Требования к полимерным конструкциям пешеходных мостов согласно стандарту 33119-2014

Общие положения и область применения ГОСТ 33119-2014

Межгосударственный стандарт ГОСТ 33119-2014 устанавливает технические условия на полимерные композитные конструкции, предназначенные для пешеходных мостов и путепроводов. Стандарт был введён в действие с 1 июля 2015 года и распространяется на несущие конструктивные элементы из полимерных композитов, используемых в строительстве, реконструкции и ремонте пешеходных мостовых сооружений.

Документ разработан на основе европейских рекомендаций Центра исследований и нормирования в гражданском строительстве Европейского Союза, с учётом существенных климатических различий территорий Западной Европы и континентальной Евразии. Стандарт использует единые базовые принципы для обеспечения безопасности и надёжности эксплуатации пешеходных мостов из полимерных композитных материалов.

Область применения ГОСТ 33119-2014 охватывает разработку проектной документации на строительство новых объектов, ремонт и реконструкцию существующих пешеходных мостов с применением композитных материалов. Стандартом руководствуются заказчики строительства, проектные и строительные организации, а также специалисты, осуществляющие контроль приёмки работ, испытания, мониторинг и эксплуатацию мостовых сооружений.

Основные определения и термины стандарта

ГОСТ 33119-2014 вводит специализированную терминологию для точного описания конструктивных элементов и технических характеристик композитных материалов. Полимерные композитные конструкции определяются как несущие и ненесущие элементы мостов, изготовленные из композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной волокнистыми наполнителями.

Ключевым понятием является пролётное строение пешеходного моста, которое представляет собой несущую конструкцию, перекрывающую пространство между опорами и воспринимающую нагрузки от элементов обустройства и пешеходов с последующей передачей их на опоры. В контексте стандарта под пролётным строением понимается единая конструкция из полимерного композита, где мостовое полотно является составной частью.

Термин коэффициент надёжности по материалу обозначает расчётный коэффициент, учитывающий неоднородность свойств полимерного композита и используемый для определения нормативных значений сопротивлений материала. Температура тепловой деформации представляет собой критический параметр, при котором начинается изменение формы стандартного образца под нагрузкой, что критично для оценки работоспособности конструкций при повышенных температурах.

Классификация конструктивных элементов

Стандарт разделяет композитные элементы пешеходных мостов на несколько функциональных категорий. Несущие конструкции включают пролётные строения, главные балки, фермы и другие элементы, воспринимающие основные эксплуатационные нагрузки. Перильные ограждения относятся к конструктивным элементам безопасности, расположенным с внешней стороны пролётного строения для защиты от случайного падения.

Трёхслойные конструкции представляют особый интерес, так как они состоят из верхнего и нижнего профилей из многослойного полимерного композита и системы поперечных и продольных дискретных стенок, соединяющих профили в единую несущую систему. Такая конфигурация обеспечивает высокую жёсткость при относительно небольшой массе конструкции.

Требования к физико-механическим свойствам композитов

Полимерный композит конструктивных элементов пешеходных мостов должен представлять собой конструкционный многослойный материал (ламинат), каждый слой которого (ламель) состоит из термореактивной смолы, наполненной армирующими материалами. Стандарт допускает использование однослойного материала только для конструктивных элементов, не являющихся несущими конструкциями.

В качестве термореактивных смол применяются эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные и фенолформальдегидные композиции, обладающие необходимой химической стойкостью и механической прочностью. Армирующие волокна включают стеклянные, углеродные, базальтовые и арамидные волокна в виде тканей, матов, нетканых материалов или ровингов.

Физико-механические свойства композитов определяются объёмным содержанием армирующих волокон, типом полимерной матрицы, схемой армирования и технологией изготовления. Для несущих конструкций рекомендуется объёмное содержание армирующих волокон не менее 50 процентов, что обеспечивает необходимую прочность и жёсткость при минимальной массе.

Характеристики прочности и модулей упругости

Прочностные характеристики полимерных композитов определяются в соответствии с межгосударственными стандартами на методы механических испытаний. Прочность при растяжении для многослойных ламинатов должна составлять не менее 200 МПа в направлении основного армирования при нормальной температуре. Этот показатель критичен для расчёта элементов, работающих на растяжение, таких как нижние пояса ферм и главные балки.

