Устройство для беззазорной автокомпенсации температурных деформаций цементобетонных покрытий (оснований) автодорог
Изобретение относится к устройствам компенсации температурных деформаций цементобетонных покрытий (оснований) автодорог, ВПП и рулежных дорожек аэродромов, путепроводов. Цементобетонное основание полностью разделяется треугольными плитами компенсатора, вершины которых направлены друг к другу, и линия, их соединяющая, перпендикулярна оси основания. Боковыми поверхностями эти плиты, с возможностью беззазорного взаимного проскальзывания, сопряжены с боковыми поверхностями плит разделенного основания с помощью уложенных вдоль линии раздела стальных уголков таким образом, что увеличение или уменьшение размеров плит разделенного основания за счет тепловых деформаций компенсируется в автоматическом режиме соответствующим сближением или расхождением между собой треугольных плит компенсатора. Беззазорный автокомпенсатор сохраняет сплошность цементобетонного покрытия (основания), повышая тем самым комфортность проезда, увеличивает долговечность в эксплуатации, снижает затраты на поддержание цементобетонного покрытия (основания) в нормальном состоянии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам компенсации температурных деформаций цементобетонных покрытий (оснований) автодорог, может быть использовано для компенсации линейных температурных деформаций цементобетонных протяженных конструкций типа покрытий (оснований) автодорог, ВПП и рулежных дорожек аэропортов, транспортных стоянок, защитных слоев мостов и т.д.
Существующие устройства компенсации температурных деформаций покрытий (оснований) автодорог основаны на полном или частичном разделении цементобетонных покрытий температурными швами, перпендикулярными направлениям деформаций. Традиционный температурный шов имеет, как правило, зазор, определяемый расчетом, для компенсации температурных деформаций; устраивается через каждые 4-6 метров; заполняется подобранной мастикой, обладающей упругопластическими свойствами. Это позволяет компенсировать изменение длины цементобетонного покрытия (основания) под воздействием температуры без разрушения и не пропускать в полость шва воду и мусор.
Основными недостатками этой конструкции являются следующие: разделенные таким швом цементобетонные плиты покрытия (основания) работают полностью или частично без связи друг с другом, как отдельные элементы и воздействие транспортных нагрузок на них вызывает проседание их концов в подстилающие слои с разрушением мастики, заполняющей шов, - а это попадание воды и посторонних частиц внутрь шва с последующим разрушением при замерзании-оттаивании; конструкция предполагает зазор, что гарантирует ударное воздействие по краям шва колесами движущегося транспорта, возрастающее к тому же от проседания концов плит в подстилающие слои - это приводит к интенсивному разрушению околошовных поверхностей; наличие зазора провоцирует выход на асфальтобетонное покрытие автодороги отраженной трещины; швы нарезаются через каждые 4-6 метров - это трудоемкая операция с большими материальными затратами, т.к. нарезка производится, как правило, алмазными кругами, с большим расходом их при работе. Все вышеуказанное приводит к снижению долговечности дорожного полотна, дискомфорту при движении транспорта, высоким эксплуатационным затратам на поддержание дорожного покрытия в нормальном состоянии.
Примерами устранения некоторых из вышеуказанных недостатков являются: полезная модель по свидетельству РФ №35348, кл. E01D 19/06, 2003 г., под названием «Формируемый температурный шов». Такая конструкция повышает комфортность проезда, несколько увеличивает долговечность дорожного покрытия, снижает возможность выхода на асфальтобетонную поверхность отраженных трещин. Но нарезка швов через каждые 4-6 метров, необеспечение совместной работы соседних разделенных сквозным поперечным швом плит основания остаются существенными недостатками данной конструкции. Существует изобретение по авторскому свидетельству РФ №2052009, кл. E01C 5/00, E01C 5/08, E01C 11/14, 1992 г. «Шов сжатия цементобетонного покрытия». Это изобретение решает вопрос совместной работы разделенных швом плит основания, но оставляет необходимость устройства швов через 4-6 метров, не исключает выхода отраженной трещины на поверхность асфальтобетонного покрытия, не исключает ударных нагрузок от колес транспорта по краям шва - эти недостатки остаются неустраненными. Если учесть сравнительную сложность реализации, то станет ясно, почему широкого применения данная конструкция не имеет. Наиболее надежно, с точки зрения совместной работы разделенных плит, работает конструкция, представленная изобретением №1046380 А от 05.05.1982 г., E01C 11/04. Совместная работа плит обеспечивается соединением соседних плит заанкеренным в бетоне металлическим выступом и соответствующей ему по профилю впадиной, оформленной также заанкеренной в бетоне плиты металлической пластиной. Но необходимость оформления швов через каждые 4-6 метров остается, как и обязательность наличия торцевого зазора между плитами. Т.е. кроме гарантии совместной работы плиты остальных недостатков избежать не удается.
