CC BY
61
УДК 624.271:620.191.46
ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ АВТОДОРОЖНІХ МОСТІВ В УМОВАХ МАЛОЦИКЛОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ
П.М. Коваль, к.т.н., ДерждорНДІ, м. Київ,
Р.І. Полюга, аспірант, НУ «Львівська політехніка», м. Львів
Анотація. Досліджена наявність малоциклових навантажень в роботі автодорожніх мостів, їх вплив на роботу конструкцій, визначені випадки їх виникнення та параметри циклів. Описано лабораторні дослідження залізобетонних балкових конструкцій. Отримано коефіцієнт, що враховує збільшення ширини розкриття тріщин при малоциклових навантаженнях. При дослідженнях був використаний метод акустичної емісії, який підтверджує висновки про процеси тріщиноутворення.
Ключові слова: малоциклові навантаження, великоваговий транспортний засіб, залізобетонні мости, розрахунок тріщиностійкості, випробування мостів, акустична емісія.
Вступ
При обстеженнях залізобетонних автодорожніх мостів часто фіксуються нормальні тріщини з шириною розкриття до 0,2 - 0,3 мм, деколи - з шириною більше 0,5 мм, які при проїзді транспорту розкриваються ще більше. Проте розрахункова ширина розкриття тріщин значно менша. Окрім цього, при періодичному обстеженні мостів може спостерігатись утворення нових тріщин та розвиток існуючих. У технічних звітах вказують на наявність таких дефектів, не пояснюючи причину виникнення.
Діючий в Україні ДБН В.2.3-14:2006 «Мости і труби. Правила проектування» поділяє всі навантаження на постійні, тимчасові та інші. Найбільш вагому частину у зборі навантажень при розрахунку мостових конструкцій становлять власна вага конструкцій та вертикальне тимчасове навантаження. У реальних умовах всі тимчасові навантаження періодично повторюються, тобто мають змінний характер дії. Тому доцільно всі зовнішні навантаження розділити на постійні та змінні [1, 2]. Серед останніх виділяються малоциклові, періодичність повторення яких може сягати декількох десятків, сотень, а деколи й тисяч циклів. Вплив малоциклових навантажень на згинані залізобетонні конструкції, які армовані без використання попереднього напруження, проявляється у збільшенні ширини розкриття тріщин у порівнянні з одноразовим навантаженням, а також збільшенні їх прогинів. Спостерігається наростання пластичних деформацій бетону, також можливе порушення зчеплення арматури з бетоном [1, 2].
Авторами проведений аналіз режимів експлуатації автодорожніх мостів в Україні [3]. Встановлено такі випадки малоциклових навантажень:
- пропуск по мостам великовагових навантажень (ВВН), (рис. 1, а). Для найбільш поширених типових проектів рівень навантаження при пропуску ВВН пСУС =М експл/М гран становить
пСу = 0,45-1.00 , де Мекспл - експлуатаційний
момент в найбільш завантаженій балці , Мгран - її несуча здатність;
- натурні випробування конструкцій мостів
(рис. 1, б), що проводяться при визначенні їх технічного стану, при цьому рівень навантаження може становити пСУ = = 0,60...0,95 , де
Мвипр -момент від випробувального навантаження в найбільш завантаженій балці, М^ч - момент від розрахункового тимчасового навантаження;
- пропуск вантажних транспортних засобів, в тому числі й тих, що не відповідають по вазі ВВН, через автодорожні мости з обмеженою вантажопідйомністю. Для таких споруд характеристики циклів визначаються індивідуально в залежності від їх технічного стану;
- інші випадки навантаження мостів до рівнів, зазначених вище.
а
Рис. 1. Малоциклові навантаження, що діють у мостах: а - пропуск ВВН вагою 4700 кН, б -натурне випробування моста
Мета і постановка задачі
Для найбільш широко розповсюджених типових збірних залізобетонних прогонових будов був виконаний перерахунок на пропуск реальних великовагових навантажень (ВВН) з метою визначення параметрів циклів повторних навантажень. Статистичні дані щодо пропуску ВВН за 2004 рік по автодорогах України (рис. 2) були надані Державною службою автомобільних доріг України (Укравтодор). До розрахунку приймались ВВН з масою вище 60 т, так як вони становлять особливо підвищену увагу при проїзді через мостові споруди.
