Деформационные швы мостов: современное состояние проблемы

УДК 624.21.095.3

А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ МОСТОВ:

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Рассмотрены основные проблемы, встречающиеся при применении в российских мостовых сооружениях конструкций деформационных швов. Сформулированы основные требования к деформационным швам, дана их современная классификация. Выделены группы перспективных и морально устаревших конструкций. Рассмотрен опыт их применения.

A.V. Yefanov, I.G. Ovchinnikov BRIDGE EXPANSION JOINTS: MODERN CONDITION OF THE PROBLEM

This article describes the basic problems meeting at application in the Russian bridges constructions of expansion joints. The basic requirements to expansion joints constructions are formulated, their modern classification is given here. Groups of perspective and obsolete constructions are allocated. Experience of their application is considered here as well.

Первые деформационные швы (ДШ) мостов конструктивно были очень простыми, в их функции входило только перекрытие деформационного зазора, но с развитием мостостроения требования к ним постоянно возрастали, конструкции ДШ эволюционировали и на современном этапе развития стали одними из самых ответственных конструкций моста.

Современный подход к проектированию мостовых сооружений требует отчетливого понимания специфики работы ДШ в мостовом сооружении, выработки требований к этим устройствам, создания руководств по проектированию, изготовлению и эксплуатации ДШ. Однако пробел в этой области на сегодняшний день оказался настолько значительным, что единственным выходом на период его восполнения стало применение для отечественных мостов зарубежных конструкций ДШ, проектируемых в соответствии с существующими за рубежом нормами. Это породило новую проблему. Российский инженер-мостовик буквально потерялся среди многообразия хлынувших с зарубежных рынков конструкций, не в силах даже выбрать, в отсутствие объективной информации, конструкцию ДШ для применения. На это повлияло отсутствие отечественных нормативных требований к конструкциям ДШ и их характеристикам, неполное соответствие зарубежных норм российским условиям, недостаточная осведомленность инженеров о существующих в мире конструкциях ДШ и об их поведении в мостовых сооружениях, а также присущих им областях применения, достоинствах и недостатках, характерных дефектах.

Сейчас все чаще можно слышать мнение, что даже «качественные зарубежные ДШ» показывают себя на российских мостах далеко не лучшим образом [1]. И дело даже не в том, что зарубежные ДШ не всегда оказываются действительно качественными конструкциями, а в том, что российский инженер, по ряду перечисленных причин, не может сформулировать свои требования к качеству ДШ. В результате применяются

конструкции, которые через некоторое время эксплуатации проявляют недостатки и обнаруживают дефекты, в целом характерные для данной конструкции ДШ, особенно в российских условиях, но оказывающиеся неожиданными для инженеров-мостовиков. Нередко, в условиях отсутствия информации, на отечественных мостах применяются конструкции, эксплуатация которых запрещена в ряде зарубежных стран национальными нормами.

До последнего времени в России бытовал подход к ДШ как к вспомогательным конструкциям, а значения влиянию неисправностей ДШ на общее состояние мостового сооружения практически не придавалось. В этих условиях проектированием и изготовлением ДШ зачастую приходилось заниматься самим мостостроительным организациям, а расчет элементов этих конструкций производился на основе общих подходов, применяемых к расчету элементов мостов. Неудивительно, что в российских нормативных документах появилась рекомендация стремиться к проектированию мостов с возможно меньшим количеством ДШ, несмотря на то, что схема моста должна назначаться, прежде всего, из соображений экономической целесообразности и эффективности ведения строительных работ.

Учитывая данные обстоятельства, за рубежом достаточно давно ДШ стали проектироваться на основании тщательно проработанных и научно обоснованных методов расчета, а изготавливаться с жесткими допусками из качественных и долговечных материалов, отвечающих самым высоким требованиям по прочности и выносливости. Не случайно выпуск наиболее совершенных в техническом плане ДШ был освоен зарубежными фирмами, основной специализацией которых было производство машиностроительной продукции, а не строительных конструкций и изделий. По сложности конструкции, характеру работы и специфике изготовления современные ДШ мостовых сооружений (особенно больших перемещений) относятся больше к механизмам, нежели к известным строительным конструкциям.

