Плавучее средство
FLOATING CRAFT

Предлагаемое изобретение относится к судостроению и к области организации дороги, в частности, к мостопереправочным и плавучим средствам, а именно: к понтонам, предназначенным для строительства сборно-разборных и стационарных дорог на слабых грунтах (торфяниках, болотистых и мерзлых, в том числе вечномерзлых), подвергающихся действию повышенных знакопеременных статических и динамических нагрузок, например, дорожного покрытия или основания дорожных одежд, организации переправ посредством наведения понтонных мостов на реках и болотистых местностях с открытыми участками воды и призванных служить круглогодично, и может быть использовано для перевозки грузов и пассажиров в местах, где обычные мосты отсутствуют или не могут работать, например, при обустройстве водозаборов, выполнении работ на водной поверхности (при подъеме и перемещении грузов, расчистке и углублении дна, бурении скважин, очистки поверхности воды от загрязнений в закрытых водоемах, на мелководье, в болотистых и труднодоступных местах) и пр.
Внедрение новых материалов в дорожное строительство актуально во всем мире. Это связано не только с ростом сети дорог, постоянно растущими требованиями к их качеству, но также и с увеличением требований к природоохранным мероприятиям, увеличением территорий под строительство со сложными геологическими условиями, усложнением климатической обстановки в природе и постоянным ростом конкуренции в строительном бизнесе. Поэтому очень важен поиск и анализ новых разработок в области применения новых строительных конструкций, и, в том числе, более дешевых и технологичных материалов. Последнее важно для бизнеса из-за необходимости увеличения скорости строительства при соблюдении все растущих требований к качеству и долговечности дорог и поддержания их эксплуатационных характеристик.
Одним из перспективных направлений, повышающих как прочностные, так и временные характеристики дорог, является использование в дорожном строительстве армирующих конструкций. В последнее десятилетие при строительстве дорог все чаще применяются полимерные армирующие конструкции. Современные полимеры не только более коррозионностойкие по сравнению с металлами, но и имеют близкие к ним прочностные характеристики. Кроме того, они более технологичны как при создании армирующих конструкций, так и при их установке в дорожном полотне. При этом в качестве материалов может быть использовано не только первичное, но и вторичное сырье, после соответствующей переработки промышленных и бытовых отходов.
Качество дорожного покрытия автомобильных дорог является одним из основных факторов безопасности движения, а увеличение сроков службы дорожных покрытий - одной из стратегических задач дорожной науки. В процессе эксплуатации неизбежно появляются разные повреждения дорожного полотна, такие как трещины разного происхождения, например, отраженные, температурные, силовые, технологические и пр., а также колейность, выбоины, ямы и пр. Основное влияние на работу дорожных покрытий и непосредственно на процессы образования трещин, колейности, ям, выбоин оказывают транспортные нагрузки, комплекс погодно-климатических условий и несоблюдение технологических процессов при укладке всех слоев дорожного покрытия. Имеется значительный объем исследований, в которых проанализированы возможные причины разрушения дорожного полотна. При этом повреждения дорожного покрытия происходят от комплексного влияния внешних и внутренних факторов [1-3].
В частности, излишняя водонасыщенность подстилающего и рабочего слоев основания, а также разница в теплофизических характеристиках всех материалов при климатических перепадах температур приводит к растрескиванию дорожного покрытия и к образованию на нем вспучиваний. Поэтому полотно должно обладать фильтрующей и дренирующей способностью [4].
Одной из основных причин разрушения (образование трещин и колейности) дорожного полотна является прогиб, связанный с недостаточной жесткостью подстилающей поверхности. Стандартные слои песка и щебня равномерно распределяют давление, но не в состоянии выдерживать сильные нагрузки. Эту проблему помогает решить армирование слоя подстилающей поверхности. Этот способ повышает стоимость строительства. Однако, с точки зрения повышения работоспособности и транспортно-эксплуатационных характеристик, армирование является более целесообразным, чем получение единовременной экономии средств [5-9].
Анализ литературных данных показывает, что в США и в странах Западной Европы, где в качестве дорожного покрытия наиболее часто используют бетон, при укладке основания используют чаще всего стальную арматуру [10-13]. В настоящее время данный способ, хотя и является весьма затратным, помогает решать проблемы повышения работоспособности и транспортно-эксплуатационных характеристик, но не решает проблем долговечности вследствие коррозии металла и его высокой стоимости [14].
Последние десятилетия в связи с появлением разных марок асфальтобетонов и развитием производства новых армирующих материалов из полимеров, а также с учетом разнообразия их свойств и технологий изготовления, при армировании дорожных покрытий стали использовать разные виды геосинтетики и композитной арматуры как отдельно, так и в сочетаниях. Это разные виды геотекстиля, геосеток, георешеток. При их производстве используются различные виды полимеров: полиэфирные (РЭТ), полиамидные (РА), полипропиленовые (РР), полиэтиленовые (РЕ и HDPE), поливинилалкогольные (PVA) и пр. Для изготовления композитов используют стекло-, базальтовое, углеродное и арамидное волокна. В технологии изготовления используются склеивание, скрепление прошивной нитью, сплавление, переплетение, вязание и пр. [15, 16].
Известно плавучее средство, состоящее из ряда собранных плавучих элементов из стали, каждый из которых в его нижней части для сборки с другим элементом снабжен двойным дном и двойными стенками, проходящими на расстояние внутрь элемента, трубчатыми каналами, расположенными параллельно и на расстоянии друг от друга в полости двойного дна и двойных боковых стенок и проходящими от внутренней оконечной соединения с другим плавучим элементом поверхности полости и перпендикулярно ее внешней оконечности, при этом плавучая конструкция внутри двойного дна и двойных стенок и вне трубчатых каналов заполнена материалом, выдерживающим давление, предпочтительно бетоном, натяжные тросы или стержни и подобные элементы расположены в трубчатых каналах и проходят от внутренней концевой поверхности элемента к соответствующей внутренней концевой поверхности второго элемента, посредством чего трубчатые каналы после сборки и натяжения натяжных тросов и подобных элементов заполнены нагнетаемым бетоном. Внутренние поверхности в полости плавучего элемента могут быть снабжены сдвигающими ребрами для взаимодействия стали и бетона [17].
Недостатком данного технического решения являются сложность конструкции и утяжеляющие и удорожающие конструкцию используемые материалы (сталь).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является плавучее средство, выполненное составным в виде полностью или частично ячеистой, пористой структуры, упрочненное, по крайней мере, одним ребром жесткости, армирующей структурой, перегородками и содержащее герметичные полости, выполненные с возможностью заполнения их посредством закрываемого крышкой канала, соединяющего полости с внешней поверхностью ячеистой структуры, наполнителем в виде отвердевшего пено- или газоматериала с плотностью меньше плотности воды, и включающем соединяющее средство виде связующего, фиксирующий каркас и наружное покрытие в виде стеклопластика или углепластика [18].
Недостатком данного технического решения являются сложность как самой конструкции, которая состоит из разнообразных элементов (смесь сыпучих материалов в виде волокна, текстиля, фрагментов минералов, пустотелых элементов, например, в виде полых сфер, ребер жесткости и пр.) и используемых материалов (эпоксидная смола, стеклонаполненный полиамид, минералы, металлические прутья, сетки, пружинки, углеродные волокна или ткань и пр.). Жесткость конструкции, при этом, обеспечивается армирующей структурой, также состоящей из разнообразных элементов в виде полых сфер, металлических прутьев или металлической сетки, стекловолокна или стеклоткани, углеродных волокон или углеродной ткани, иных материалов. Вследствие этого известное техническое решение технологически сложно при изготовлении как самих этих разнообразных элементов, так и смесей, требующих нагрева до 150°С в течение 6 часов.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение пространственной жесткости и изгибной прочности при знакопеременных статических и динамических нагрузках, а также технологичности их изготовления и сборки.