Прочность при сжатии композитных элементов нормируется на уровне не менее 150 МПа вдоль основного направления армирования. Данный параметр имеет особое значение для сжатых элементов пролётных строений, стоек и верхних поясов ферм. Испытания проводятся на образцах в виде параллелепипедов с прямоугольным основанием согласно методике ГОСТ 25.602-80.

Модули упругости при различных видах нагружения

Модуль упругости при растяжении ортогонально армированных стеклопластиков находится в диапазоне от 20 до 30 ГПа в пределах линейного участка диаграммы деформирования. Этот показатель определяет жёсткость конструкции и её способность сопротивляться упругим деформациям под действием эксплуатационных нагрузок. Модуль упругости при сжатии должен быть не менее 20 ГПа на начальном линейном участке кривой деформирования.

Прочность при изгибе композитных панелей, применяемых в настилах и панелях пролётных строений, должна составлять не менее 180 МПа при трёхточечном изгибе согласно ГОСТ 4648-2014. Прочность при межслоевом сдвиге является критическим параметром для многослойных ламинатов и нормируется на уровне не менее 25 МПа, так как именно этот вид разрушения часто лимитирует несущую способность слоистых конструкций.

Дополнительные механические параметры

Коэффициент Пуассона для композитных материалов обычно находится в пределах от 0,25 до 0,35, что характеризует отношение поперечной деформации к продольной при одноосном нагружении. Этот параметр используется в расчётах напряжённо-деформированного состояния композитных элементов и учитывает анизотропию свойств материала.

Температура тепловой деформации (HDT) полимерных композитов должна быть не менее 80 градусов Цельсия, что обеспечивает сохранение формы конструкций под нагрузкой при повышенных температурах эксплуатации. Испытания проводятся согласно ГОСТ 15088-83 на стандартных образцах при заданном уровне напряжений.

Расчётные нагрузки для проектирования мостов

Нормативная временная вертикальная нагрузка от пешеходов на проезжую часть пешеходных мостов принимается в виде равномерно распределённой нагрузки интенсивностью 4,0 кПа, что эквивалентно 400 килограмм на квадратный метр. Эта величина установлена с учётом возможного скопления большого количества людей на мостовом сооружении и соответствует требованиям ГОСТ 33390-2015 для пешеходных мостов.

При расчёте композитных пролётных строений на колебания необходимо учитывать возможность загружения толпой, создающей динамическую нагрузку интенсивностью 0,50 кПа. Расчётные периоды собственных колебаний пролётного строения в незагруженном состоянии по двум низшим формам не должны попадать в интервал от 0,45 до 0,60 секунды в вертикальной плоскости и от 0,9 до 1,2 секунды в горизонтальной плоскости, чтобы избежать резонансных явлений при синхронном движении пешеходов.

Сосредоточенные нагрузки и воздействия на элементы обустройства

Для учёта локальных воздействий от техники обслуживания моста применяется вертикальная сосредоточенная нагрузка величиной 10,0 кН с площадкой распределения от колёс размером 0,015 квадратных метра (0,15 на 0,10 метра). Эта нагрузка рассматривается при отсутствии других временных нагрузок и используется для проверки местной прочности настилов и панелей мостового полотна.

Перильные ограждения рассчитываются на горизонтальную распределённую нагрузку интенсивностью 1,0 кН на погонный метр и сосредоточенную нагрузку 1,27 кН, приложенную вертикально или горизонтально в наиболее неблагоприятной точке. Эти требования обеспечивают безопасность пешеходов при случайных воздействиях на перильные конструкции.

Климатические нагрузки и воздействия

Снеговая нагрузка на пешеходные мосты определяется в соответствии с СП 20.13330 для конкретного климатического района. Расчётное значение снеговой нагрузки получают умножением нормативного значения для данного снегового района на коэффициент надёжности по нагрузке. Ветровые воздействия учитываются согласно СП 20.13330 с учётом местных топографических условий и аэродинамических характеристик конструкции моста.