В этом отношении наиболее показателен опыт немецкой фирмы «Maurer Söhne». Эта фирма является общепризнанным лидером в производстве ДШ. Опираясь на свой большой опыт, специалисты фирмы «Maurer Söhne» сформулировали и используют следующий подход к конструированию ДШ: все элементы ДШ должны быть разграничены по своему функциональному назначению. При этом не допускается совмещение функций элементов ДШ. Так, элемент, отвечающий за гидроизоляцию ДШ, не должен регулировать перемещения в зазоре ДШ, а элемент, несущий нагрузки, не должен использоваться, к примеру, для анкеровки. Основные элементы ДШ можно разделить на группы по функциональному назначению: несущие элементы,

гидроизолирующие элементы, анкерные элементы и регулирующие зазор элементы. Кроме того, могут быть применены демпфирующие элементы, опорные элементы (для несущих элементов), элементы, редуцирующие шумовую эмиссию, и другие. Описанный подход дает наилучшие результаты в случае деформационных швов сложной конструкции (многоэлементных), работающих под наиболее интенсивными нагрузками. Если же сама конструкция ДШ концептуально не допускает разграничения некоторых элементов (например, в случае щебеночно-мастичных ДШ или ДШ закрытого типа), то такой подход оказывается не вполне приемлемым.

Конструкция современного деформационного шва должна обеспечивать выполнение ряда требований, мало зависящих от собственно конструкции и типа ДШ и определяемых, прежде всего, необходимыми потребительскими свойствами конструкции.

Под термином «потребитель» здесь выступают, во-первых, водители транспортных средств, пассажиры, пешеходы и велосипедисты, а также люди, проживающие неподалеку от моста, для которых определяющими являются критерии комфорта и безопасности проезда и перехода через мост, вопросы снижения уровня шума, а также аспекты охраны окружающей среды, соблюдения экологических требований и эстетики сооружения.

Во-вторых, это организации, эксплуатирующие мост, для которых важными являются требования надежности, долговечности конструкций ДШ, низких амортизационных расходов, простоты обслуживания и ремонта, доступности наиболее ответственных узлов и деталей для контроля их состояния или замены. Крайне желательно отсутствие в конструкции ДШ дорогих или дефицитных деталей, а также наличие у производителя (поставщика) конструкции ДШ отлаженной системы сервисного обслуживания продукции и разработанных рекомендаций по эксплуатации ДШ. Конструкция ДШ должна быть такой, которая обеспечивала бы минимальное влияние ДШ на техническое состояние прочих конструктивных элементов моста.

Третью группу потребителей образуют организации - заказчики строительства, ремонта или реконструкции моста, заинтересованные, помимо прочего, в снижении стоимости КДШ и их установки при сохранении основных технических характеристик и качества исполнения.

В-четвертых, проектировщики мостовых сооружений выдвигают требования универсальности конструкции ДШ, которая позволила бы применять ту или иную систему ДШ без изменений (или с незначительными изменениями) на мостах с различной конструктивной схемой, разными габаритами, при любой конструкции мостового полотна и при пролетных строениях, изготовленных из различных материалов, а в случае железобетонных плит проезжей части - и при разных схемах армирования. Линейка типоразмеров ДШ должна согласовываться с перемещениями пролетных строений, исходя из наиболее часто встречающихся конструкций пролетных строений мостов, их размеров и используемых материалов. Наконец, установочные размеры ДШ должны обеспечивать беспрепятственное размещение его в пролетных строениях, причем влияние установленного ДШ на несущую способность и динамический режим пролетных строений должно быть сведено к минимуму, как и масса ДШ. Сопротивление перемещению пролетных строений со стороны ДШ должно быть незначительным (либо отсутствовать вообще). Передача нагрузок, воспринимаемых ДШ, на конструкции пролетных строений должна происходить распределенно, без образования локальных участков концентрации напряжений.

Таким образом, имеем широкий спектр требований, которым должна удовлетворять конструкция ДШ. К сожалению, в рамках данной статьи невозможно привести все эти требования, однако они достаточно полно сформулированы в другой работе авторов [2].

К настоящему времени создано и эксплуатируется на мостовых сооружениях большое количество типов ДШ, что породило сложности классификации. В основу работы разных конструкций ДШ часто были положены различные принципы. В отсутствие методик расчета, это способствовало развитию ситуации, когда некоторые из устроенных ранее на мостах ДШ показали удовлетворительные результаты работы, другие же - по не вполне ясным причинам отказывали через 2-3 года эксплуатации. Сейчас проектировщики остановились на сравнительно небольшом ряде принципиальных решений ДШ, зарекомендовавших себя как наиболее удачные, от прочих же отказались. Можно выделить несколько в определенной степени независимых групп, объединяющих конструкции, в основу работы которых заложены одни и те же принципы и, что важнее, имеющих, в пределах группы, похожий перечень достоинств и недостатков. ДШ определенного типа характеризуются тем, что имеют довольно четко очерченную область рационального применения, ограниченную возможностями конструктивного решения и соображениями экономической целесообразности.

