CC BY
214
УДК 624.24.092
ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ
В.П. Кожушко, профессор, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Приведена оценка влияния различных дефектов, возникших в процессе эксплуатации или строительства, на несущую способность пролётных строений автодорожных мостов. Исследования выполнены на основе разработанного автором метода расчета пролётных строений.
Ключевые слова: выщелачивание бетона, главные единичные перемещения, дополнительная постоянная нагрузка, единичные перемещения, коррозия арматуры, образование трещин, ползучесть бетона, прогиб полосы в месте фиктивного защемления, угол поворота фиктивного защемления.
Введение
При некачественном строительстве автодорожных мостов и небрежной их эксплуатации возникают многочисленные дефекты, которые в разной степени влияют на несущую способность пролетных строений. Это следующие дефекты: некачественное объединение (а иногда и вовсе отсутствие объединения) сборных элементов пролетных строений строящихся или реконструируемых мостов, коррозия арматуры и выщелачивание бетона в результате плохого водоотвода, отколы бетона и обнажение арматуры, трещины в бетоне, слабое объединение по диафрагмам или разрывы диафрагм, наращивание слоев покрытия, проявление ползучести бетона, снижение сил предварительного натяжения и др.
Анализ решений по определению несущей способности пролетных строений
В настоящее время разработан ряд довольно точных методов определения несущей способности пролетных строений автодорожных мостов. Это -метод Б.Е.Улицкого [1] энергетические методы Л.В. Семенца [2] и Н.П.Лукина [3], метод шарнирной цепи М.Е. Гибшмана [4], метод, базирующийся на использовании МКЭ и комплекса «Лира» [5] и др. Однако каждый из этих методов имеет свою область применения. Метод Б.Е. Улицкого разработан для балочных пролетных строений, но он не может быть применен при расчете рамных и других конструкций пролетных строений и не дает возможности учесть явление ползучести или трещин на распределение усилий между главными элементами пролетного строения. Метод Л.В. Се-менца имеет такую же область и возможности применения, как и метод Б.Е. Улицкого.
Метод Н.П. Лукина применим только при расчете железобетонных разрезных бездиафрагменных пролетных строений и работающих только в упругой стадии. Метод шарнирной цепи используют при определении НДС только сборных плитных пролетных строений, хотя для других балочных мостов М.Е. Гибшманом [4] разработаны и другие методы, но они тоже не могут быть применены для всех пролетных строений. На кажущуюся простоту и универсальность метода конечных элементов с применением программы «Лира» этот метод, даже в обработке А.И. Лантух-Лященко [5], представляет большие трудности, т.к. требует для каждого пролетного строения создавать свою сетку конечных элементов со своими граничными условиями.
Трудно или невозможно применить эти методы при резко нерегулярных конструкциях пролетных строений, которые приходится устраивать при ушире-нии существующих мостов, или при учете всех возможных дефектов. Таким образом, для оценки влияния дефектов на НДС пролетного строения нужно изыскивать другие методы расчета.
Цель и постановки задачи
Расчет всех типов пролетных строений с учетом всех упомянутых дефектов и длительных факторов возможен при использовании разработанного автором метода расчета [6-10], основы которого для исследования мостов с дефектами изложены ниже.
Реализация задачи. Анализ влияния дефектов на несущую способность пролетного строения
В разработанном нами методе предлагается поперек моста вырезать полосу (рис.1), которая рассматривается как полоса на винклеровском основании [6 - 10].
Роль пружин играют главные продольные несущие элементы пролетного строения. Для реализации решения используется смешанной метод строительной механики, предложенный Б.Н. Жемочкиным для расчета полос (балок) на упругом грунтовом основании, для чего вводим фиктивное защемление на левом конце полосы (в точке А).