Новый технический результат достигается тем, что в плавучем средстве, выполненном составным в виде ячеистой структуры, упрочненной армирующей структурой и содержащей полости, выполненные с возможностью заполнения их посредством закрываемого крышкой канала, соединяющего полости с внешней поверхностью ячеистой структуры наполнителем, соединяющее средство, фиксирующий каркас и наружное покрытие, в отличие от прототипа, армирующая структура выполнена в виде, по крайней мере, одного по вертикали и/или по горизонтали среднего элемента, содержащего наклонно расположенные армирующие стержни из полимерного материала волнообразной формы, образующие в пространстве противоположно ориентированные правильные четырехгранные пирамиды, каждая ячеистая структура выполнена с верхним и нижним элементами в виде сетки, состоящей из квадратов, образованных пересечением горизонтально размещенных армирующих стержней из полимерного материала, причем точки пересечения осей горизонтально размещенных армирующих стержней расположены на центральных осях соответствующих правильных четырехгранных пирамид, и с формой ячейки, образованной соответствующими наклонными армирующими стержнями, с возможным отклонением углов ее правильных треугольников, образованных соответствующими наклонными армирующими стержнями, при этом прямые участки наклонных армирующих стержней наклонены друг к другу под углами, соответствующими углам правильного треугольника в диапазоне значений (60°±5°), а к центральной оси правильных четырехгранных пирамид под углом, соответсвующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид, в диапазоне значений (35°26'±5°), оси наклонных армирующих стержней на их прямых участках расположены на наклонных плоскостях, проходящих через соответствующие противоположные грани соответствующих правильных четырехгранных пирамид и наклоненных к центральной оси правильных четырехгранных пирамид под углом, соответствующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид, при этом число граней ячейки соответствует числу граней соответствующей правильной четырехгранной пирамиды, полости расположены между наклонными армирующими стержнями среднего элемента, соединяющее средство выполнено в виде узловых элементов, образованных пересечением наклонных армирующих стержней с соответствующими горизонтально размещенными армирующими стержнями, фиксирующий каркас закреплен вокруг самой большого по площади ряда ячеистых структур, наружное покрытие выполнено в виде полой усеченной четырехгранной пирамиды, соответствующей по форме и закрывающей совокупность рядов ячеистых структур, и закреплено на фиксирующем каркасе, а, по крайней мере, концы части горизонтально размещенных и/или наклонных арматурных стержней вокруг самой большого по площади ряда ячеистых структур могут быть выполнены с соединительными элементами, обеспечивающими возможность соединения в единый блок отдельных ячеистых структур по вертикали и/или по горизонтали.
Армирующие стержни в сечении могет быть выполнены круглыми или прямоугольными.
Наклонные армирующие стержни волнообразной формы могут быть получены перегибом прямых армирующих стержней с местами перегиба в верхней и нижней части волны.
Места перегиба наклонных армирующих стержней в верхней и нижней части соответствующей волны могут быть выполнены прямыми или дугообразными.
По крайней мере, на части мест перегиба наклонных армирующих стержней могут быть выполнены упорные элементы.
По крайней мере, часть горизонтально размещенных армирующих стержней может быть выполнена с пазами, при этом пазы расположены на расстояниях, соответствующих шагу состоящей из квадратов сетки.
Горизонтально размещенные армирующие стержни, соприкасающиеся с местами перегиба наклонных армирующих стержней волнообразной формы, могут быть расположены между местами перегиба или с возможностью опоры пазами на вершины мест перегиба, или с возможностью опоры на упорные элементы.
По крайней мере, часть узловых элементов может быть выполнена со скрепляющими их армирующими фиксаторами или пластичным полимером.
В качестве наполнителя могут быть использованы пенобетон или газобетон, вспененный или экструдированный пенополистирол, пеностекло.
Армирующие стержни среднего и/или верхнего и/или нижнего элементов и/или узловые элементы могут быть выполнены из композитных материалов на основе базальта или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками.
Плавучее средство может быть выполнено с, по крайней мере, одним съемным якорным элементом.
Плавучее средство может быть выполнено с, по крайней мере, одним съемным поплавком.
Фиксирующий каркас может быть выполнен со стыковочными пазами, обеспечивающими возможность состыковки плавучих средств посредством состыковочных соединительных элементов, устанавливаемых в соответствующих пазах.
Состыковочные соединительные элементы могут быть выполнены в виде соответствующих вкладышей, обеспечивающих возможность состыковки плавучих средств с поворотом относительно друг друга на определенный угол и/или с уклоном относительно друг друга.
В полостях между наклонными армирующими стержнями среднего элемента могут быть размещены трубчатые каналы для натяжных тросов, выполненных с возможностью обеспечения их предварительного натяжения.
Плавучее средство может быть выполнено в виде понтона.
Плавучее средство может быть выполнено в виде дорожного полотна посредством состыковки соответствующих плавучих средств.
Плавучее средство, по крайней мере частично, может быть выполнено монолитным, в едином исполнении.
Плавучее средство монолитным, в едином исполнении может быть выполнено посредством литья.
Полая усеченная четырехгранная пирамида может быть выполнена с плоским или выпуклым дном.
На фиг. 1-6 представлена принципиальная схема плавучего средства.
Фиг. 1 - сборка плавучего средства без фиксирующего каркаса.
Фиг. 2 - сборка плавучего средства с фиксирующим каркасом без предварительного натяжения.
Фиг. 3 - сборка плавучего средства с фиксирующим каркасом для обеспечения предварительного натяжения.
На фиг. 4-6 показана сборка плавучего средства в зависимости от его назначения в целом:
1) дорожное полотно, предназначенное для движения среднего и легкого транспорта, без участков открытой воды (фиг. 4);
2) дорожное полотно, предназначенное для движения тяжелого транспорта и возможным наличием участков дороги с открытой водой (фиг. 5);
3) дорожное полотно со сложным рельефом местности: наличие спусков - подъемов, поворотов, поворотов с уклоном (фиг. 6).
Плавучее средство выполнено составным в виде ячеистой структуры, упрочненной армирующей структурой в виде, по крайней мере, одного по вертикали и/или по горизонтали среднего элемента 1 (фиг. 1), содержащего наклонно расположенные армирующие стержни 2 (вышерасположенный уровень) и 3 (нижерасположенный уровень) из полимерного материала волнообразной формы, образующие в пространстве противоположно ориентированные правильные четырехгранные пирамиды 4, каждая ячеистая структура выполнена с верхним и нижним элементами в виде сетки 5 (фиг. 1, выноска 1-1, выноска 1-2), состоящей из квадратов, образованных пересечением горизонтально размещенных армирующих стержней 6 (продольные стержни) и 7 (поперечные стержни) из полимерного материала, причем точки пересечения осей горизонтально размещенных армирующих стержней 6 и 7 расположены на центральных осях 8 соответствующих правильных четырехгранных пирамид 4 (фиг. 1, выноска 1-2), и с формой ячейки, образованной соответствующими наклонными армирующими стержнями 2 и 3, с возможным отклонением углов ее правильных треугольников, образованных соответствующими наклонными армирующими стержнями 2 и 3, при этом прямые участки наклонных армирующих стержней наклонены друг к другу под углами, соответствующими углам правильного треугольника в диапазоне значений (60°±5°), а к центральной оси правильных четырехгранных пирамид под углом, соответсвующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид, в диапазоне значений (35°26'±5°), оси наклонных армирующих стержней 2 и 3 на их прямых участках расположены на наклонных плоскостях, проходящих через соответствующие противоположные грани соответствующих правильных четырехгранных пирамид 4 и наклоненных к центральной оси правильных четырехгранных пирамид 4 под углом, соответствующим углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид 4, при этом число граней ячейки соответствует числу граней соответствующей правильной четырехгранной пирамиды 4, между наклонными армирующими стержнями среднего элемента расположены полости 9 (фиг. 1, выноска 1-3) с возможностью заполнения их посредством технологического отверстия (канала) 10, выполненного в крышке 11 (фиг. 2) и соединяющего полости 9 с внешней поверхностью ячеистой структуры пористым наполнителем 12 (фиг. 1, выноска 1-3), соединяющее средство выполнено в виде узловых элементов 13 (фиг. 1, выноска 1--4), образованных пересечением наклонных армирующих стержней 2 и 3 с соответствующими горизонтально размещенными армирующими стержнями 6 и 7, фиксирующий каркас 14 (фиг. 1, выноска 1-5) закреплен вокруг самого большого по площади ряда ячеистых структур с возможностью установки в нем крышки 11, а наружное покрытие выполнено в виде полой усеченной четырехгранной пирамиды 15, соответствующей по форме и закрывающей совокупность рядов ячеистых структур, и закрепляют на фиксирующем каркасе 14 (фиг. 1, выноска 1-6).
