся при расчетной зимней температуре наружного воздуха - 40 ⁰С и выше; величины 0,5 для опор, эксплуатирующихся при расчет­ной зимней температуре наружного воздуха ниже - 40 ⁰С.

Для большинства марок предварительно напряженных опор эти тре­бования по уровню обжатия бетона на стадии проектирования и изготов­ления, как правило, выполняются. Однако под влиянием эксплуатаци­онных факторов прочность бетона опор на сжатие снижается, отмечен­ные значения уровня обжатия бетона повышаются, и по этой причине интенсифицируется процесс микротрещинообразования в бетоне. О наличии такого процесса свидетельствуют результаты ультразвуковых обследований опор.

При выборе уровня обжатия бетона и степени натяжения арматуры необходимо учитывать условия передачи предварительного напряжения на бетон и анкерования арматуры в бетоне. Это обстоятельство в первую очередь касается высокопрочной проволочной арматуры.

Предварительное натяжение этой арматуры осуществляется домкра­тами с передачей натяжения на опоры, находящиеся на оголовках форм. После укладки, уплотнения, твердения бетона и достижения им необ­ходимой прочности, контролируемой по испытаниям кубиков, произ­водится обрезка проволоки на упорах, и предварительное напряжение передается на бетон. Для возможности передачи напряжений на бетон арматура в зоне контакта с бетоном должна обладать надежным и вы­соким сцеплением с ним. В принципе это сцепление образовано дву­мя составляющими: первая составляющая обусловлена склеиванием поверхности арматуры с цементным камнем и небольшим обжатием проволок вследствие усадки бетона. Вторая составляющая связана с механическим зацеплением выступов периодического профиля арма­туры. Из этих двух составляющих первая из-за невысокой прочности склеивания (в пределах 0,5 МПа) практически не играет существенной

 

 

Рис. 2.10. Давление на бетон в зоне анкеровки арматуры после отпуска натяжения

 

 

48

 

Глава 2. Железобетонные опоры

роли в анкеровке арматуры в бетоне и передаче предварительных на­пряжений на бетон. В связи с этим, в частности, гладкая предваритель­но напряженная проволока проскальзывает в бетоне, теряет свое предварительное напряжение, в результате чего исчезает предварительное обжатие бетона. По данным ряда исследований [11], при использовании гладкой проволоки в качестве напрягаемой арматуры ее предваритель­ное напряжение исчезает в течение примерно двух лет, и после этого конструкции становятся ненапряженными и непригодными к эксплуатации. В силу этого гладкая проволочная арматура не рекомендуется для применения в опорах контактной сети, а также и в опорах линий автоблокировки.

Главную роль в сцеплении арматуры и бетона играет периодический профиль арматуры, обеспечивающий за счет механического зацепления выступов арматуры в бетоне высокую прочность сцепления и возможность стабильной передачи предварительного напряжения на бетон. При этом передача этого напряжения происходит в зоне анкеровки, длина которой зависит от уровня напряжения арматуры, значения передаточной прочности бетона и диаметра арматуры. В Частности, для опор несущей способностью 79 кН*м, армированных пысокопрочной проволокой диаметром    5 мм и эксплуатируемых при расчетной зимней температуре воздуха выше - 40 °С, длина анкеровки при предварительных напряжениях, равных 850 МПа, и передаточной прочности бетона в пределах 35 МПа составляет 42 см. В этой зоне после обрезки проволочный арматурный каркас приобретает кони­ческую форму (рис. 2.10), вследствие чего при его продольной деформации в бетоне появляются радиальные расклинивающие напряже­ния, являющиеся одной из причин образования продольных трещин в вершине и комле опор. Для предотвращения появления этих трещин и конструкции центрифугированных опор в вершине предусматривается установка усиливающих колец из стальной (класса А-1) арматуры периодического профиля, а также изменение шага спиральной арматуры. В комле в зоне образования конусообразной конструкции из предварительно напряженных проволок должно предусматриваться также сгущение спиральной арматуры для восприятия возникающих растягивающих напряжений.