Температурные воздействия на композитные конструкции включают равномерное изменение температуры в диапазоне от минус 45 до плюс 50 градусов Цельсия, а также неравномерный нагрев элементов солнечной радиацией. Коэффициент линейного температурного расширения для стеклопластиков составляет примерно 20-30 на десять в минус шестой степени на градус Цельсия, что необходимо учитывать при проектировании узлов сопряжения.

Коэффициенты надёжности и безопасности

Коэффициент надёжности по нагрузке для временных вертикальных нагрузок от пешеходов принимается равным 1,4. Это значение учитывает возможные отклонения фактической нагрузки от нормативной и обеспечивает необходимый запас прочности конструкций. Для постоянных нагрузок от собственного веса композитных элементов коэффициент надёжности обычно составляет 1,1.

Коэффициент надёжности по материалу для полимерных композитов устанавливается в диапазоне от 1,5 до 2,0 в зависимости от вида напряжённого состояния, технологии изготовления и степени контроля качества. Более высокие значения применяются для композитов с менее однородной структурой или при недостаточном опыте эксплуатации аналогичных конструкций. Этот коэффициент учитывает неоднородность свойств композита и используется для определения нормативных значений сопротивлений материала.

Динамический коэффициент и коэффициент ответственности

К вертикальным подвижным нагрузкам для пешеходных мостов динамический коэффициент принимается равным 1,0, то есть динамическое воздействие не учитывается. Это обусловлено тем, что скорость движения пешеходов относительно невелика и не вызывает значительных динамических эффектов в конструкциях. Исключение составляет расчёт на колебания от синхронного движения толпы, где используется специальная динамическая нагрузка.

Коэффициент надёжности по ответственности зависит от класса ответственности пешеходного моста и может принимать значения от 0,95 до 1,10. Для обычных пешеходных мостов он обычно равен 1,0. Повышенные значения применяются для мостов особо важного значения, расположенных над транспортными магистралями или в местах массового скопления людей.

Сочетания нагрузок и расчётные ситуации

При расчёте композитных конструкций рассматриваются различные сочетания нагрузок в соответствии с положениями СП 35.13330. Основные сочетания включают постоянные нагрузки (собственный вес, вес оборудования) в комбинации с временными длительными нагрузками (часть пешеходной нагрузки) и кратковременными нагрузками (полная пешеходная нагрузка, снеговая нагрузка).

Особые сочетания учитывают воздействия сейсмических нагрузок для районов с сейсмичностью до 9 баллов, аварийные ситуации после внезапного выхода из строя отдельных элементов, а также экстремальные климатические воздействия. Для каждого сочетания применяются соответствующие коэффициенты сочетаний, уменьшающие вероятность одновременного превышения несколькими нагрузками их расчётных значений.

Требования к долговечности конструкций

Расчётные сроки службы полимерных композитных конструкций устанавливаются соответствующими территориальными нормами с учётом местных условий эксплуатации сооружения. Рекомендуемую проектную продолжительность эксплуатации несущих конструкций допускается принимать равной 100 лет согласно пункту 5.3.1.2 ГОСТ 33119-2014. Этот срок сопоставим с долговечностью традиционных стальных и железобетонных мостов и обеспечивается при соблюдении всех требований стандарта по материалам, технологии изготовления и защитным покрытиям.

Значения температуры хрупкости и максимальной температуры изгиба под нагрузкой полимерных композитов должны находиться за пределами диапазона расчётных температур эксплуатации пешеходного моста не менее чем на 30 градусов Цельсия. Это требование создаёт необходимый запас, гарантирующий работоспособность конструкций даже при кратковременных выходах температуры за пределы расчётного диапазона от минус 45 до плюс 50 градусов.

Факторы, влияющие на долговечность композитов

Основными факторами, ограничивающими долговечность полимерных композитов, являются воздействие ультрафиолетового излучения, циклические изменения температуры и влажности, химическая агрессия окружающей среды и механический износ рабочих поверхностей. Деградация полимерной матрицы под действием ультрафиолета приводит к снижению прочности поверхностных слоёв и проникновению влаги в структуру композита.