В плавучем средстве в среднем элементе 1 грани правильных четырехгранных пирамид 4 наклонены к ее центру под углом 35°26', соответствующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид 4, поперек образуемого плавучим средством, например, дорожного полотна, что снимает проблему возникновения дополнительных нагрузок при перепадах температур во внешней окружающей среде.
Отклонение углов правильных треугольников, образованных наклонными арматурными стержнями 2 и 3, правильной четырехгранной пирамиды 4 от значений (60°) приводит к снижению равномерности распределения нагрузок и, как правило, к снижению прочности плавучего средства. В зависимости от используемых материалов и технологий изготовления элементов плавучего средства возможны технологические отклонения (±5°) от оптимальных параметров (60°), которые наблюдаются при изготовлении элементов и сборки плавучего средства. Эти отклонения необходимо учитывать при расчетах прочности конструкции плавучего средства на основе правильных четырехгранных пирамид 4 с учетом оказываемых на них нагрузок и коэффициентов запаса прочности, используемых материалов, выбранной схемы сборки элементов пространственного арматурного модуля, формы рельефа дороги и др.
Узловые элементы 13 могут быть образованы пересечением соответствующих горизонтально размещенных 6 и 7 и наклонных 2 и 3 арматурных стержней волнообразной формы, место перегиба 16 (фиг. 1, выноска 1-1) наклонных арматурных стержней 2 и 3 в верхней и нижней части волны соответствующей может быть выполнено прямой или дугообразной формы. На фиг. 1 (выноска 1-4) показаны варианты выполнения узловых элементов 13. При этом, по крайней мере, на части мест перегиба 16 наклонных армирующих стержней 2 и 3, при необходимости, могут быть выполнены упорные элементы 17.
При необходимости, по крайней мере, часть горизонтально размещенных армирующих стержней 6 и 7 может быть выполнена с опорными пазами 18, при этом опорные пазы 18 расположены на расстояниях, соответствующих шагу состоящей из квадратов сетки 5 (фиг. 2). В частности, показано перекрестие в узлах горизонтально размещенных армирующих стержней 6 и 7 с опорным пазом 18 (фиг. 1, выноска 1-4).
При необходимости, горизонтально размещенные армирующие стержни 6 и 7, соприкасающиеся с местами перегиба 16 наклонных армирующих стержней 2 и 3 волнообразной формы, могут быть расположены между местами перегиба 16 (фиг. 1, 13а выноска 1-4) или с возможностью опоры опорными пазами 18 на вершины мест перегиба 16(фиг. 1, 136, выноска 1-4), или с возможностью опоры на упорные элементы 17 (фиг. 1, 13в, выноска 1-4).
В полостях 9 между наклонными армирующими стержнями 2 и 3 среднего элемента 1 могут быть размещены трубчатые каналы 19 для натяжных тросов 20, выполненных с возможностью обеспечения их предварительного натяжения, при этом на фиксирующем каркасе 14 выполнены смотровые люки (выемки) 21 (фиг. 1, выноска 1-5, фиг. 3) для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния натяжных тросов 20.
В качестве материалов для тросов 20 могут быть использованы стержни и канаты из металла, полимеров (карбон, лавсан), углепластиков.
Армирующие стержни 2, 3, 6, 7 среднего 1, верхнего и нижнего элементов в виде сетки 5 и узловые элементы 13 могут быть выполнены из композитных материалов на основе базальта или углерода или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками.
В качестве полимерного материала для армирующих стержней 2, 3, 6, 7 и трубчатых элементов могут использовать АБС-пластики, ударопрочный полистирол, полипропилен и др.
В качестве композитного материала для армирующих стержней 2, 3, 6, 7 и трубчатых элементов могут использовать, например, «Арматуру композитную полимерную для армирования бетонных конструкций» ГОСТ 31938-2012, например, на основе базальта марки АБП-6.
В качестве полимерного материала с армирующими добавками для армирующих стержней 2, 3, 6, 7 и трубчатых элементов могут использовать, например, наполненный полипропилен с добавками мела, или композиционный материал на основе политетрафторэтилена с добавками отходов производства базальтового волокна [5, 6].
Армирующие стержни 2, 3, 6, 7 в сечении могут быть выполнены круглыми или прямоугольными (на фигурах не показано).
По крайней мере, часть узловых элементов 13 может быть скреплена фиксаторами или пластичным полимером (фиг. 1, 13 г, выноска 1-4).
В качестве фиксатора для армирующих стержней 2, 3, 6, 7 может быть использован, например, специально разработанный для выбранного узлового элемента 13 штампованный фиксатор из полипропилена. Кроме этого, также могут использовать хомуты из нейлона или пластика.
В качестве пластичного полимера для фиксации армирующих стержней 2, 3, 6, 7 и трубчатых элементов может быть использован, например, термопластичный эластомер на основе полипропилена (ТРЕ), пластик RUBBER (резиноподобный).
Полости 9 между наклонными армирующими стержнями 2 и 3 среднего элемента 1 плавучего средства могут быть заполнены наполнителем 12 из пено- или газоматериала с плотностью меньше плотности воды (на фигурах не показано).
В качестве наполнителя 12 могут использовать пено- или газоматериал (с плотностью меньше плотности воды, например, из пенобетона или газобетона, вспененного или экструдированного пенополистирола, пеностекла, других вспененных и газированных материалов), например, гранулированное пеностекло «Пеноситал» и т.п.
Фиксирующий каркас 14а (фиг. 2) и 146 (фиг. 3) может быть выполнен со стыковочными пазами 22, обеспечивающими возможность состыковки плавучих средств посредством состыковочных соединительных элементов 23, устанавливаемых в соответствующих стыковочных пазах 22.
При изготовлении понтонов в виде усеченных четырехгранных пирамид 15 с выпуклым дном 24, они не мешают промерзанию почвы. Понтоны погружаются в почву от трети до половины их высоты. И между ними есть свободное пространство. По ним и поступает холодный воздух под тело дорожного полотна, позволяя грунту полностью промерзать зимой. Форма понтонов в виде усеченных четырехгранных пирамид 15 с выпуклым дном 24, их плавучесть и теплоизоляция при замерзании грунта не позволяет им вмерзать в грунт. На болотистых почвах форма понтонов в виде усеченных четырехгранных пирамид 15 с выпуклым дном 24 и их плавучесть не позволяют опускаться в грунт ниже расчетной линии. Форма понтонов в виде усеченных четырехгранных пирамид 15 с выпуклым дном 24 и глубина их погружения не препятствуют свободному перемещению водных потоков, что особенно важно в дождливый период.