Таким образом, в настоящее время можно выделить следующие группы ДШ: закрытого типа, щебеночно-мастичные ДШ, заполненного типа, с упругим компенсатором и перекрытого типа. Однако, анализируя опыт применения всех типов ДШ в России и в мире, необходимо отметить, что не все типы современных деформационных швов пригодны для

широкого применения, хотя другие, наоборот, следует признать перспективными конструкциями.

Так, в последнее время на территории России популярность получили ДШ с монолитными армированными компенсаторами, к примеру, типа WABOFLEX, Serviflex (Grace Construction Products Ltd), РСМ (СП «Россербмост»). Существенным недостатком, являющимся причиной большого числа дефектов ДШ подобного типа (ярко проявившимся, в частности, на мостовых сооружениях МКАД), является болтовое крепление упругих компенсаторов. Болты и гайки креплений предрасположены к разрушению и разбалтыванию под действием динамических нагрузок от транспорта, что создает небезопасные условия для дорожного движения. Выход из строя таких ДШ зачастую происходит из-за расслоения компенсаторов (отрыва упругого материала от армирующих листов). Все перечисленное приводит к быстрому разрушению прилегающих к ДШ участков проезжей части (приливов), что обусловлено, прежде всего, несовершенством конструкции таких ДШ. Все вышеописанное привело к тому, что зарубежные специалисты не рекомендуют использовать в мостах ДШ такого типа вообще [4], а в некоторых странах, например, в Германии, ДШ такого типа запрещены к применению в автомагистралях нормативными документами.

Похожая ситуация сложилась с ДШ перекрытого типа. Если взглянуть на ДШ перекрытого типа с современных позиций проектирования, становятся ясны причины этого положения. В последнее время проектировщики нашли способы объединить гидроизоляцию ДШ с гидроизоляцией дорожной одежды мостового полотна и предотвратить массовые протечки в зоне таких ДШ, однако ощутимого повышения надежности получено не было вследствие того, что все основные элементы ДШ находятся выше гидроизоляционного барьера, в зоне действия воды и агрессивных веществ, собирающихся с проезжей части, причем расположить данный барьер выше основных конструкций ДШ не позволяет само конструктивное решение ДШ (см. рисунок). Применение для ДШ перекрытого типа нержавеющей или коррозионно-стойкой стали нерационально в связи с большой металлоемкостью этих типов ДШ.

Иная ситуация складывается, к примеру, у ДШ с ленточными упругими компенсаторами, в том числе у модульных. В них выше гидроизоляционного барьера, образованного верхними поверхностями несущих балок и компенсаторами, расположен минимум уязвимых поверхностей. Все основные конструкции ДШ оказываются защищены. Однако верхнее расположение гидроизоляционного барьера требует применения водонепроницаемой дорожной одежды мостового полотна. В таком случае отпадает необходимость выполнения сложного узла примыкания дорожной одежды к ДШ, поскольку гидроизоляционный барьер будет образован поверхностью проезжей части, компенсаторами ДШ и верхними поверхностями несущих балок. Такая концепция вполне осуществима при использовании литого асфальтобетона, который является водонепроницаемым [3]. Это решение хорошо отражает современный подход к проектированию мостового полотна, согласно которому элементы мостового полотна не должны пропускать влагу не только к конструкциям моста, но и ниже поверхности проезжей части.

Условное положение гидроизоляционного барьера (условно показан прерывистой линией) на схеме ДШ перекрытого типа

Описанный основной недостаток ДШ перекрытого типа, помимо прочих, предопределил постепенный отказ от использования подобных ДШ. Исключение в какой-то мере составляют только гребенчатые ДШ преимущественно с консольными (не скользящими) гребенками, которые не имеют трущихся друг о друга поверхностей и обеспечивают непрерывность проезжей части (а значит, и низкую шумовую эмиссию при проезде) и до сих пор применяются в мостах. Однако гребенчатые ДШ не свободны от других недостатков.

