Sprężenie zewnętrzne mostów stalowych

Wykorzystanie sprężenia w bu­downictwie jest obecnie po­wszechne przede wszystkim w konstrukcjach sprężonych za pomocą cięgien obetonowanych, znajdujących się wewnątrz przekroju betonowego. W mostownictwie stosunkowo często korzysta się również ze sprężenia ze­wnętrznego, którego zalety sprawiają, że chętnie wykorzystywane jest w nie­których typach obiektów.

Sprężenie zewnętrzne w nowych konstrukcjach mostowych

Sprężenie zewnętrzne w mostownic­twie stosuje się w dwóch przypadkach: w nowych konstrukcjach i w konstruk­cjach wzmacnianych. W zależności od wielkości mimośrodu działania siły sprężającej, a co za tym idzie trasy kabli sprężających, można wyróżnić następujące rodzaje sprężenia ze­wnętrznego (ze względu na ich położe­nie względem dźwigarów) [1] (rys. 1):

– cięgna w obrębie wysokości dźwi­gara:

– wewnątrz przekroju poprzeczne­go (ustroje skrzynkowe) (1a),

– na zewnątrz przekroju poprzecz­nego (1b);

– cięgna nad dźwigarem (2);

–  cięgna pod dźwigarem (3);

–  hybrydowy układ cięgien (1+2+3). Najczęściej stosowanym rodzajem sprężenia zewnętrznego w nowych mostach jest sprężenie wewnątrz żelbetowych przekrojów skrzynko­wych. Obecnie w tego typu ustrojach jest to standardowe rozwiązanie [2], które umożliwia zastosowanie dużej liczby kabli sprężających o prostych i zakrzywionych trasach pomimo niewielkiej grubości środników. In­nymi coraz częściej stosowanymi konstrukcjami z zewnętrznym sprę­żeniem są mosty typu extradosed, w języku polskim określane jako mo­sty doprężane. Są to obiekty z po­granicza konstrukcji sprężonych i podwieszonych, jednak ze względu na bardzo niski pylon będący dewia­torem cięgna łączą się z dźwigarem pod ostrym kątem. Cięgna pełnią za­tem funkcję bardziej zbliżoną do kabli sprężających wyprowadzonych powy­żej obrysu przekroju niż do lin pod­wieszenia. Pozostałe typy sprężenia zewnętrznego w nowych mostach w Polsce można zaliczyć do rozwią­zań nietypowych.

Rys. 1 Rodzaje sprężenia zewnętrznego ze względu na jego położenie (opis w tekście) [1]

Wzmocnienie i naprawa ustro­jów nośnych za pomocą spręże­nia zewnętrznego

Sprężenie zewnętrzne poza przekro­jem poprzecznym umieszczone poni­żej i w obrębie dźwigarów znacznie częściej stosowane jest przy przebudowach i remontach istniejących obiektów. Zwiększenie nośności użytkowanych mostów można uzy­skać za pomocą metod, takich jak na przykład [3]:

– regulacja stanu naprężeń:

– sprężenie,

–   działania rozporowe (wyginające ustrój),

–   zmiana poziomu podparć;

–  zwiększenie przekrojów elementów nośnych:

– w mostach betonowych, np. przez dobetonowanie nowego elemen­tu, połączonego z konstrukcją za pomocą zbrojenia dodatkowego, które łączy się z istniejącym przez spawanie lub za pomocą osadzo­nych w starym betonie sworzni; poprzez przyklejenie materiału o większej wytrzymałości (płasko­wniki stalowe, taśmy z włókien węglowych),

–  w mostach stalowych, np. przez dodanie elementów stalowych mocowanych za pomocą spawa­nia, śrub sprężających lub połą­czeń klejowo-sprężonych;

–  zmiana schematu statycznego:

–  uciąglenie (w układach swobodnie podpartych lub przegubowych),

–  dodatkowe podparcie. Przedstawiony podział nie jest wyczer­pujący i wskazuje jedynie na podsta­wowe założenie sposobu wzmocnienia, które tak naprawdę może być kwalifi­kowane jedocześnie do wielu metod. Sprężenie zewnętrzne w mostach może wykorzystywać dwa aspekty regulacji stanu naprężeń. Po pierw­sze sprężenie pozwala na ściśnięcie rozciąganych pasów dźwigarów, tym samym uzyskując zapas na przyrost naprężeń od dodatkowych obciążeń. Z drugiej strony sprężenie na mimośrodzie, zwłaszcza w przypadku za­krzywionych lub wychodzących poza obrys dźwigarów tras kabli, powoduje zginanie ustroju i wywołanie korzystne­go stanu naprężeń w układzie. Od trasy sprężenia zależy, który z tych efektów jest dominujący. Zewnętrzne spręże­nie można również rozpatrywać jako formę zwiększenia nośności przekro­ju poprzecznego przez zastosowanie materiału o wysokiej wytrzymałości. Ze względu na fakt, że wzmacniana konstrukcja jest obciążona i w pew­nym stopniu wytężona, aby efektyw­nie wykorzystać wysoką wytrzymałość nowego materiału, można albo przed jego montażem odpowiednio podnieść ustrój, albo materiał ten sprężyć. Naj­częściej do wzmocnienia konstrukcji w ten sposób stosuje się przyklejane, naprężone taśmy kompozytowe z włó­kien węglowych [4] lub bezprzyczepnościowe cięgna zewnętrzne ze stali wysokiej wytrzymałości. Jako przykłady polskich realizacji wzmacniania kon­strukcji dużych mostów stalowych za pomocą sprężenia zewnętrznego moż­na podać mosty przez Wisłę: w Górze Kalwarii i w Kiezmarku oraz most Grota-Roweckiego w Warszawie.

Rys. 2 Schemat sprężenia mostu w Górze Kalwarii [5]

Ustrój nośny mostu w Górze Kalwarii składa się z czterech stalowych dźwi­garów kratownicowych o zmiennej wy­sokości i rozpiętościach teoretycznych wynoszących: 75 + 90 + 3 x 100 + 90 + 75 = 630 m. Zastosowano schemat belki przegubowej (Gerbera) z przęsła­mi zawieszonymi o rozpiętości 50 m. Ruch odbywa się po żelbetowej płycie pomostu, zespolonej z dźwigarami.

W związku z awaryjnym stanem tej płyty most został poddany w 1998 r. remontowi mającemu na celu wyko­nanie nowego pomostu i wzmocnienie dźwigarów, tak aby mogły one przeno­sić obciążenia odpowiadające klasie B (wg PN-85/S-10030). Wzmocnienie konstrukcji stalowej, poza wymianą uszkodzonych elementów, polegało na sprężeniu ustroju za pomocą siedmio- (przęsła jednowspornikowe) i dwunastosplotowych (przęsła dwuwspornikowe) kabli sprężających o średnicy splotu 15,5 mm, naciągniętych do sił (odpowiednio): 360 kN i 700 kN [5]. Na każdy dźwigar przypadają dwa ka­ble krzywoliniowe – zakotwione bez­pośrednio pod pomostem nad podpo­rami i prowadzone poniżej dźwigarów w przęsłach (rys. 2).

Rys. 3 Schemat zprężenia części nurtowej mostu w Klezmarku [6]

Część nurtowa mostu w Kiezmar­ku ma konstrukcję składającą się z czterech stalowych dźwigarów bla- chownicowych o zmiennej wysokości i rozpiętościach teoretycznych wy­noszących: 91 + 130 + 91 + 52 m z ortotropową płytą pomostu. Ustrój ma schemat statyczny belki ciągłej. W 2005 r. w celu podniesienia klasy obciążenia mostu z klasy I (wg PN-66/ B02015) na klasę A (wg PN-85/S- 10030 – przed remontem obiekt spełniał wymagania klasy C) wykonano wzmocnienie: pasów dolnych – przez dospawanie nakładek; środników – poprzez wykonanie dodatkowych żeber podłużnych i poprzecznych; płyty ortotropowej – przez wykonanie płyty żelbetowej; a także regulację naprężeń za pomocą sprężenia. Sprę­żenie zostało zrealizowane za pomocą kabli ze splotów o średnicy 15,5 mm ze stali klasy I (wg PN-91/S-10042 – Rvk = 1667 MPa). Zastosowano trzy typy kabli w zależności od ich prze­znaczenia [6]. Przed wzmocnieniem ustroju zastosowano sprężenie: nad podporą kablami o załamanej trasie (po siedem splotów), w przęśle kabla­mi prostoliniowymi (po 12 splotów) (rys. 3). Spowodowało to zmniejsze­nie naprężeń rozciągających w ist­niejącej konstrukcji: w płycie ortotropowej nad podporą i w pasie dolnym w przęsłach, oraz poprawienie niwelety na moście. Po wykonaniu wzmoc­nienia sprężono prostoliniowe kable nadpodporowe (po trzy sploty) w celu zmniejszenia naprężeń rozciągających w płycie żelbetowej.