Водопоглощение композитного материала не должно превышать 1,5 процента по массе, так как насыщение влагой приводит к пластификации полимерной матрицы, снижению прочности при межслоевом сдвиге и модуля упругости материала. Циклические процессы замораживания и оттаивания влаги в микропорах композита вызывают постепенное расслоение и снижение несущей способности.

Прогнозирование срока службы

Для прогнозирования долговечности композитных конструкций применяются методы ускоренных испытаний образцов материала в условиях повышенных температур, влажности и ультрафиолетового облучения. Полученные данные о скорости деградации свойств экстраполируются на реальные условия эксплуатации с использованием кинетических моделей старения. Допустимое снижение прочности композита за расчётный срок службы не должно превышать 20 процентов от исходных значений.

Программы мониторинга технического состояния композитных мостов включают периодические визуальные осмотры, инструментальные измерения прогибов и деформаций, а также отбор и испытание образцов материала из неответственных зон конструкции. Периодичность мониторинга устанавливается проектной организацией исходя из условий эксплуатации, но должна быть не реже одного раза в пять лет для обычных условий.

Климатические воздействия и температурный диапазон

Рекомендуемые внешние условия, в которых могут эксплуатироваться композитные пешеходные мосты, определяются интервалом расчётных температур от минус 45 до плюс 50 градусов Цельсия. Этот диапазон охватывает климатические условия большей части территории континентальной Евразии, включая регионы с резко континентальным климатом, где наблюдаются значительные суточные и годовые колебания температуры.

Географические зоны применения композитных мостов включают территории от сухих до влажных в соответствии с действующими климатическими классификациями. Особое внимание уделяется регионам с высокой влажностью и интенсивным солнечным излучением, где усиливаются процессы деградации полимерной матрицы. В приморских зонах дополнительным фактором является воздействие солевого тумана, вызывающего ускоренную коррозию металлических элементов крепежа и усиление.

Влияние температуры на механические свойства

При понижении температуры эксплуатации композитные материалы становятся более хрупкими, что требует обеспечения запаса вязкости разрушения. Температура хрупкости полимерного композита должна находиться ниже минимальной расчётной температуры эксплуатации не менее чем на 30 градусов, то есть быть ниже минус 75 градусов Цельсия для обычных условий применения.

При повышении температуры происходит размягчение полимерной матрицы, снижение модуля упругости и прочности композита. Максимальная температура изгиба под нагрузкой должна превышать верхний предел расчётного диапазона не менее чем на 30 градусов, составляя не менее 80 градусов Цельсия. Это обеспечивает сохранение формоустойчивости конструкций даже при локальном нагреве отдельных элементов солнечной радиацией.

Сейсмические воздействия

Географический район применения композитных пешеходных мостов ограничивается территориями с сейсмичностью до 9 баллов включительно. При проектировании мостов в сейсмических районах учитываются горизонтальные и вертикальные ускорения грунта, определяемые в соответствии с СП 14.13330. Композитные конструкции благодаря малой массе и высокой прочности обладают хорошей сейсмостойкостью, однако требуется тщательное проектирование узлов крепления к опорам.

Расчёт на сейсмические воздействия выполняется методом спектрального анализа или прямым динамическим расчётом с учётом реальных динамических характеристик конструкции. Особое внимание уделяется обеспечению пластичности узловых соединений и предотвращению хрупкого разрушения композитных элементов при экстремальных нагрузках.

Защитные покрытия и пожарная безопасность

На поверхность композитных конструкций должно быть нанесено в заводских условиях покрытие, обеспечивающее стойкость полимерного композита к внешним воздействиям, включая ультрафиолетовое излучение и воздействие влажности. Такие покрытия обычно выполняются на основе полиуретановых, эпоксидных или акриловых композиций с добавлением ультрафиолетовых стабилизаторов и пигментов.

На рабочую поверхность несущих конструкций, таких как проезжая часть пролётных строений и лестничные марши, наносится защитное износостойкое покрытие. Это покрытие должно соответствовать требованиям по истираемости согласно ГОСТ 13015 для изделий, работающих в условиях повышенной интенсивности движения, в течение всего срока службы покрытия, а также требованиям по морозостойкости.