Для усиления данных угловых и боковых пазов в них могут быть установлены, например, методом вклеивания, вставки 25 (фиг. 2, выноска 2-2), выполненные, например, из металла. При последующей сборке полотна дороги из многих плавучих средств в них устанавливают угловые и боковые металлические закладные элементы 26 и, фиксируемые шкворнями (фиг. 2, выноска 2-3). Закладные элементы для упрощения состыковки при сборке полотна дороги из многих плавучих средств выполнены по боковым линиям и углам со скруглениями.
При необходимости, по крайней мере, часть узловых элементов 13 может быть выполнена со скрепляющими их армирующими фиксаторами или пластичным полимером.
При необходимости, плавучее средство может быть выполнено с, по крайней мере, одним съемным поплавком 27 (фиг. 5).
При необходимости, полая усеченная четырехгранная пирамида 15 может быть выполнена с фиксирующим ободком 28 (Фиг. 1, выноска -6), обеспечивающим опору на ней фиксирующего каркаса 14.
При необходимости, полая усеченная четырехгранная пирамида 15 может быть выполнена с плоским 29 или выпуклым 24 дном (фиг. 1, выноска 1-6).
Концы части горизонтально размещенных 6 и 7 и наклонных 2 и 3 армирующих стержней выполнены с дополнительными соединительными элементами, например, со съемными соединительными элементами в виде обжимных муфт, обеспечивающими возможность состыковки отдельных элементов ячеистых структур и ячеистых структур в целом в единый блок (на фигурах не показаны).
При необходимости, плавучее средство может быть выполнено с, по крайней мере, одним съемным якорным элементом 30 (фиг. 5, 6).
При необходимости, упорные элементы 17 на местах перегиба 16 наклонных арматурных элементах 2 и 3 волнообразной формы на горизонтально размещенных 6 и 7 и наклонных 2 и 3 армирующих стержнях могут быть выполнены в едином исполнении. Одновременно в едином исполнении, при необходимости, могут быть выполнены и наклонные армирующие стержни 2 и 3 и узловые элементы 13. Также верхний и нижний (в виде сетки 5) и средний 1 элементы при их изготовлении из композитных материалов на основе базальта или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками, при необходимости, могут быть выполнены монолитными, например, методом литья в соответствующей матрице.
Применение компенсирующих вставок 31 (фиг. 6) между плавучими средствами позволяет при сборке полотна дороги следовать изменениям рельефа грунта, и создавать на полотне дороги подъемы, спуски, повороты, повороты с уклоном. Форма выемок в компенсирующих вставках 31 обеспечивает надежную фиксацию частей дорожного полотна как без применения натяжения посредством натяжных тросов 20, так и с ними.
Плавучее средство работает следующим образом.
Предлагаемую конструкцию плавучего средства, в том числе применимого для строительства дорожного полотна, мостов и пр., начинают со сборки самого большого по площади ряда ячеистых структур среднего элемента 1 на специальном приспособлении, позволяющем фиксировать расположение горизонтальных стержней и не мешать установке соединительных элементов 23 (фиг. 1, выноска 1---7). Средний элемент 1 собирается в виде ячеистой структуры (фиг. 1) по принципу правильных четырехгранных пирамид 4 в единый блок, содержащий наклонные армирующие стержни 2 и 3 из полимерного материала волнообразной формы, образующие в пространстве противоположно ориентированные правильные четырехгранные пирамиды 4 (фиг. 1, выноски 1-1 и 1-2).
На приспособлении проводится сборка нижней сетки 5. Сначала устанавливаются горизонтально размещенные продольные стержни 6, а затем сверху на опорные пазы 18 устанавливаются горизонтально размещенные поперечные стержни 7. При этом соединительные элементы 23 образуют конструкцию из четырех деталей, которые устанавливают с четырех сторон вокруг самого большого по площади ряда ячеистых структур и которые имеют отверстия для установки в них свободных концов горизонтальных стержней 6 и 7 и трубчатых элементов, и отверстия с резьбой для окончательной сборки всех компонентов плавучего средства (фиг. 1, выноски 1---5, 1---6 и 1---7).
Далее на нижнюю сетку 5 устанавливают наклонные армирующие волнообразные стержни 2. При этом места перегиба 16 наклонных армирующих стержней 2 и 3 совмещаются с узловыми элементами 13 сетки 5, и упорные элементы 17 опираются на горизонтально размещенные поперечные стержни 7. При образовании узлового элемента 13 а, горизонтально размещенные арматурные стержни 6 и 7, соприкасающиеся с местами перегиба 16 наклонных армирующих стержней 2 и 3 волнообразной формы, могут быть расположены между местами перегиба 16 (фиг. 1, 13 а, выноска 1---4) или при образовании узлового элемента 13 б - с возможностью опоры опорными пазами 18 на вершины мест перегиба 16 (фиг. 1, 13 б, выноска 1---4), или при образовании узлового элемента 13 в - с возможностью опоры на упорные элементы 17 (фиг.1, 13 в, выноска 1---4).
По крайней мере на часть узловых элементов 13 устанавливают фиксаторы, например, из пластичного полимера (фиг. 1, 13 г выноска 1---4). При этом фиксаторы устанавливают на все крайние узловые элементы 13 сетки 5 и далее на срединные узловые элементы 13. На упорные элементы 17 мест перегибов 16 устанавливают горизонтально размещенные продольные стержни 6 второй сетки 5 и далее устанавливают горизонтально размещенные поперечные стержни 7. На свободные концы горизонтально размещенных стержней 6 и 7 нижней сетки 5 устанавливают соединительные элементы 23.
Следующий вышележащий уровень многоуровневой (многоэтажной) сборки собирается аналогичным способом. При этом фиксаторы устанавливают на все крайние узловые элементы 13 сетки 5 и на часть срединных узловых элементов 13.
Сверху ячеистой структуры опускают наружное покрытие, выполненное в виде полой усеченной четырехгранной пирамиды 15, соответствующей по форме и закрывающей совокупность рядов ячеистых структур, закрепляют его на фиксирующем каркасе 14 из полимерного материала с толщиной стенок 4-8 мм (фиг. 1) и многоуровневую (многоэтажную) сборку опрокидывают на 180°. При необходимости единый блок устанавливают в специальную опалубку.
В качестве материала для изготовления наружного покрытия могут использовать АБС-пластики, ударопрочный полистирол, полипропилен, полидициклодиен (полимерный материал, преимуществами которого являются сочетание высоких прочностных характеристик с химической стойкостью, возможность изготовления из него деталей различной формы и больших габаритов, низкая плотность, хорошая окрашиваемость поверхности, что обуславливает возможность использования полимера в различных сферах машиностроения, химического производства и строительства).
Плавучее средство работает в условиях сложных знакопеременных статических и динамических нагрузок при обеспечении его плавучести. Рабочие характеристики плавучего средства определяются его конструктивными особенностями, массогабаритными характеристиками и качеством многоуровневой (многоэтажной) сборки.
Отклонение углов правильных треугольников, образованных наклонными арматурными стержнями 2 и 3 правильной четырехгранной пирамиды 4 от значений (60°) и углов наклона граней правильных четырехгранных пирамид 4, в диапазоне значений (35°26'±5°) приводит к снижению равномерности распределения нагрузок и как правило к снижению прочности плавучего средства. В зависимости от используемых материалов и технологий изготовления элементов плавучего средства возможны технологические отклонения (±5°) от оптимальных параметров, что возможно при изготовлении компонентов плавучего средства и его сборке. Эти отклонения необходимо учитывать при расчетах прочности конструкции плавучего средства на основе правильных четырехгранных пирамид 4 с учетом оказываемых на них нагрузок и коэффициентов запаса прочности, используемых материалов, выбранной схемы сборки компонентов пространственного арматурного модуля, формы рельефа дороги и др.