Rys. 4 Przekrój poprzeczny mostu Grota-Roweckiego przed przebudową (nitka północna)

Przebudowa mostu gen. Grota-Roweckiego

Most gen. Grota-Roweckiego, wy­budowany w latach 1977-1981 wg projektu Witolda Witkowskiego, przed przebudową był najszerszą i zarazem najbardziej ruchliwą przeprawą mosto­wą przez Wisłę w Warszawie. Przęsła zostały wybudowane jako dwa niezależ­ne stalowe, spawane ustroje blachownicowe z pomostem w postaci płyty ortotropowej. Most ma schemat sta­tyczny belki ciągłej, siedmioprzęsłowej o rozpiętościach teoretycznych przęseł wynoszących: 75 + 3 x 90 + 2 x 120 + 60 m (fot. 1). Dwa najdłuższe nur­towe przęsła mają przekrój skrzynkowy, a pozostałe – dwubelkowy (rys. 4). Wy­sokość środników dźwigarów jest stała i wynosi 4,1 oraz 4,3 m.

W 2013 r. rozpoczęła się przebu­dowa drogi krajowej, w ciągu której znajduje się most, mająca na celu dostosowanie trasy do parametrów drogi ekspresowej. Powstała koniecz­ność przebudowy mostu. Obiekt miał zostać poszerzony o dwa pasy ruchu (z 8 do 10: 2 x 2 x 3,5 m – pasy drogi ekspresowej i 2 x 3 x 3,0 m – pasy ru­chu lokalnego) oraz o chodnik i drogę dla rowerów (2,0 + 2,5 m), powstałe w miejsce wcześniejszych chodników dla obsługi. Wielkość poszerzenia po­mostu z 37,00 m (2 x 18,50 m) do 46,15 m (23,62 + 22,54 m) na dłu­gości 646 m sprawia, że była to naj­większa w Polsce i jedna z najwięk­szych w Europie operacja tego typu.

Rys. 5 Przekrój poprzeczny mostu Grota-Roweckiego po przebudowie (nitka północna)

Inwestycję przebudowy trasy S8 na odcinku między ulicami Powązkowską i Modlińską realizuje firma Metrostav, natomiast kompleksową przebudowę obiektu podwykonawca – firma B7. Zwiększenie szerokości użytkowej pomostu wpływa na zwiększenie ob­ciążeń dźwigarów, a tym samym wymusza konieczność wzmocnienia konstrukcji nośnej. Do wzmocnienia i poszerzenia ustroju przyjęto meto­dę zaproponowaną w zamiennych pro­jektach budowlanym i wykonawczym (rys. 5), sporządzonych przez biuro projektowe Mosty Gdańsk i projek­tanta Adama Nadolnego [7]. Most zaprojektowano (wg PN-85/S10030) na klasę B – ustrój niosący i podpo­ry, oraz klasę A + Stanag 150 – po­most ortotropowy. Zastosowano wspornikowe podparcie poszerzonej konstrukcji jezdni i chodników (fot. 2) oraz sprężenie zewnętrzne (fot. 3).

Fot. 1 Konstrukcja mostu Grota-Roweckiego przed przebudową

Fot. 2 Wspornik zewnętrzny (most Grota-Roweckiego)

Sprężenie mostu gen. Grota-Roweckiego

W przebudowie mostu podstawowym zadaniem sprężenia było maksymal­ne odciążenie istniejącej konstrukcji i przygotowanie jej na przejęcie do­datkowych obciążeń. Co więcej, dzięki przyjętej metodzie wzmocnienia moż­liwe było zmniejszenie ugięcia ustro­ju, a także znaczne ułatwienie wyko­nywania nowej konstrukcji – możliwy był montaż poszerzonych wsporników z poziomu pomostu „segment po segmencie”.