Предлагаемый беззазорный автокомпенсатор компенсирует изменение длины цементобетонных покрытий (оснований) от воздействия тепловых деформаций, причем компенсация происходит в автоматическом режиме за счет конструктивно оформленной обратной связи между изменяющимися по длине от изменений температуры частей разделенного основания и треугольными плитами компенсатора, не изменяющими профиль поперечного сечения цементобетонного основания автодороги, но которые расхождением или схождением между собой компенсируют изменение длины разделенных частей основания:
- с обеспечением сплошности дорожного основания, т.е. полное исключение зазора в швах, разделяющих основание;
- с гарантией совместной работы разделенных плит цементобетонного основания;
- с увеличением расстояния между температурными швами как минимум до 50 метров (в 10-12 раз против традиционного), максимум же ограничен конструктивными возможностями основания и коэффициентом трения между нижней поверхностью основания и подстилающим слоем:
1) величиной радиуса кривизны поворота основания в горизонтальной плоскости;
2) кривизной основания в вертикальной плоскости;
3) предельной длиной безаварийного проскальзывания цементобетонного основания по уплотненному щебню (грунту) под ним под воздействием температурных деформаций;
4) с полным исключением нарезки традиционных швов при строительстве цементобетонного основания.
На Фиг.1 изображена в плане принципиальная схема конструктивного устройства беззазорного автокомпенсатора температурных деформаций цементобетонного основания, например, автодорог.
Беззазорный автокомпенсатор состоит из:
1) 2-х равнобедренных треугольных плит 1, полностью разделяющих цементобетонное основание:
- обрезанными вершинами треугольные плиты компенсатора 1 направлены друг к другу;
- ось треугольных плит компенсатора 1, проходящая через их вершины, перпендикулярна оси дороги;
- они не изменяют профиль поперечного сечения цементобетонного основания дороги;
- угол наклона сторон треугольных плит компенсатора 1 к оси дороги 45° (рассчитывается исходя из конструкции цементобетонного основания, может быть другим);
2) плит разделенного основания 2, которые своими боковыми поверхностями, оконтуренными стальными полосами 6 (фиг.2) и выполненными под тем же углом наклона к оси дороги, конструктивно связаны с равнобедренными боковыми поверхностями треугольных плит 1 компенсатора, также оконтуренными стальными полосами 5 (фиг.2), посредством уложенных вдоль швов разделения спаренных между собой уголков 3, 4; углы при вершинах треугольных плит компенсатора фиксируются тягами 15, 16.
Сечение А-А, обозначенное на фигуре 1, показано на фигуре 2. Оно проходит по узлам крепления уголков к бетонным плитам разделенного основания и треугольным плитам компенсатора и показывает конструктивную связь уголков и плит между собой:
- уголки треугольных плит компенсатора 3 и уголки плит разделенного основания 4 образуют между собой пары, расположенные вдоль швов разделения и своими вертикальными полками заходящие друг за друга на всю их длину;
- горизонтальные полки уголков 3 расположены сверху на бетонных треугольных плитах 1 компенсатора, к ним приварены бонки 7, сквозь которые проходят крепежные болты 8;
- крепежные болты 8 жестко стягивают между собой торцами бонки 7 и резьбовые втулки 9;
- резьбовые втулки 9 заанкерены посредством находящихся в бетоне треугольных плит компенсатора 1 анкеров 13.
Таким образом, каждый уголок треугольной плиты компенсатора 3 жестко связан со «своей» бетонной плитой 1; они работают как единое целое, поэтому такой конструктив в целом называем «треугольной плитой компенсатора» 1.
Подобным же образом обеспечивается жесткая связь между уголками 4 и плитами разделенного основания 2. Горизонтальные полки уголков 4 с приваренными к ним резьбовыми бонками 12 положены вдоль шва разделения снизу, под краями бетонных плит разделенного основания. Вертикальные полки уголков 4, как сказано выше, заведены за вертикальные полки уголков 3. Крепежные болты 11, проходящие сквозь заанкеренные в бетоне плит разделенного основания бонки 10, вворачиваются в приваренные к горизонтальной полке уголка 4 бонки 12, связывая уголки 4 и плиты разделенного основания в одно целое. Каждый такой конструктив в целом называем «плитой разделенного основания» 4.
Максимальное расстояние между срезанными вершинами треугольных плит компенсатора 1 (Фиг.1) равно размеру компенсируемой тепловой деформации плюс расстояние, позволяющее производить монтаж этих плит; минимальное равно только расстоянию для монтажа. Таким же образом обрезаны вершины плит разделенного основания. Пространство, образованное обрезанными вершинами, заполняется мастикой, которая исключает попадание воды и посторонних предметов внутрь его. Перемещение плит разделенного основания 2 (Фиг.1 - горизонтальные стрелки) под воздействием температурных деформаций вдоль оси автодороги через взаимодействие вертикальных полок уголков вызывает перпендикулярные оси основания компенсирующие перемещения (Фиг.1 - вертикальные стрелки) треугольных плит компенсатора 1, при которых боковые поверхности сопряженных плит 1, 2 беззазорно проскальзывают друг относительно друга.