Ячеистая структура, собранная по принципу правильных четырехгранных пирамид 4 в единый блок, состоит из большого числа повторяющихся узлов жесткости, аналогичных структуре кристаллов - полуоктаидров, при разных вариантах их сопряжения посредством узловых элементов 13, что создает многоточечные опоры и распределение динамической и статической нагрузок.
Арматурная сборка из четырехгранных пирамид 4 обеспечивает распределение нагрузки из одного узла на многие соседние, то есть на большее, чем в монолитных телах, расстояние. В результате снижается удельная нагрузка.
Нежесткое крепление узлов дает дополнительные степени свободы и за счет этого гасит вибрации, что очень важно для длительного с надлежащим качеством эксплуатации дорожного полотна. Вибрация снижается не только на самой дорожном полотне, но и в окружающей его почве.
Наличие в плавучем средстве армирующих стержней 2, 3, 6 и 7 из полимерного материала и пористого наполнителя 12 обеспечивают повышение пространственной жесткости и изгибной прочности при знакопеременных статических и динамических нагрузках при обеспечении плавучести плавучего средства, создавая, таким образом, условия для длительной с надлежащим качеством эксплуатации дорожного полотна на слабых грунтах и на воде. Кроме того, пористый наполнитель 12 обеспечивает теплоизоляцию и таким образом улучшает возможность эксплуатации дорожного полотна на мерзлых грунтах.
Наружное покрытие, выполненное в виде полой усеченной четырехгранной пирамиды 15 с плоским 28 или выпуклым 24 по форме дном (фиг. 1, выноска 1---6), закрывает совокупность рядов ячеистых структур, имеет ряд отверстий 10 для установки трубчатых каналов 19 и проведения сборки с фиксирующим каркасом 14 соединительными болтами.
Скругление 24 дна наружного покрытия в виде полой усеченной четырехгранной пирамиды 15 обеспечивает выталкивающий эффект при замерзании воды или почвы.
В нижней части прямоугольного основания наружного покрытия в виде полой усеченной четырехгранной пирамиды 15 имеется в своей самой широкой части прямоугольный усиливающий ободок высотой в один уровень армирующей структуры, в котором имеются отверстия для установки сборочных элементов и, при необходимости, трубчатых элементов 19, и на который опирается фиксирующий каркас 14 при его сборке с полой усеченной четырехгранной пирамидой 15 (на фигурах не показан).
Конструкция плавучего средства в виде усеченной четырехгранной пирамиды 15 обеспечивает более равномерное возможное промерзание почвы зимой и оттаивание весной под полотном дороги. Плавучие средства погружаются в почву от трети до половины их высоты и между ними есть свободное пространство. По ним и поступает холодный или теплый воздух под тело дорожного полотна, позволяя грунту более равномерно промерзать зимой и более равномерно оттаивать летом, что снижает проблему пучности дорожного полотна. На болотистых почвах и в открытой воде форма плавучего средства в виде усеченных четырехгранных пирамид 15 и их плавучесть не позволяют опускаться в грунт ниже расчетной линии. Свободное пространство между ними способствует свободному перемещению водных потоков, что особенно важно в дождливый период.
Фиксирующий каркас 14 предназначен для обеспечения прочности конструкции и фиксации всех компонентов плавучего средства при его окончательной сборке и для сборки многих плавучих средств в единое дорожное полотно и его закрепляют вокруг самого большого по площади ряда ячеистых структур. При этом, в зависимости от категории дорожного полотна, рельефа и особенностей подстилающей поверхности дорожного полотна (например, наличие участков открытой воды) фиксирующий каркас выполняют в двух вариантах: 14а (с движением среднего и легкого транспорта, без участков открытой воды (фиг. 1, выноска 1---5 и фиг. 2) и 14б (для дорог с движением тяжелого транспорта и наличием участков дороги с открытой водой) (фиг. 1, выноска 1---5 и фиг. 3).
Для усиления конструкции фиксирующего каркаса 14 на нем может быть установлена окантовка из сваренных металлических уголков (фиг. 2, выноска 2---1).
Предварительно на собранный единый блок устанавливают крышку 11 (фиг. 2, разрез А---А), в которой имеется технологическое отверстие (канал) 10 для заполнения наполнителем 12 (пено- или газоматериалом с плотностью меньше плотности воды) полостей 9, и далее фиксирующий каркас 14 опускают на многоуровневую (многоэтажную) сборку. На фиг. 2 (разрез А---А) показано сечение боковой стенки фиксирующего каркаса 14а, на котором имеются стыковочный паз 22 для установки в него прямоугольного основания усеченной четырехгранной пирамиды 15 наружного покрытия и выемка для установки соединительных элементов 23 с выступом для фиксации крышки 11.
На прямоугольном основании усеченной четырехгранной пирамиды 15 наружного покрытия имеется усиливающий ободок 27, на который опирается фиксирующий каркас 14. Затем проводят стяжку всех компонентов плавучего средства соединительными болтами.
В стенках фиксирующего каркаса 14а выполнены также отверстия для установки в них сборочных болтов для стяжки боковых стенок фиксирующего каркаса 14а (фиг. 2, разрез А---А), прямоугольного основания усеченной четырехгранной пирамиды 15 наружного покрытия и соединительных элементов 23. В углах фиксирующего каркаса 14а и на его наружных боковых поверхностях выполнены угловые и боковые пазы 22 для последующей сборки полотна дороги из многих плавучих средств.
На верхней поверхности фиксирующего каркаса 14 выполнен ряд отверстий, используемых при последующей сборке полотна дороги из многих плавучих средств и установки, например, ограждений и др. строительных элементов (на фигурах не показаны). Для усиления конструкции в отверстия вклеиваются разные втулки, например, из металла (фиг. 2, выноска 2---4). При необходимости, некоторые втулки могут быть выполнены с резьбой.
Для обеспечения возможности последующей разборки плавучего средства, при необходимости, на соединительные болты наносят антиадгезионные смазывающие составы, чтобы исключить прилипание к ним пористого наполнителя 12 и чтобы впоследствии их легко было удалять (фиг. 2, разрез А---А). Антиадгезионные смазывающие составы представляют собой дисперсии силиконов и парафинов в разных растворителях (уайт-спирит, бензин, керосин и др.). Дисперсной фазой являются силиконовые или восковые материалы. Они легко наносятся пульверизатором или кистью.
При сборке плавучего средства с фиксирующим каркасом 14б (фиг. 3) и для обеспечения предварительного натяжения между наклонными армирующими стержнями 2 и 3 внутри самого большого по площади ряда ячеистых структур прокладывают трубчатые каналы 19 через технологические отверстия 10, выполненные в фиксирующем каркасе 146, в усеченной четырехгранной пирамиде 15 наружного покрытия и в соединительных элементах 23. При этом концы трубчатых каналов 19 могут вклеиваться в отверстия прямоугольного основания усеченной четырехгранной пирамиде 15 наружного покрытия (фиг. 3, разрез А---А).
На верхней поверхности фиксирующего каркаса 14 выполнены ряд отверстий 10, используемых при последующей сборке полотна дороги из множества понтонов и установки, например, ограждений и др. строительных элементов (на фиг. 2 не показаны). Для осуществления предварительного напряжения в боковых стенках фиксирующего каркаса 14б (фиг. 3, разрез А---А) выполнены отверстия для установки трубчатых каналов 19, в которых устанавливаются натяжные тросы 20, и смотровые люки (выемки) 21 для установки талрепов.
На фиг. 4 представлен вариант исполнения сборки полотна дороги с движением среднего и легкого транспорта, без участков с открытой водой под полотном дороги, из плавучих средств без предварительного натяжения.
При строительстве дорожного полотна из плавучих средств их устанавливают на предварительно выравненный соответствующий мерзлый грунт, заболоченную почву, водную поверхность.
