Применение композитных технологий при реконструкции моста Wuhan Junshan Yangtze River Bridge
Мы внимательно следим за инновационными разработками китайских специалистов в области применения композитных материалов из стеклопластика (FRP) в транспортном строительстве — как при возведении новых конструкций, так и при ремонте и усилении существующих сооружений.
В качестве показательного примера рассмотрим проект реконструкции моста Wuhan Junshan Yangtze River Bridge (Ухань, 2017 г.).
Краткая характеристика объекта
Wuhan Junshan Yangtze River Bridge — ключевое сооружение на Евразийской магистрали G4 (Москва – Пекин – Гонконг – Макао). На момент завершения проектирования в 1998 г. мост стал лидером по числу инновационных инженерных решений, впервые применённых в Китае на базе временных технических нормативов без полного научно‑нормативного обоснования.
Это сделало мост рекордсменом Китая по ширине проезжей части для вантовых мостов.
В процессе эксплуатации возникли следующие проблемы:
- постоянно растущая интенсивность движения;
- регулярный пропуск крупнотоннажных и сверхнормативных грузов (в связи с промышленно‑экономическим ростом Китая);
- выявление технологических несовершенств в отдельных узлах.
Эти факторы привели к преждевременному износу конструкции, что потребовало масштабного ремонта и модернизации в 2017 г.
Одной из ключевых задач стало усиление пролётных строений подходных эстакад.
Изначально рассматривались классические методы (накладные плиты, системы внешнего шпренгельного усиления системами стального армирования) с увеличением массы элементов, однако после технических обсуждений они были признаны нерациональными и существенно снижающими внешний эстетический вид сооружения.
Подрядчиком было предложено инновационное решение — усиление конструкции с помощью систем предварительно напряжённого углепластика, который не увеличивал общую массу сооружения.
CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer — полимеры, армированные углеродным волокном) — высокопрочный композит со следующими преимуществами:
- абсолютная коррозионная стойкость;
- малый вес;
- высокая прочность на растяжение;
- долговечность;
- доступность.
Материал представляет собой многослойные полимеры, армированные углеродными волокнами, скреплёнными специальной клеящей смолой. Такая структура материала обеспечивает высокий модуль прочности с одновременной защитой от неблагоприятных внешних воздействий.
Основная инженерная идея заключалась в усилении конструкции по методике CFRP с установкой предварительно напряжённых композитных ламелей, что существенно отличает предложенный метод усиления от основных ранее реализованных решений.
Для повышения трещиностойкости было принято решение обжать усиливаемые конструкции путём создания предварительного напряжения полимерных ламелей и более полного включения их в работу в распрыскиваемом слое бетона.
Это потребовало разработки технологии поэтапного натяжения и закрепления полимерных элементов.
- основной элемент армирования — углеволоконный ламель 3 × 20 мм;
- элементы анкеровки и узлы предварительного натяжения — стальные детали из высокопрочной стали с стабилизированными свойствами по коррозионной защите оригинальной конструкции, применяемые в комплексе с системой крепёжных анкеров.
1. Устройство специальных пазов в конструкции в диапазоне защитного слоя бетона нижнего пояса балок пролетных строений.
2. Укладка углеродных ламелей в пазы с установкой анкерных и натяжных устройств в шахматном порядке.
3. Реализация натяжения до необходимых усилий с последующей проклейкой ламелей, восстановление защитного слоя бетона и устройства дополнительной защиты элементов усиления.
Преимущества применённой технологии:
- учёт влияния предельных напряжений на образование трещин и деформацию;
- компенсация возможных потерь усилия в основной арматуре, за счет предварительного натяжения элементов усиления;
- повышенная стойкость к внешним воздействиям, элементы усиления из углепластиков и полимерный клеевой состав служит дополнительным протекторным слоем защиты бетона;
- повышает стойкость элементов к негативным воздействия ползучести и релаксации предварительно напряжения в основной арматуре.
Усиление выполнено на 46 пролётах общей длиной 1380 пог. м.
Для этого было установлено 3220 комплектов внешнего предварительно напряжённого армирования из CFRP‑композитных ламелей с анкерным и натяжным устройством.
Этот проект стал крупнейшим в Китае на тот момент по объёму применения полимеров для усиления транспортных сооружений и первым реализовавшим предварительной усиления полимерных ламелей.
Предложенная методика усиления позволила существенно повысить эффективность укрепления конструкции и продлить срок службы сооружения.