Кроме этого, на фигуре 2 показано:
- все сопряженные боковые поверхности всех плит оконтурены стальными полосами 5, 6 (Фиг.2), закрепленными в бетоне соответствующих плит системами анкеров 13 (Фиг.2);
- вертикальная полка уголка треугольной плиты компенсатора 1 отстоит от оконтуривающей боковую поверхность этой плиты стальной полосы 5 на расстояние, обеспечивающее беззазорное проскальзывание входящей в эту щель вертикальной полки уголка 4 разделенной плиты основания 2. Рабочий зазор между трущимися поверхностями может быть заполнен антифрикционной смазкой или в нем устанавливается антифрикционная прокладка 14, например, из фторопласта.
Принципиальная схема конструктивного устройства беззазорного автокомпенсатора температурных деформаций цементобетонных оснований на Фиг.1 схематично представляет его работу.
Боковые поверхности плит разделенного основания 2 усилием, возникающим при тепловой деформации (горизонтальные стрелки на схеме), воздействуют на сопряженные с ними боковые поверхности треугольных плит компенсатора 1, которые направлены под расчетным углом к направлению действия тепловой деформации (вдоль оси основания автодороги). Плиты компенсатора 1 начинают расходиться или сходиться между собой перпендикулярно направлению действия тепловой деформации (перпендикулярно направлению оси основания автодороги), в автоматическом режиме компенсируя изменение линейных размеров плит разделенного основания 2. При этом связывающие плиты парные уголковые конструкции обеспечивают беззазорное проскальзывание боковых поверхностей треугольных плит компенсатора 1 вдоль боковых поверхностей разделенных плит основания 2.
Такая работа конструкции:
1) обеспечивает отсутствие зазора между сопряженными трущимися поверхностями в основании, тем самым исключает наличие отраженных трещин в верхнем (асфальтобетонном) покрытии, следовательно, разрушений в околошовной зоне не будет;
2) из-за предлагаемого сопряжения боковых поверхностей плит разделенного основания 2 (Фиг.1) и треугольных плит компенсаторов 1 (Фиг.1) гарантирует сплошность поверхности основания и обеспечивает совместную работу плит разделенного основания и треугольных плит компенсаторов как единого целого;
3) дает возможность отказаться от устройства традиционных температурных швов вместе с проблемами, их сопровождающими (необходимость их нарезки, околошовные разрушения и т.д.).
Реализация данной конструкции может быть осуществлена двумя вариантами (см. фиг.1).
По первому варианту - треугольные плиты компенсатора и окончания плит разделенного основания полностью изготавливаются (с бетонированием треугольных плит компенсатора полностью, а окончаний плит разделенного основания на определенную длину) на ЖБИ, причем у плит разделенного основания 2 на стороне, противоположной сторонам, сопрягаемым со сторонами треугольных плит компенсатора 1, делаются анкерные выпуски для того, чтобы после монтажа на автодороге можно было завершающим бетонированием связать устройство с основным полотном цементобетонного основания автодороги. Перед бетонированием на ЖБИ полностью имитируется участок автодороги, на котором будет производиться монтаж; производятся все регулировки, установки зазоров, проверяется работоспособность компенсатора до бетонирования и после окончания твердения сталефибробетона. Комплект в разобранном виде (треугольные плиты компенсатора, окончания плит разделенного основания) транспортируется на строящийся обьект. После установки и сборки на обьекте производится окончательная регулировка зазоров и проверка работоспособности компенсатора, для чего с помощью домкратов имитируется тепловая деформация разделенных плит основания, которая вызывает компенсирующее перемещение треугольных плит компенсатора.
По второму варианту - уголки плит разделенного основания и треугольных плит компенсатора комплектно (спаренные уголки со стальными полосами боковых поверхностей плит в сборе с антифрикционными прокладками между трущимися поверхностями и отрегулированными зазорами - см. 3, 4 на фиг.1, 2), комплекты фиксирующих тяг 15, 16 (Фиг.1) для треугольных плит компенсатора и плит разделенного основания без соединения в треугольники доставляются на подготовленное место автодороги. На обьекте они монтируются между собой, связываются фиксирующими тягами 15, 16 (Фиг.1) с выверкой углов, зазоров и последующей затяжкой и стопорением крепежных болтов. После чего компенсатор проверяется на работоспособность с помощью домкратов (так же, как и по первому варианту). После чего производится поэтапное бетонирование: вначале бетонируются околошовные поверхности с заполнением пустот под уголками и последующим тщательным уплотнением, затем проводится бетонирование остальной части плит со связыванием бетона плит разделенного основания с основным полотном дороги.