Помимо продольной арматуры в опорах, в арматурных каркасах также предусматривается установка поперечной арматуры, выполняемой в виде непрерывной спирали. Эта арматура воспринимает поперечные силы в поперечных сечениях опор, а также способствует частичному восприятию растягивающих напряжений в бетоне, появляющихся при температурно-влажностных воздействиях окружающей среды. Эта ар­ен ура выполняется из обычной стальной (класса В_р-1) проволоки диаметром 3 мм и имеет, так же как и продольная арматура, периодический

 

 

49

 

Глава 2. Железобетонные опоры

 

а)
б) М, кН-м

 

Рис. 2.11. Зависимость несущей способности предварительно напряженной опоры М"

от прочности бетона R.:

 а — опора С-13..6-1; б —опора С-13.63

профиль. Для закрепления рабочей арматуры в расчетном положении в процессе центрифугирования в конструкции опор предусматривается также установка конструктивной арматуры в виде монтажных колец, вы­полняемых из гладкой арматуры (сталь класса А-I). После их установки вся рабочая арматура в местах пересечения с кольцами крепится к ним с помощью вязальной проволоки.

Для конструкции центрифугированных опор, как указывалось вы­ше, особое значение имеет степень предварительного напряжения ар­матуры. Из-за высокого нормативного сопротивления на растяжение наиболее высокую степень предварительного напряжения имеет высо­копрочная проволочная арматура. Контролируемые напряжения в ней, определяемые по окончании натяжения на упоры, достигают величины 800 — 900 МПа. Столь высокий уровень натяжения арматуры является причиной того, что в предельном состоянии по прочности бетона значи­тельная часть предварительного напряжения арматуры оказывается не­погашенной, она остается в растянутом состоянии и способствует уско­ренному разрушению бетона при достижении им предельной прочности. Если учесть, что предельная сжимаемость бетона составляет величину порядка , =0,002, то при модуле упругости стали, равном Е= 2-10⁵ МПа, погашенными в арматуре оказываются только напряжения величиной 400 МПа из действующих после проявления всех потерь напряжений, составляющих около 700 — 800 МПа.

Наличие непогашенных предварительных напряжений в предель­ном состоянии при достижении сжимающими напряжениями величин, соответствующих прочности бетона, является одной из основных при­чин высокой чувствительности несущей способности опор, армирован­ных проволочной арматурой, к изменению прочности бетона (рис. 2.11)

 

 

50

 

 

Глава 2. Железобетонные опоры

и недостаточной из-за этого надежности их и процессе эксплуатации. Для сниже­ния такой зависимости несущей способ­ными опор с проволочной арматурой от И членения прочности бетона в конструк­циях центрифугированных опор стали широко применять смешанное армирование. В этих опорах наряду с напряжен­ной проволочной арматурой устанавли­вается стержневая ненапряженная арматура из стали класса А-Ш (рис. 2.12). Установкой такой арматуры достигаются частичная компенсация происходящего в процессе эксплуатации опор снижения прочности бетона и повышение их на­дежности. В частности, установленное в опоры количество ненапряженной арматуры оказывается достаточным для воспри ятия половины действующего на опоры нормативного изгибающего момента при полной потере бетоном прочности на сжатие.

В связи с неблагоприятными последствиями для несущей способности опор и их надежности применения высокой и пени напряжения арматуры в конструкциях опор типа СП и СТ со стержневой предварительно напряженной арматурой принята степень напряжения арматуры 400-500 МПа, которая обеспечивает в предельном состоянии полное погашение предварительных напряжений. И по поведению в предельном состоянии эти опоры становятся аналогичными опорам ЖБК с обычной ненапряженной арматурой. Последние отличаются малой зависимостью несущей способности от прочности бетона.

Следует отметить также, что все центрифугированные опоры, кро­ме опор типа СТ, по геометрическим параметрам являются однотипными и иными. Решающую роль в обеспечении их несущей способности И надежности играют вид и параметры напряженной и ненапряжен­ной арматуры. В связи с этим совершенствование этих опор как конструкций идет в основном в направлении совершенствования армирования.

  

 

 

51

 

 

Глава 2. Железобетонные опоры

 

Таким образом, центрифугированный бетон и центрифугированные опоры в силу особенностей технологии изготовления и конструктивных особенностей уже на стадии изготовления приобретают ряд свойств, определяющих надежность и стойкость опор в эксплуатации, и эти свойства необходимо учитывать при выборе системы эксплуатации опор. Для обеспечения их надежности необходимо назначать такую степень предварительного напряжения арматуры, при которой эти напряжения в предельной стадии полностью погашаются и опоры в этой стадии работают как конструкции с ненапряженной арматурой.

 

 

52

 

 

                                        

                                            Глава 3