п
1.0
N,cycle
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Рис. 2. Значення параметрів циклів повторних навантажень при ймовірному проїзді ВВН для прогонової будови ВТП-15
Ncyc - кількість ВВН масою більше 60 т, що були зареєстровані в Укравтодорі протягом 2004 року.
Нижній рівень nCyW відповідає постійному навантаженню і навантаженню від власної ваги, верхній рівень Пур - від тимчасового рухомого. Визначено, що в середньому верхній рівень навантаження для них становить
= Мексш/Мгран = 0,6°.. - .А80 . Досліджен°,
що кількість циклів за 2004 рік для певного конкретного моста становить не більше двадцяти.
З метою дослідження впливу малоциклових навантажень на роботу залізобетонних згинаних еле-
ментів в Національному університеті «Львівська політехніка» були проведені дослідження 5-ти серій залізобетонних балок (по 2 зразки кожної серії) розміром 100 х 200 х 2100 мм із ненапру-женою арматурою класу АІІІ [4]. Базою випробувань було прийнято N = 10 циклів. В попередніх дослідах на балках-близнюках при одноразовому завантаженні були визначені значення руйнівного навантаження Рсг. Рівнем навантаження, до якого доводилися зразки, прийнято 0,6Pcr. Для того, щоб симулювати довантаження конструкції до вищого рівня, після перших шести циклів з максимальним рівнем навантаження 0,6Pcr, на сьомому і восьмому циклі рівень навантаження був доведений до 0,75РСГ. Дев’ятий цикл був проведений з максимальним рівнем навантаження 0,6РСГ, десятий - знову до 0,75РСГ. Після бази випробувань балки були доведені до руйнування одноразовим прикладенням зусилля з фіксацією руйнівного навантаження. Рівні навантажень були призначені згідно параметрів циклів роботи автодорожніх мостів.
Результати досліджень
Аналіз досліджень показав, що при навантаженні конструкцій до рівня 0,6РСГ максимальна ширина розкриття тріщини збільшилась в середньому на 18 % відносно першого циклу, а після довантажень до рівня 0,75РСГ це значення зросло до 63 %. На основі виконаних досліджень пропонується ширину розкриття нормальних тріщин acr в залізобетонних елементах, що проектуються за категорією тріщиностійкості 3в визначати за формулою
(1)
де ф - коефіцієнт, який враховує характер навантаження: при одноразовому короткочасному навантаженні приймається фсус = 1,00; при повторних малоциклових навантаженнях, рівень яких становить 60 % від руйнівного, фсус = 1,18 ; якщо рівень становить 75 % від руйнівного, то
фсус = 1,40 ,ст - розтягуюче напруження, що для
ненапруженої арматури рівне as в найбільш розтягнутих стержнях, визначаються за формулами опору матеріалів; Е - модуль пружності арматури; у - коефіцієнт розкриття тріщин, який визначається в залежності від радіусу армування Rr; Дст - граничне значення розрахункової ширини розкриття тріщин.
Встановлено, що коефіцієнт фсус дозволяє враховувати малоциклове прикладання навантаження на противагу одноразовому навантаженню з задовільним степенем кореляції (рис. 3).
б
0.8
0.6
0.4
0.2
п
0.0
б
Рис. 3. Максимальна ширина розкриття тріщин балок серії Б 4 за циклами (а - обрахунок а^ згідно з ДБН В.2.3-14:2006; б - обра-
їкрпґ \
хунок асгс з врахуванням ф )
Поряд з традиційними методами досліджень будівельних конструкцій був використаний метод акустичної емісії (АЕ). В результаті досліджень отримано, що АЕ підтверджує висновки про процеси тріщиноутворення, що проходять у зразках при малоциклових навантаженнях. Найбільша кількість сигналів АЕ та накопичення їх енергії у всіх випробовуваних балках спостерігається при утворенні макротріщин на першому циклі (рис. 4).