Гребенчатые плиты ДШ могут быть с пальцами прямого и непрямого очертания. Прямое очертание пальцев свойственно подавляющему большинству гребенчатых плит ДШ с опертыми гребенками, тогда как в ДШ с консольными гребенками иногда (но далеко не всегда) используются пальцы криволинейного очертания (а также трапецеидального и треугольного). Такое очертание пальцев имеет множество преимуществ перед прямыми пальцами. Главное преимущество, крайне важное для использования в мостах, - это меньшая склонность к заклиниванию и значительно больший по сравнению с ДШ с прямыми пальцами угол возможного поворота гребенок относительно друг друга в плане без взаимного заклинивания, большая жесткость пальцев. Ввиду того, что торцы пролетных строений моста обязательно перемещаются и вращаются в трех плоскостях, современный ДШ обязан воспринимать все эти перемещения. Гребенчатый ДШ с прямыми пальцами способен воспринимать без заклинивания и повреждения пальцев настолько малые перемещения и повороты в плане, что целесообразность его использования в мостовых сооружениях вызывает сомнения. За рубежом такие ДШ широко используются на скоростных автодорогах с жестким покрытием, где к ДШ предъявляются намного более мягкие требования, нежели в мостах. К примеру, известная фирма Proceq производит ДШ гребенчатого типа с прямыми пальцами под названием TENSA FlexFinger, которые предназначены для применения в автомагистралях с жестким покрытием и не предназначены для мостов, прежде всего, из-за ограничения в перемещениях. Также упомянутые ДШ гребенчатого типа не рассчитываются на повышенные (по сравнению с автодорогами) нагрузки, практически не допускают пространственных перемещений пролетных строений. В связи со сказанным, вызывает беспокойство тенденция применения таких ДШ (в частности, тех же ДШ типа TENSA FlexFinger) в отечественном мостостроении [2].

Среди перспективных типов ДШ следует выделить уже упоминавшиеся ДШ с ленточными упругими компенсаторами (одно- и многопрофильные), а также ДШ закрытого типа, щебеночно-мастичные ДШ и ДШ заполненного типа. ДШ заполненного типа в последнее время пережили новое рождение в связи с применением новых материалов на основе силикона взамен плохо зарекомендовавших себя битумных мастик, что позволило добиться некоторых уникальных свойств таких ДШ [2, 4], однако из-за малого срока применения этих материалов еще не выяснены пределы долговечности этих ДШ.

ДШ с ленточными упругими компенсаторами и щебеночно-мастичные ДШ успешно применяются на отечественных мостах в течение уже ряда лет, что позволяет анализировать их применимость в российских условиях и рекомендовать эти типы ДШ для дальнейшего использования.

Так, на мостовом переходе у с. Пристанное Саратовской области в течение 5 лет работают и наблюдаются оба упомянутых типа ДШ в мостовом полотне с дорожной одеждой, выполненной из литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих, причем ДШ не вызывают никаких нареканий за все время эксплуатации. Эти ДШ ни разу не ремонтировались со времени установки (2000 г.), равно как не подвергалось ремонту мостовое полотно на стыке с ДШ (и вообще на всем мостовом переходе). Период экстремально низких температур января 2006 г. прошел, не вызвав повреждений элементов модульных ДШ.

При осмотре щебеночно-мастичных ДШ отмечаются мелкие трещины на отдельных участках ДШ, однако их глубина незначительна. Если эти трещины не

являются следствием отрыва щебеночно-мастичного заполнения от дорожной одежды, то они обычно самозаживляются в теплый период года благодаря вязкоупругим свойствам смеси заполнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. С «мертвой» точки сдвинулось завершение строительства внеклассовых автодорожных мостов // Дороги России XXI века. 2004. № 6. С. 16-21.

2. Деформационные швы автодорожных мостов: особенности конструкции и работы: учеб. пособие / И.Г. Овчинников, В.И. Шестериков, А.В. Ефанов, В.Н. Макаров. Саратов: СГТУ, 2005. 173 с.

3. Мостовое полотно автодорожных мостов с применением литого асфальтобетона и современных деформационных швов: монография / И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.В. Ефанов и др. Саратов: СГТУ, 2004. 214 с.

4. Dornsife R.J. Bridge Engineering Handbook. Chapter 25. Expansion Joints / R.J. Dornsife // Ed. by W.-F. Chen, L. Duan. USA, Florida, Boca Raton: CRC Press, 2000. P. 25-1— 25-14.

Ефанов Алексей Викторович -

инженер, аспирант кафедры «Мосты и транспортные сооружения»

Саратовского государственного технического университета

Овчинников Игорь Георгиевич -

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Мосты и транспортные сооружения»

Саратовского государственного технического университета