Плавучие средства могут собирать как последовательно, так и, например, «рогожкой» (фиг. 4, выноска 4---1) для более жесткого и устойчивого состояния большой сборки полотна дороги, при этом длина и ширина, например, соответствующих плавучих средств относятся как 1:2. Это снижает эффект опрокидывания при сильном боковом ветре, или при качке на воде, так как при такой сборке снижаются просветы между фиксирующими каркасами 14 плавучих средств и нет прямого движения воздуха (так называемой аэродинамической тубы) между скосами фиксирующих каркасов 14.
Для соединения плавучих средств используют угловые и боковые закладные элементы, устанавливаются в соответствующие пазы в фиксирующем каркасе 14а, с вкладышами, которые фиксируются шкворнями через соответствующие отверстия (фиг. 4, выноска 4-2). К каждой боковой поверхности фиксирующего каркаса 14а с установленными закладными элементами присоединяют последовательно боковые поверхности следующих плавучих средств без закладных элементов. При этом они совмещаются соответствующими пазами, так что в них вводятся установленные в первом плавучем средстве закладные элементы со скругленными концами, которые в свою очередь также фиксируются в отверстиях шкворнями во вторых (последующих) плавучих средствах. Данная процедура повторяется далее для всех следующих состыковок боковых поверхностей соответствующих фиксирующих каркасов 14а.
При возведении дорожного полотна на слабых грунтах и болотистых почвах для обеспечения устойчивости сборки в местах, где имеются сильные ветры, стабилизации дорожного полотна и снижения влияния как неравномерного распределения нагрузок от транспорта, так и опрокидывающего влияния боковых ветровых нагрузок, используют якорение 29 плавучего средства для снижения влияния ветровых нагрузок.
В качестве элементов якорения 30 и соединительных штанг можно использовать стальную арматуру или разного вида уголковые или другие виды балок, которые углубляются в почву в зависимости от ее состояния на расчетную глубину.
Также, при необходимости, плавучее средство может быть выполнено с, по крайней мере, одним съемным поплавком 27, устанавливаемым с помощью соединительных штанг.
В качестве материалов для соединительных штанг могут быть использованы стержни, трубы или другой прокат из металла.
Элементы якорения 30 и поплавки 27 дополнительно укрепляют сборку плавучего средства. Иначе при сильном боковом ветре возникает эффект опрокидывания из-за формы плавучего средства. Эффект опрокидывания может возникнуть и из-за неравномерного распределения нагрузок на поверхности плавучего средства.
В некоторых участках дорожного полотна, при необходимости, может быть проведено уширение дороги путем установки дополнительных плавучих средств, для организации стояночных мест и разворотных карманов (на фигурах не показано).
На фиг. 5 представлен вариант исполнения сборки полотна дороги с движением тяжелого транспорта и возможным наличием участков дороги с открытой водой под полотном дороги.
Проектирование конструкций с армирующими структурами предусматривает такую важную их особенность как создание предварительного напряжения за счет тросов, что значительно повышает прочность конструкций при разнонаправленных нагрузках (аналог Останкинской телебашни), а также обеспечивает создание конструкций с выступающими элементами и сложной арочной формы. Таким образом, область применения армирующих модулей не ограничивается только строительством и ремонтом автомобильных дорог, но может быть использована при строительстве мостов, путепроводов, надземных и подземных переходов, объектов метрополитена, железных дорог, опор монорельсовых путей, конструкций транспортных развязок, конструкций наземных и подземных пешеходных переходов, сэндвидж-панелей и потолочных перекрытий.
Сборка полотна дороги из многих плавучих средств с напряжением посредством многих натяжных тросов 20, создающих при последовательной сборке эффект натяжения одним протяженным тросом, производится в следующем порядке.
Сборка полотна дороги из отдельных плавучих средств тросами 20 производится на выровненной подстилающей поверхности. Для повышения прочности дорожного полотна, сформированого из плавучих средств, каждое плавучее средство выполняют с трубчатыми каналами 19 для натяжных тросов 20, обеспечивающих возможность предварительного натяжения размещенных в трубчатых каналах 19 натяжных тросов 20 посредством, например, анкеров и натяжных приспособлений, установленных на соответствующей площадке.
При этом в трубчатые каналы 19 вводятся натяжные тросы 20 с установленными на кольцах тросов 20 талрепов. Схема сборки тросов с талрепами показана на фиг. 5 (выноска 5---1).
Тросы 20 могут проходить как только через одно плавучее средство, так и через несколько. При этом длина тросов 20 определяется размерами и количеством плавучих средств, через которые проходит каждый отдельный трос 20 (фиг. 5, выноска 5---1).
Затем последовательно соединяют все остальные плавучие средства и/или их отдельные сборки. При этом кольца талрепов посредством анкеров закрепляют на предыдущем фиксирующем каркасе 14б, с другой стороны соединяют кольца талрепа и троса 20. Сами же плавучие средства соединяют друг с другом соединительными элементами 30 и фиксацией их шкворнями. Анкер устанавливают в отверстие, выполненное на боковых стенках фиксирующего каркаса 14б. На боковой поверхности фиксирующего каркаса 14б под смотровыми люками 21 выполнены канавки для отвода конденсата из смотровых люков 21 (фиг. 3, разрез А-А).
Предварительное натяжение полотна дороги производят талрепами за счет натяжения тросов 20, введенных в трубчатые каналы 19. Талрепы с установочными кольцами располагаются в выемках смотровых люков 21, выполненных в фиксирующем каркасе 146.
В стенках смотровых люков 21 выполнены уступы для установки заглушек смотровых люков 21. Смотровые люки, выполненные в фиксирующем каркасе 146, используются для обеспечения монтажа, а также проведения, при необходимости, диагностики состояния натяжных тросов 20. После сборки плавучих средств и натяжения тросов 20 смотровые люки 21 закрывают заглушками. В заглушках выполнены углубления с резьбой для их установки и снятия в процессах сборки дорожного полотна или контроля натяжения тросов 20. Заглушки устанавливают вровень с поверхностью крышки 11 плавучего средства (фиг 5, разрез А---А).
Затем на боковые стороны фиксирующего каркаса 14б крайних плавучих средств полотна дороги устанавливают краевые боковые заглушки в виде пластин с отверстиями и пазами для установки краевых анкеров и после натяжения тросов 20 устанавливают верхние краевые заглушки (фиг 5, выноска 5---2).
При сборке дорожного полотна с натяжением также могут использоваться якорение 30 (для чего последовательно в фиксирующем каркасе 14 плавучих средств устанавливают стержни якорения 30), съемные поплавки 27 и дополнительные плавучие средства для организации мест временных стоянок транспорта.
После сборки полотна дороги на ее поверхности устанавливают настил 32 (фиг 5, разрез А---А). При этом для сборки с натяжением в настиле 32 выполняют съемные участки для обеспечения, при необходимости, возможности контроля натяжения тросов 20 в процессе эксплуатации полотна дороги.
На фиг. 6 представлен вариант исполнения сборки полотна дороги со сложным рельефом местности: наличие «спусков - подъемов», поворотов, поворотов с уклоном.
Применение компенсирующих вставок 31 (фиг. 6) между плавучими средствами позволяет при сборке полотна дороги следовать изменениям рельефа грунта и создавать на полотне дороги подъемы, спуски, повороты, повороты с уклоном. Форма выемок во компенсирующих вставках 31 (фиг 6, выноска 6---4) обеспечивает надежную фиксацию частей дорожного полотна как без применения натяжения посредством натяжных тросов 20, так и с ними.