Требования пожарной безопасности

Предел огнестойкости несущих конструкций композитных пешеходных мостов должен быть не менее RE 30 по ГОСТ 30247.0 и ГОСТ 30247.1, что означает сохранение несущей способности в течение не менее 30 минут при стандартном температурном режиме пожара. Это требование обеспечивает безопасную эвакуацию людей и возможность тушения пожара до критического повреждения конструкций.

Значения характеристик пожарной опасности полимерных композитов нормируются следующим образом: группа горючести не ниже Г3 (нормально горючие материалы), группа воспламеняемости не ниже В2 (умеренно воспламеняемые), группа дымообразующей способности не выше Д3 (высокая дымообразующая способность), группа токсичности продуктов горения не выше Т3 (высокоопасные). Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности на всех стадиях жизненного цикла осуществляются в соответствии с ГОСТ 12.1.004.

Антивандальная защита и эстетические требования

Защитные покрытия композитных конструкций должны быть стойкими к граффити и химическим загрязнениям, легко очищаться без повреждения. Цветовое решение покрытий выбирается с учётом архитектурного окружения и может включать различные оттенки, обеспечивающие гармоничное вписывание моста в городскую или природную среду. Все защитные покрытия должны быть ремонтопригодными, то есть допускать восстановление без демонтажа конструкций.

Методы испытаний композитных материалов

Испытания композитных материалов на растяжение проводятся согласно ГОСТ 25.601-80 на образцах в виде полосы прямоугольного сечения для однонаправленных композитов или в виде лопатки для материалов с неоднонаправленной арматурой. На испытательной машине образец равномерно нагружают с заданной постоянной скоростью до разрушения, регистрируя нагрузку и деформацию. По результатам испытаний определяют предел прочности, модуль упругости и коэффициент Пуассона.

Испытания на сжатие выполняются в соответствии с ГОСТ 25.602-80 на образцах в виде параллелепипеда с прямоугольным основанием. Для материалов с модулем упругости более 20 ГПа и толщиной более 1,5 миллиметра при нагрузке, не превышающей 50 процентов разрушающей, длина рабочей части образца составляет 60 миллиметров. Используются специальные приспособления, предотвращающие потерю устойчивости образца при сжатии.

Специализированные виды испытаний

Испытания на межслоевой сдвиг проводятся по методике ГОСТ 32659-2014 на коротких балочных образцах при трёхточечном изгибе. Этот вид испытаний критичен для оценки качества межслоевой связи в многослойных ламинатах. Низкие значения прочности при межслоевом сдвиге указывают на дефекты структуры, такие как расслоения, непропитанные участки или воздушные включения.

Определение температуры тепловой деформации осуществляется согласно ГОСТ 15088-83 на стандартных образцах, нагруженных изгибающим моментом и помещённых в среду с постепенно повышающейся температурой. Температурой тепловой деформации считается значение, при котором прогиб образца достигает заданной величины. Этот параметр характеризует теплостойкость полимерной матрицы и применимость материала при повышенных температурах.

Контроль качества изготовления

Неразрушающий контроль качества композитных изделий включает визуальный осмотр поверхностей на предмет дефектов, таких как трещины, вмятины, расслоения и непропитанные участки. Ультразвуковой контроль применяется для выявления внутренних дефектов структуры, включая воздушные включения, расслоения и области с недостаточной пропиткой армирующих волокон.

Методы акустической эмиссии позволяют контролировать развитие повреждений в композитных конструкциях под нагрузкой. Термографический контроль используется для выявления дефектов по разнице температур на поверхности изделия при внешнем тепловом воздействии. Все методы неразрушающего контроля должны применяться квалифицированным персоналом с использованием аттестованного оборудования.

Особенности расчёта композитных элементов

Расчёт композитных конструкций пешеходных мостов выполняется по предельным состояниям первой и второй группы. К первой группе относятся состояния, ведущие к потере несущей способности конструкций: разрушение по прочности армирующих волокон, разрушение по прочности полимерной матрицы, потеря устойчивости сжатых элементов и общей устойчивости конструкции, прогрессирующее разрушение после локального повреждения.