1.6x10’ 1. 4х 104 1. 2х 104 1.0х104 8.0х103 6.0х103 4.0х103 2.0х103 0.0
В4.1 В4.2
1 .1
1 .НІ лі ...Лі іі
2 3 4 5
8 9
10 п
Рис. 4. Накопичення сигналів АЕ балок серії 4 на ступенях навантажень за циклами
При подальших циклах відбувається зменшення та стабілізація інтенсивності АЕ випромінювання, що узгоджується з стабілізацією розвитку тріщин у дослідних балках, яка наступає після 5 - 7 циклів. Стабілізація порушується довантаженням на сьомому циклі до вищого рівня, збільшення рівня навантаження при цьому викликає різке підвищення накопичення сигналів АЕ і відповідає інтенсивному розвитку тріщин. При наступних повторних навантаженнях знов відмічається стабілізація АЕ випромінювання. Отримано важливий висновок, що стабілізація накопичення сигналів АЕ та накопичення їх енергії співпадає з стабілізацією деформаційних процесів в балках - розвитком прогинів та тріщиноутворення.
На основі цих досліджень були розроблені рекомендації щодо діагностики автодорожніх мостів в умовах малоциклових навантажень з використанням методу АЕ [5]. Ці рекомендації, а також розрахунок тріщиностійкості згідно запропонованої формули (1) були використані при випробуванні моста через р. Тетерів біля с. Дениши Житомирської обл. [6] та моста через р. Березіна на авто-дорозі Мінськ - Москва у Республіці Білорусь. При цьому порахована ширина розкриття тріщин точніше відповідає ширині розкриття реальних тріщин балок у порівнянні з величиною, отриманою згідно ДБН. При навантаженні натурних залізобетонних конструкцій мостів згідно з запропонованими схемами малоциклових навантажень результати випробувань з використанням методу АЕ добре узгоджуються з даними візуального огляду та традиційних методів досліджень.
Висновки
Результати виконаних досліджень свідчать про наявність малоциклових навантажень при експлуатації автодорожніх мостів, що не враховують діючі норми з розрахунку та проектування мостів.
Згідно з дослідженями, ці рівні становлять
Пр = Мексш/Мш, = 0,45 -1,00 і в основному
залежать від конструкцій прогонових будов мостів та їх технічного стану.
Запропоновано враховувати дію малоциклових навантажень на залізобетонні конструкції мостів введенням у формулу ДБН для визначення ширини розкриття тріщин коефіцієнта фсус, що враховує вплив повторних навантажень, рівень яких становить 60 % від руйнівного, ф = 1,18; при рівні навантажень 75 % від руйнівного
Фсус = 1,40.
АЕ підтверджує висновки про процеси тріщиноу-творення, що проходять у залізобетонних балках при малоциклових навантаженнях, а саме проце-
а
0
6
7
си інтенсивного розвитку тріщин та стабілізації тріщиноутворення.
Використання формули (1) та рекомендацій з діагностики балкових конструкцій з використанням методу АЕ добре узгоджуються з реальними даними натурних випробувань автодорожніх мостів.
Література
1. Бабич Є.М. Вплив тривалих і малоциклових
навантажень на механічні властивості бетонів та роботу залізобетонних елементів. -Автореф. дис. докт. техн. наук. - Одеса, 1995. - 43 с.
2. Бабич Є.М., Крусь Ю.О. Бетонні та залізобе-
тонні елементи в умовах малоциклових навантажень: Монографія. - Рівне: Вид-во РДТУ, 1999. - 119 с.
3. Коваль П.М., Полюга Р.І. Робота автодорожніх
мостів під дією малоциклових навантажень // Автодорожник України. - 2006. - № 3. -С. 34 - 37.
4. Полюга Р.І. Пропозиції до розрахунку тріщи-
ностійкості мостів на дію малоциклових навантажень // Вісн. Львів. держ. аграр. ун-ту: Архітектура і сільськогосподарське будівництво. - Львів. - 2006. - № 7 - С. 296 - 304.
5. Коваль П.М., Полюга Р.І., Сташук П.М. Діаг-
ностика залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень, із використанням методу акустичної емісії // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наукових праць. - Рівне: НУВГП. - 2006. -Вип. 14. - С. 481 - 487.
6. Коваль П.М., Полюга Р.І., Сташук П.М., Фаль
А.Є. Дослідження конструкцій автодорожнього моста в умовах малоциклових навантажень // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - К.: НТУ. - 2006. - № 73 -С. 152 - 159.
Рецензент: В.К. Жданюк, професор, д.т.н., ХНАДУ. Стаття надійшла до редакції 12 вересня 2006 р.