Для защиты поверхности плавучих средств на поверхности полотна дороги после их сборки при строительстве дорожного полотна на состыкованные плавучие средства сверху укладывают, например, модульные дорожные покрытия АКОНИТ-МПДП-М толщиной 20 мм (нагрузка до 20 т), модульные дорожные покрытия АКОНИТ-МПДП-L толщиной 35 мм (нагрузка до 60 т) или покрытие из композита DCS20T, DCS20B, DCS20G на основе: экологически чистый био-материал - 60%, полиэтилен высокой плотности - 35%, клеи - 5% (стандартный размер: 2800 мм × 450 мм × 20 мм), или покрытие фирмы из композита Hungarotek Epi'toipari Kft.
При этом в местах установки заглушек смотровых люков 21 в дорожном покрытии могут быть выполнены съемные участки (фиг 5, разрез А---А) для обеспечения возможности организации монтажа или диагностики (периодического контроля) уровня натяжения тросов 20. Крышка 11, под которой имеется технологическое отверстие (канал) 10 для заполнения наполнителем 12, также должна располагаться на уровне поверхности дорожного покрытия или же в нем должна быть предусмотрена временно снимаемая его часть.
Особой сложностью при сборке дорог является необходимость следовать рельефу местности, т.е. учитывать наличие поворотов, поворотов с уклоном, участков с подъемом и спуском. При сборке дорог из многих плавучих средств между элементами могут устанавливаться компенсирующие вставки 31 (фиг. 6) с соответствующими отклонениями положения сопрягаемых поверхностей.
В качестве материала для изготовления компенсирующих вставок 31 могут использовать АБС-пластики, ударопрочный полистирол, полипропилен, полидициклодиен.
Сопрягаемые поверхности компенсирующих вставок 31 выполнены с соответствующими наклонами боковых поверхностей: угол α соответствует углу подъема или спуска, угол β соответствует углу поворота, угол Ω соответствует углу скоса участка дороге при повороте на угол α. На фиг. 6 приведены примеры сборки: выноска 6---1 - для сборки плавучих средств с подъемом или спуском участка дороги; выноска 6---2 - для сборки плавучих средств с поворотом участка дороги; выноска 6---3 - для сборки плавучих средств с поворотом участка дороги и одновременным уклоном.
Компенсирующие вставки 31 устанавливают, по крайней мере, на одну из сопрягаемых боковых поверхностей фиксирующего каркаса 14 или на обе его поверхности, например, с помощью клея и/или крепежом саморезами.
Для обеспечения сборки всех элементов дороги в компенсирующих вставках 31 выполнены соответствующие пазы для сборки плавучих средств без натяжения, а также могут быть выполнены пазы и выемки смотровых люков 21. В пазы при сборке плавучих средств устанавливают закладные элементы, размеры и геометрия которых изменены в соответствии с изменившейся геометрией соединения, как показано на фиг. 6 (выноска 6- -4). На фиг. 6 (выноска 6-5) показан пример изменения геометрии закладного элемента при использовании компенсирующих вставок 31.
На фиг. 6 (ступенчатый разрез А---А) показан пример сборки плавучих средств с натяжением при подъеме участка дороги на угол а.
При изготовлении, например, наплавного или понтонного моста на основе плавучих средств в верхней части моста устанавливают омоноличивающий настил 32 (фиг 5, разрез А---А)
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предполагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.
1. Использование в конструкции плавучего средства наклонных арматурных стержней 2 и 3 волнообразной формы, образующих в пространстве правильные четырехгранные пирамиды, повышает пространственную жесткость конструкции плавучего средства и характеристики его изгибной прочности не менее чем на 20% за счет равномерного распределения действующих вибрационных и ударно-волновых знакопеременных статических и динамических нагрузках на узловые элементы 13 по всему объему плавучего средства. Вследствие этого плавучее средство более устойчиво к большему диапазону данного типа нагрузок.
2. Предлагаемое плавучее средство не менее чем на 20% технологичнее как в производстве, так и при его сборке непосредственно на объекте, за счет повторяемости армирующих стержней 2, 3, 6, 7 и узловых элементов 13, унифицированного сортамента элементов плавучего средства, использования высокопроизводительного оборудования для литья, штамповки элементов, узловых элементов 13 и т.п., компактность, быстрота сборки и монтажа элементов плавучего средства, что обеспечивают возможность полной автоматизации, масштабирования заводского производства индустриальных конструкций таких плавучих средств. При этом разнообразие конструктивных форм и областей применения данных плавучих средств обеспечивается минимальным набором исходных типов и размеров элементов плавучего средства, возможностями их транспортировки любым видом транспорта и простотой сборки на объектах.
3. Позволяет повысить рентабельность строительства автомобильных дорог, значительно снизить затраты при строительстве, реконструкции и эксплуатации дорог и увеличить срок службы дорожного полотна не менее чем на 5 лет за счет особенностей распределения статических и динамических нагрузок, а также прочности армирующей конструкции вследствие армирования дорожного полотна на слабых грунтах (торфяниках, болотистых и мерзлых, в том числе вечномерзлых).
4. Сборка плавучих средств, из которых составляется полотно дороги, на слабых грунтах и в районах вечной мерзлоты проводится непосредственно на грунтах после выравнивания их поверхности без дополнительной установки земляной насыпи. Это обеспечивает возможность не устанавливать в слабые грунты опорные сваи, что связано с повышенной плавучестью понтонов, и позволяет не только значительно снизить сроки и стоимость строительства, но и снизить экологический вред окружающей среде, так как не производится завоз грунтов для устройства насыпей в основание таких дорог.
5. Предлагаемое плавучее средство позволяет снизить напряженно деформированное состояние в нижних слоях дорожной одежды; уменьшить толщину конструкции дорожного полотна, колееобразование, обусловленное деформациями сдвига, и влияние неоднородности слоев слабых грунтов и толщину конструкции дорожной одежды; обеспечить надежный дренаж; увеличить несущую способность дорожного полотна; снизить влияние механических воздействий от проезжающего транспорта на придорожные территории; повысить распределяющую способность нагрузок на конструкцию дороги; предотвратить перемешивание слов дорожного полотна.
6. Основные свойства конструкций, изготовленных на основе предлагаемого плавучего средства (повышенная прочность за счет его конструктивных особенностей; равномерное распределение нагрузки по всей опорной площади конструкции вне зависимости от расположения прилагаемой нагрузки на верхнюю конструкции, например, дорожного полотна: будь то распределенная нагрузка по всей поверхности дорожного полотна или, если нагрузка распределена только на поверхности одного плавучего средства; гашение вибрационных и ударно-волновых знакопеременных статических и динамических нагрузок внутри самого плавучего средства) позволяют:
а) при строительстве дорог:
- распределять вес всех автомобилей равномерно по всей его длине. Соответственно, удельный вес нагрузки на слабую подстилающую основу (почву, грунт) определяется площадью опоры всей конструкции из совокупности плавучих средств, на вес всего транспорта, находящегося в данный момент на данном дорожном полотне;
- гасить внутри конструкции дорожного полотна из плавучих средств вибрационные и ударно-волновые знакопеременные статические и динамические нагрузки, возникающие при движении транспорта, и другие возможные внешние нагрузки. При этом нагрузки, возникающие при движении транспорта, не передаются на территорию, окружающую дорожное полотно;
- производить сборку плавучих средств в заводских условиях, что не только позволяет автоматизировать процесс их сборки, но и снизить сроки строительства дорожного полотна за счет сборки ее из крупногабаритных элементов;
- производить ремонтные работы и строительство тоннелей под дорожным полотном без остановки движения;
- снизить проблему вибрации в зданиях, стоящих рядом с дорожным полотном. Перечисленные эффекты обеспечиваются трехмерной геометрией предлагаемого плавучего средства. Его структура состоит из большого числа повторяющихся узлов жесткости, аналогичных структуре кристаллов - полуоктаидров, при разных вариантах их узлового сопряжения, создающих многоточечные опоры и распределение динамической или статической нагрузок.