Sprężenie zrealizowano kablami ze­wnętrznymi systemu C firmy Freyssinet. Zastosowano kable odcinkowe, składające się z siedmiu, dziewięciu i dwunastu splotów o średnicy no­minalnej 15,7 mm, ze stali spręża­jącej o wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 1860 MPa. W przęsłach kable poprowadzono poniżej półki dolnej dźwigarów, zakotwienia za­montowano w osi środników (fot. 4), a kable odchylono w planie za pomo­cą dewiatorów (fot. 5), tak aby mo­gły zostać poprowadzone równole­gle. Jedynie w przęsłach nurtowych kable zostały dodatkowo odgięte w pionie za pomocą niewielkiej wy­sokości dewiatorów (odchylenie ka­bla od osi o 26 cm), znajdujących się w środku rozpiętości przęseł. Nad podporami kable zostały zakotwione z obu stron środników (fot. 6) i po­prowadzone poniżej płyty pomostu przez otwory w poprzecznicach, pełniące funkcję dewiatorów. Sprę­żenie zostało wykonane we wszyst­kich przęsłach i nad wszystkimi pod­porami. Najwięcej kabli znalazło się w przęsłach nurtowych – po osiem kabli 12L15,7 pod każdym środni­kiem (rys. 6).

Fot. 3 Sprężenie dolne w przęśle nurtowym

Po wykonaniu zakotwień oraz de­wiatorów zamontowano kable w ru­rach osłonowych z polietylenu. Na­ciąg kabli następował po demontażu starych i przed montażem nowych wsporników, zgodnie z programem zakładającym określoną kolejność sprężenia w kilkunastu fazach. Wy­brany na sprężenie etap robót po­zwolił na maksymalne wykorzysta­nie siły sprężającej do zmniejszenia wartości naprężeń w pozostawianym fragmencie konstrukcji. Podobnie było w przypadku sprężenia mostu w Kiezmarku, sprężonego w fazie przed wzmocnieniem nakładkami sta­lowymi i płytą żelbetową. Podczas naciągu kabli prowadzono monitoring geodezyjny odkształceń konstrukcji, porównywany na bieżąco z założe­niami projektowymi. Strzałka ugięcia przęseł zmieniała się w granicach kil­kunastu centymetrów. Po zakończe­niu montażu poszerzenia i ostatecz­nej kontroli geometrii ustroju kable sprężające zainiektowano zaczynem cementowym.

Fot. 4 Zakotwienie sprężenia dolnego

Fot. 5 Dewiator sprężenia dolnego

Wady i zalety zastosowania sprężenia zewnętrznego do wzmocnienia mostów stalowych

Sprężenie zewnętrzne mostów stalowych w celu ich wzmocnienia stosowano już wielokrotnie. Mimo to każde nowe doświadczenie, szczególnie uzyskane przy rzadkim zadaniu przebudowy dużego obiektu, jakim jest most Grota-Roweckiego, pozwa­la sformułować praktyczne wnioski dotyczące projektowania i wykonaw­stwa tego typu realizacji. Największym problemem przy projek­towaniu tego typu wzmocnienia jest konieczność lokalnego przyłożenia znacznych sił do konstrukcji, co jest istotne zwłaszcza w ustrojach sta­lowych. Trzeba zatem unikać dużej koncentracji naprężeń oraz niezbęd­na jest wnikliwa analiza kolejności i sposobu sprężenia w celu uniknięcia uszkodzeń konstrukcji podczas reali­zacji. W projekcie firmy Mosty Gdańsk problem ten rozwiązano, stosując wiele kabli o małej liczbie splotów oraz wielofazowe naciąganie kabli, dzięki czemu możliwe było stopniowe i ła­godne przykładanie siły sprężającej, dostosowane do kształtu wykresu momentu zginającego. W konsekwen­cji konieczne było pracochłonne kon­struowanie dużej liczby węzłów, czę­sto w trudno dostępnych miejscach. Ze względu na karby i związane z nimi efekty zmęczeniowe należy unikać umieszczania zakotwień w miejscach wysokiego stopnia wytężenia kon­strukcji w warunkach zmiennych naprężeń, a w przypadku stosowania spawania wykonywać je w sposób minimalizujący poziom naprężeń spa­walniczych.

Fot. 6 Zakotwienie sprężenia górnego

Fot. 7 Most Grota-Roweckiego po przebudowie