3 М «5
И=1
ттттттп
Х1 Х2 Хз
Хп
Рис. 1. Основная схема поперечной полосы
Тогда определение неизвестных усилий Х, угла поворота фА и прогиба уА фиктивного защемления осуществляется в результате решения системы уравнений (1). г
ЪпХ 1 +... + 51ИХИ + а1^А + у а =Д1 р;
ЪП1Х1 +... + ЪппХп + ап Фа + УА = Дпр;
1 п т ,лл
< 2 х,. =2 Х}; (1)
,=1 ]=1
пт
2 X, • а,. =2 р^ ■ а^
1=1 ¡=1
где 5Л - единичные перемещения поперечной полосы от сил Х1 = 1; а1 - расстояния от фиктивного защемления до -того главного элемента пролетного строения; pj - сосредоточенные силы, приложенные к поперечной полосе; Др -
свободные члены, т.е. перемещения в точке 1 -той внешних сосредоточенных усилий pJ. Единичные перемещения 5п поперечной полосы в , -той точке от единичного усилия Хп =1 следует определять по формуле (2)
5... = V,,
(2)
Формула по определению главных единичных перемещений включает в себя еще один член, который учитывает деформацию главного продольного несущего элемента
5 . . = V. . + у..
и и ■/ и
(3)
В формулах (2) и (3) V п - прогиб . -той точки поперечной полосы от силы Хп = 1; у. - прогиб главного продольного элемента в том сечении, в котором вырезана поперечная полоса.
Если к полосе над каким-то главным элементом приложить единичную силу q = 1, то в результате решения системы уравнений (1) будут получены ординаты Х линии влияния усилия на тот продольный элемент, над которым установлена единичная сила q =1. Методика загружения линий влияния усилий постоянной и временной нагрузками известна.
Анализ формул (21) и (3) показывает, что решение может быть получено при любом законе изменения поперечной жесткости пролетного строения, т.е. при любом законе изменения толщины плиты проезжей части в бездиафрагменных пролетных строениях или размеров диафрагм (поперечных балок) в диафрагменных строениях. При ступенчатом изменении жесткости поперечной полосы для определения прогиба Vin следует воспользоваться правилом
Верещагина, при ином законе изменения поперечной жесткости - формулой Максвелла-Мора. Эти перемещения также могут быть получены с учетом трещин, ползучести, двухосного напряженного состояния или с учетом дефектов.
Величина прогиба у. определяется от единичной равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q = 1 и зависит от сечения, в котором вырезается поперечная полоса, и вида главного продольного элемента (это разрезная или неразрезная балки, рама, арка или комбинированный элемент), т.е. этот прогиб по справочникам может быть определен для любого по конструкции и
материалу пролетного строения. Прогиб у. может быть определен с учетом дефектов главного продольного элемента, с учетом трещин, ползучести и других факторов.
Используя предложенный расход расчета, проанализируем степень влияния различных дефектов на работу пролетного строения.
Коррозия арматуры приводит к уменьшению жесткости железобетонных элементов примерно на 12 - 30 %, что, как показали наши исследования, практически не сказывается на распределительной способности пролетных строений, т.е. величины внутренних усилий от постоянной и временной нагрузок практически не изменяется. В результате выщелачивания бетона ухудшаются характеристики материала (скажем, снижается класс бетона); но не на столько, чтобы резко изменились жесткости, т.е. и в этом случае распределительная способность практически тоже мало меняется.
В связи с этим казалось бы, что эти дефекты мало
влияют на несущую способность пролетных строений. Однако, не следует забывать о том, что уменьшение площади рабочей арматуры и снижение качества бетона приводит к резкому уменьшению несущей способности элементов (т.е. к уменьшению предельных изгибающих, крутящих моментов и поперечных сил и невыполнению требований норм по трещиностойкости и деформациям. Таким образом, при прежних величинах моментов и поперечных сил от внешних нагрузок могут произойти и происходят разрушения железобетонных пролетных строений, особенно пролетных строений, армированных проволочной арматурой. В связи с этим наблюдается резкое снижение сроков службы железобетонных мостов (как показали данные обследований украинских и русских исследователей, срок службы сборных железобетонных мостов снижается до 35 - 40 лет).