7. Преимуществом плавучего средства является то, что не надо строить насыпь под дорогу. Плавучие средства в виде понтонов укладываются непосредственно на грунт. При этом не только происходит экономия средств и времени, но и не наноситься вред окружающей среде. Понтоны, заполненные пено- или газоматериалом, теплоизолируют грунт летом. При этом у такой дороги нет оттаивающих земляных скосов, как в случае возведения насыпи. Наоборот теплоизолированные скосы понтонов направлены внутрь, создавая тень в определенные периоды от солнца. Зимой же, при существующих методах строительства, теплоизоляция полотна дороги и ее откосов не позволяет нормально промерзать грунту под дорогой.
8. Устройство плавучего средства и его плавучесть позволяют использовать плавучее средство на водной поверхности.
9. Данная конструкция использует современные полимерные материалы (в том числе изготовленные из вторсырья), позволяет создавать высокопрочные, сейсмоустойчивые, вибро- и ветроустойчивые сборно-разборные конструкции плавучего средства значительной протяженности. Важнейшим технологическим преимуществом является то, что при сборке/разборке конструкций плавучего средства не используются сварка, пайка и клейка материалов. Коэффициент заполнения конструкций плавучего средства армирующими элементами колеблется от 0,2 до 0,4. Сборка конструкций плавучего средства может осуществляться как в заводских условиях на автоматизированных линиях, так и на строительной площадке специальными машинами.
10. Проектирование плавучего средства предусматривает такую важную их особенность как создание предварительного напряжения за счет тросов, что резко повышает прочность конструкций при разнонаправленных нагрузках (аналог - Останкинская телебашня), а также обеспечивает создание конструкций сложной арочной формы, например, при возведении мостовых переправ (с выходом на берег) или при соответствующих подъемах/опусканиях поверхности слабого грунта.
11. Предлагаемая последовательность сборки плавучего средства обеспечивает возможность создания полотна дороги и других многокилометровых многозвенных конструкций, функционирующих как единая предварительно напряженная конструкция, что невозможно при ином способе сборки вследствие ограничений, накладываемых прочностью предварительно напряженной арматуры и ее длиной, а также сложностью пропускания предварительно напряженной арматуры через многокилометровую сборку. Кроме того, такая сборка может быть, при необходимости, разобрана на одном из участков, например, для ремонта, и вновь собрана, что невозможно при напряжении многокилометрового полотна дороги одной предварительно напряженной арматурой.
Многозвенные плавучие средства могут найти применение при строительстве временных дорог и дорог высоких категорий в условиях вечной мерзлоты, на слабом основании и в зонах подтопления, при возведении сейсмоустойчивых сооружений в сейсмоопасных зонах, при обустройстве пешеходных троп, например, посредством возведения однопролетных мостов через небольшие речки и овраги в парковых зонах.
Плавучие средства могут производиться на российских предприятиях и на отечественном сырье, а главное - соответствуют реальным потребностям народного хозяйства, целям «Транспортной стратегии» [21] и других концептуальных документов экономического развития Российской Федерации.
В настоящее время на предприятии «НПЦ СПЕЦОСНАЩЕНИЕ МО» проведены компьютерное моделирование, изготовление и испытания предлагаемого плавучие средства, и на их основе выпущены конструкторская и технологическая документация на предлагаемое плавучее средство.
Используемые источники
1. Веренько В.А. Деформации и разрушения дорожных покрытий: причины и пути устранения. Минск: Беларуская Энцыклапедыя iмя П. Броукi, 2008. 304 с.
2. Nunn, М. An investigation of reflection cracking in composite pavements in the United Kingdom, Proceedings of 1st International RILEM Conference on Reflective Cracking in Pavements, Assessment and Control, Liege University, Belgium, Edited by J. M. Rigo et al., 1989.
3. Анализ причин возникновения трещин в дорожных покрытиях и критерии их трещиностойкости. URL: https://bsc.by/ru/story/analiz-prichin-vozniknoveniya-treshchin-v-dorozhnyh-pokrytiyah-i-kriterii-ih
4. Lytton R.L. Use of Geotextiles for Reinforcement and Strain Relief in Asphaltic Concrete. Geotextiles and Geomembranes, 1989, vol. 8, pp. 217-237.
5. Филиппова Ю.Ф. Анализ силового взаимодействия элементов стержневых систем рабочего оборудования перспективных технических систем и машинных комплексов. Красноярск. URL: https://revolution.allbest.ru/physics/01040083_0.html
6. Песчанский П.С, Пугачевская Л.М. Металлические решетчатые пространственные конструкции за рубежом: М.: ЦИНИС Госстроя СССР. 1974. 74 с.
7. Демидов Н., Меликова В. Пространственные стержневые конструкции. URL: https://in-regional.ru/realizatsiya-stroitelstva/proektnaya-dokumentatsiya/prostranstvennye-sterzhnevye-konstruktsii.html
8. Перекрестно-стержневые пространственные конструкции (ПСПК) системы МАРХИ. URL: https://opalubka-lesa.ru/produkciya/stalnyie-metallokonstruktsii/perekrestno-sterzhnevyie-prostranstvennyie-konstruktsii-pspk-sistemyi-marhi/
9. Михайлов В.В., Сергеев М.С. Пространственные стержневые конструкции покрытий (структуры): учебное пособие. Владимир. 2011.
10. Конструкции, активные по вектору. Пространственные стержневые системы. URL: https://mtmrt.ru/news/metallokonstrukcii-v-arhitekture/konstrukcii-aktivnye-po-vektoru-prostranstvennye-sterznevye-sistemy.html
11. Кожин А.Г. Зарубежный опыт развития дорожного строительства // Экономические науки. 2013. Выпуск 2(9). С. 71-74. URL: https://research-joumal.org/economical/zarubezhnyj-opyt-razvitiya-dorozhnogo-stroitelstva/
12. Как строят дороги в России, Европе, Азии и США. Журнал о России и русских. 17.11.2017. URL: https://zen.yandex.ru/media/moiamssia.ru/kak-stroiat-dorogi-v-rossii-evrope-azii-i-ssha-5a0f18ca9b403cf97ebbb44e
13. Как делают дороги в разных странах. URL: https://pikabu.ru/story/kak_delayut_dorogi_v_raznyikh_stranakh_4211666
14. Кулешов В.Н., Моксяков А.И., Филин С.А., Воробьев Н.Е. Устройство для электрохимической защиты металлических конструкций от коррозии. Патент на изобретение RU 2019578 С1, 15.09.1994. Заявка №92009863/26 от 30.11.1992.
15. Mukhtar, М. Interlayer Stress Absorbing Composite (ISAC) for Mitigating Reflection Cracking in Asphalt Concrete Overlays, Project IHR-533, Report No. UILU-ENG-96-2006, Illinois Cooperative Highway Research Program, Illinois Department of Transportation, M. Mukhtar, B. Dempsey, 1996.
16. Ремонт и содержание автомобильных дорог: справочник инж.-дор. / Под ред. А.П. Васильева. М.: Транспорт. 1989.
17. Патент RU 2 388 647, 2010, МКИ В63В 35/38, Е02В 17/00.
18. Патент RU 57 237, 2006, МКИ В63В 35/38, В66С 23/52.
19. Осама аль Хело, Осипчик B.C., Кравченко Т.П. Получение композиционных материалов на основе наполненного полипропилена с улучшенными эксплуатационными характеристиками (за счет добавления мела) // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Том XXI. №5(73). с. 66-70.
20. Васильев СВ., Гоголева О.В. Исследование свойств полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена и отходов производства базальтового волокна // Наука и образование. 2016. №3. С. 63-67.
21. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года. Утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 22.11.2008 г. №1734-р. URL: https://www.mintrans.ru/documents/7/1009