Для снижения трения между нижней поверхностью цементобетонного основания автодороги и плит устройства беззазорной компенсации температурных деформаций на предварительно укатанный подстилающий слой укладывается сплошным ковром полиэтиленовая пленка.
Серьезно увеличится эксплуатационная надежность и долговечность дорожных покрытий в силу отсутствия поперечных компенсационных швов основания через каждые 4-6 м и, как следствие, отраженных трещин на асфальтобетонном покрытии. Предпочтительно пользоваться при изготовлении комплектов устройств и автодорожных оснований сталефибробетонными технологиями, получая снижение затрат не только за счет исключения армирующих сеток, но и снижая толщину основания как минимум на 15-40% (определять расчетом в зависимости от категории автодороги), облегчая работу автокомпенсатора и получая при этом более высокие физико-механические характеристики основания, дополнительно увеличивающие эксплуатационную долговечность и нагрузочную способность автодороги.
Предлагаемое изобретение, обеспечивая совместную работу разделенных плит основания и треугольных плит компенсатора, позволяет длину основных плит между автокомпенсаторами начинать от 48 метров, т.к. деформация для такой длины «плети» при перепаде температур 100 градусов составит всего 45 мм, что не вызовет никаких сложностей в работе компенсаторов. Более того, длина плит между автокомпенсаторами может быть увеличена вдвое, втрое и более, нужно только определить расчетом усилие выдавливания треугольных плит компенсатора при компенсации изменения линейного размера температурной деформации и усилия трения нижней поверхности основания об опорную поверхность подстилающих слоев автодороги, так как эти две величины связаны между собой, и только они определяют работоспособность автокомпенсатора. В общем, должно выдерживаться соотношение, выражаемое формулой:
где Fдеф - максимальное усилие деформации неразделенной части основания при максимальном изменении температуры за минимальный отрезок времени, возможный в регионе, где идет строительство объекта; Fтр - сила трения между нижней поверхностью разделенной части основания и поверхностью подстилающего слоя автодороги; Fбп - давление на единицу площади боковых поверхностей плит разделенного основания на сопряженные с ними боковые поверхности треугольных плит компенсатора; Sбп - сопряженная суммарная площадь боковых поверхностей компенсатора и плит разделенного основания; ктрбп - коэффициент трения между боковыми сопряженными поверхностями с учетом антифрикционных свойств прокладки или смазки; Кзап - коэффициент запаса, гарантирующий нормальную работу компенсаторов, принимается в зависимости от условий эксплуатации от 2 до 3; cosα - косинус угла между направлением тепловой деформации (ось дороги) и боковыми сопряженными поверхностями.
Применение данного беззазорного автокомпенсатора при возведении цементобетонных оснований автодорог значительно повысит эксплуатационную долговечность дорожных покрытий, снизит затраты на поддержание дорог в нормальном состоянии, повысит комфортность движения транспорта. Применение способа не вызовет серьезного увеличения стоимости при строительстве автодорог, но значительно снизит стоимость их содержания при эксплуатации.
1. Беззазорный автокомпенсатор температурной деформации цементобетонного основания автодороги, включающей полное его разделение посредством двух треугольных плит компенсатора, не изменяющих профиль поперечного сечения основания автодороги и направленных вершинами друг к другу, связанных своими боковыми поверхностями с боковыми поверхностями разделенного основания автодороги посредством пар уголков, расположенных вдоль швов разделения, причем горизонтальная полка одного уголка из пары лежит сверху на бетонной плите треугольного компенсатора и закреплена в ней, горизонтальная полка второго уголка из пары подведена снизу под бетонную плиту разделенного основания и также закреплена в ней, а вертикальными полками уголки заходят друг за друга, образуя замок, не дающий возможности расходиться боковым поверхностям компенсатора и частям разделенного основания между собой, но дающий им возможность взаимного беззазорного проскальзывания при изменении расстояния между частями разделенного основания от действия тепловых деформаций и возникающих при этом усилий, и автоматически компенсируя эти изменения соответствующим расхождением или схождением треугольных плит компенсатора перпендикулярно направлению тепловых деформаций.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая из сопряженных между собой боковых поверхностей плит закрыта стальной полосой, заанкеренной в этой плите, а между трущимися боковыми поверхностями для облегчения усилий проскальзывания вставлены антифрикционные прокладки, или вводится антифрикционная смазка.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделенные части конструкции цементобетонного основания и треугольные плиты компенсатора сопряжены между собой под углом, обеспечивающим беззазорное проскальзывание их между собой от усилия температурных деформаций разделенных частей основания как при сближении, так и при расхождении их друг от друга.