Коррозия металлических пролетных строений может одновременно привести как к снижению несущей способности элементов моста, так и к перераспределению усилий от внешних нагрузок между элементами.
Трещина особенно в сжатой зоне или косые трещины в опорных и приопорных участках свидетельствуют о недостаточной несущей способности железобетонных элементов, в связи с чем требуется ограничение веса транспортных средств, которые перемещаются по мосту, и срочные усиления элементов пролетного строения. Значительное раскрытие трещин в растянутой зоне железобетонных изделий приводит к усиленной коррозии арматуры и уменьшению несущей способности элементов. Исследования ряда авторов показали, что при увлажнении арматуры внутри бетона происходит более интенсивно коррозии, чем на открытом воздухе. Это еще более усугубляет работу конструкции и приводит к снижению долговечности.
Часто наблюдается слабое объединение диафрагм соседних продольных элементов или разрыв диафрагм в процессе эксплуатации моста. Проведенный нами анализ работы диафрагменных пролетных строений показал, что при разрыве нескольких диафрагм в поперечной плоскости не приводит к существенным изменениям значений максимальных моментов и поперечных сил в главных балках, но при этом значительно меняется распределительная способность пролетного строения.
Разрыв же диафрагм в одной продольной плоскости в процессе эксплуатации сооружения, необъединение главных продольных элементов в процессе строительства (что часто наблюдается при возведении сборных плитных мостов или при уширении мостов, когда старая и новая части пролетных строений не объединяются) внутренние усилия в главных продольных элементах резко возрастают и значительно превышают предельные значения, что, без сомнения, приведет к разрушению пролетных строений.
В связи с этим после проведения работ по ушире-нию мостов при объединении старого и нового пролетных строений наблюдается парадоксальная ситуация, когда по уширенному мосту после его реконструкции становится невозможен пропуск даже тех транспортных средств, под которые было рассчитано старое пролетное строение.
Наращивание слоев покрытия, которое осуществляется чаще всего путем укладки дополнительных слоев асфальтобетона, однозначно приводит к ограничению веса пропускаемых по мосту временных нагрузок, т.к. при прежней несущей способности главных элементов пролетного строения доля усилий от постоянных нагрузок резко увеличивается. Некоторые исследователи говорят о повышении в связи с укладкой дополнительных слоев покрытия несущей способности элементов пролетного строения, но этот тезис, на наш взгляд, проблематичен, поскольку нет уверенности в том, что слои покрытия работают совместно с главными несущими элементами (все это зависит от качества укладки слоев покрытия).
Неровности на покрытии, разрушение деформационных швов и выбоины при въезде на мост приводят к снижению скоростей движения транспорта, ухудшению безопасности движения и, самое главное, увеличивают динамическое воздействие транспорта на пролетные строения. Натурные исследования показывают, что в некоторых мостах истинная величина динамического коэффициента достигала 3 вместо 1,3-1,4 по нормам, т.е. при прежней распределительной способности пролетных строений несущая способность их значительно снижается, что требует ограничения веса пропускаемых по мосту транспортных средств.
Неровности на покрытии, плохая гидроизоляция слоев покрытия, нарушение поперечных и продольных уклонов и разрушение деформационных швов, кроме того, приводят к застою воды на покрытии, проникновение воды в бетон, к арматуре несущих элементов пролетного строения и на опоры, что приводит, как уже упоминалось, к выщелачиванию бетона и коррозии арматуры.
Часто при строительстве мостов малых и средних пролетов не устанавливаются опорные части, или устанавливаются примитивные опорные части в виде прокладок из рубероида и металлических пластин, не обеспечивающих температурные перемещения элементов пролетного строения. В результате плохого ухода за нормальными подвижными опорными металлическими частями происходит их засорение и коррозия, что также приводит к неполноценной их работе. В связи с этим возникают наклонные трещины, отколы бетона у торцов балок и верхней части опор и снижение несущей способности пролетных строений, хотя распределительная способность их не меняется.