Ко второй группе предельных состояний относятся чрезмерные прогибы и деформации, снижающие эксплуатационные качества моста, раскрытие трещин в защитных покрытиях, локальные повреждения поверхностных слоёв композита и колебания конструкций, вызывающие дискомфорт у пешеходов. Вертикальные упругие прогибы пролётных строений от временной нагрузки не должны превышать одной четырёхсотой расчётной длины пролёта.

Учёт анизотропии свойств композитов

Композитные материалы обладают выраженной анизотропией механических свойств, то есть прочность и жёсткость значительно различаются в направлении армирования и поперёк него. Для учёта анизотропии применяются методы механики композитов, использующие матрицы жёсткости и податливости для описания напряжённо-деформированного состояния материала в различных направлениях.

Расчёт многослойных ламинатов основан на классической теории слоистых пластин, где каждый слой рассматривается как ортотропный материал с известными характеристиками в главных направлениях. Суммарные жёсткостные характеристики ламината определяются интегрированием свойств отдельных слоёв с учётом их толщины и ориентации армирования.

Критерии прочности композитных материалов

Для оценки прочности композитных элементов при сложном напряжённом состоянии применяются специальные критерии разрушения, учитывающие различие прочности при растяжении и сжатии в разных направлениях. Наиболее распространёнными являются критерий максимальных напряжений, критерий Цая-Ву и критерий Хашина, каждый из которых имеет свои области применения и ограничения.

При расчёте композитных балок и ферм учитывается возможность различных форм разрушения: разрушение волокон при растяжении, разрушение матрицы при сжатии, межслоевой сдвиг, расслоение и потеря устойчивости тонких стенок. Проверка несущей способности выполняется для всех возможных форм разрушения с обеспечением необходимых запасов прочности.

Контроль качества при производстве и приёмке

Входной контроль сырья и материалов является критически важным этапом обеспечения качества композитных конструкций. Проверяются сертификаты соответствия на полимерные смолы, армирующие волокна, наполнители и вспомогательные материалы. Образцы каждой партии смолы испытываются на вязкость, время гелеобразования, степень отверждения и прочность при стандартных условиях. Армирующие волокна контролируются по прочности на разрыв, модулю упругости и поверхностной плотности.

Операционный контроль в процессе изготовления включает мониторинг температурных режимов отверждения, контроль качества пропитки армирующих волокон, проверку толщины слоёв и общей толщины ламината, контроль содержания пор и воздушных включений. Ведутся журналы технологических параметров для каждого изделия, позволяющие отследить условия изготовления при обнаружении дефектов.

Приёмочные испытания готовых конструкций

Приёмка композитных конструкций осуществляется на основе результатов контрольных испытаний образцов-свидетелей, изготовленных одновременно с основными изделиями из тех же материалов и по той же технологии. Образцы-свидетели испытываются на растяжение, сжатие, изгиб и межслоевой сдвиг для подтверждения соответствия механических характеристик проектным значениям.

Готовые конструкции подвергаются неразрушающему контролю методами ультразвукового контроля, визуального осмотра и измерения геометрических параметров. Проверяется соответствие фактических размеров проектным с учётом допустимых отклонений, отсутствие недопустимых дефектов поверхности и структуры, качество защитных покрытий и антикоррозионной защиты металлических элементов крепежа.

Испытания готового мостового сооружения

Перед вводом в эксплуатацию пешеходный мост подвергается приёмочным испытаниям под нагрузкой. Статические испытания проводятся путём загружения пролётного строения равномерно распределённой нагрузкой, превышающей нормативную пешеходную нагрузку. Измеряются прогибы в характерных сечениях, деформации элементов, раскрытие стыков и соединений.

Динамические испытания включают регистрацию колебаний пролётного строения при воздействии импульсных нагрузок, определение частот и форм собственных колебаний, оценку демпфирующих свойств конструкции. Результаты испытаний сопоставляются с расчётными значениями, и при удовлетворительном соответствии мост допускается к эксплуатации. Все данные испытаний заносятся в паспорт сооружения и хранятся в течение всего срока эксплуатации.