Зафиксированы случаи, когда главные балки пролетных строений упираются в шкафные стенки крайних опор, в результате чего при повышении температуры в летний период на опоры и главные балки передаются дополнительные продольные усилия, на которые эти конструкции не были рассчитаны.
Заводские дефекты (снижение толщины защитного слоя бетона и даже обнажения арматуры) приводят к усиленной коррозии арматуры и упомянутым ранее последствиям.
Исследования работы пролетных строений в эксплуатационный период с учетом ползучести показали, что при учете этого фактора распределительная способность пролетных строений меняется, хотя величины максимальных моментов и поперечных сил практически не меняются. Казалось бы, что этот фактор не приводит к негативным последствия, поскольку сборные элементы пролетных строений имеют практически одинаковую несущую способность, однако в связи с уменьшением жесткости элементов пролетного строения будут нарушены условия их работы по деформациям и трещиностойкости. Возникают провисание и значительное раскрытие трещин, что ухудшает комфортность и скорость движения, снижает пропускную способность сооружения, уменьшает несущую способность элементов и сроки их службы.
Хотелось бы обратить внимание еще на один фактор, влияющий на работу пролетных строений, а, именно, пропуск по мостам сверхнормативных нагрузок. В нормах по пропуску этих нагрузок сказано, что разрешается одноразовый их пропуск после соответствующих расчетов мо-стоиспытательной станцией и установления режима пропуска. Однако, чтобы не тратить средства на повторные испытания, некоторые организации провозят по мостам тяжелые грузы без разрешения эксплуатирующих организаций и с нарушениях режимов пропусков, что приводит к разрушению пролетных строений.
Положение усугубляется тем, что ряд отмеченных нами факторов действуют одновременно, это приводит к тому положению, что значительно снижаются сроки службы мостов и их несущая способность. В связи с этим в районе 70 % мостов Украины не отвечают требованиям современных норм. После введения в действие украинских норм, где предусматриваются нагрузки А15 и повышенного веса колесная нагрузка НК, практически все эксплуатируемые мосты Украины не будут отвечать требованиям норм по грузоподъемности.
Выводы
Для сохранения автомобильных сетей Украины в нормальном состоянии необходима долговременная программа реконструкции и усиления существующих искусственных сооружений и строительства новых сооружений с обеспечением строительных и эксплуатирующих организаций необходимым финансированием, современными машинами и материалами, как это предусмотрено в ряде зарубежных стран (например, в США и Франции). В противном случае станет полностью неработоспособной сеть автомобильных дорог Украины.
Литература
1. Улицкий Б.Е. Пространственные расчеты ба-
лочных мостов. - М.: Автотрансиздат, 1962. - 180 с.
2. Семенец Л.В. Пространственный расчет балочных
мостов с учетом кручения // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. - 1959. - № 5. - С. 55 - 63.
3. Лукин Н.П. Пространственный расчет бездиа-
фрагменных мостов энергетическим способом // Сопротивление материалов и теория сооружений. - К.: Будiвельник, 1968. -Вып.6. - С. 112 - 123.
4. Гибшман Е.Е., Попов В.И. Проектирование
транспортных сооружений: Учебник для вузов - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1988. - 447 с.
5. Лантух-Лященко А.И. Программный комплекс
расчета и проектирования конструкций -М.: Факт, 2001. - 359с.
6. Кожушко В.П. Расчет пролетных строений ба-
лочных мостов разрезной системы // Сопротивление материалов и теория сооружений. -К.: Будшельник, 1980. - Вып.36. - С.118-122.
7. Кожушко В.П. До розрахунку балочно-
консольних прогшних будов на тимчасове навантаження // Автомоб. дороги i дор. буд.-во. - К.: Будiвельник, 1985. - Вип. 37. -С. 56 - 60.
8. Кожушко В.П. Расчет неразрезных балочных
мостов регулярной и нерегулярной систем на временную нагрузку // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. - 1982. - № 5. - С. 118 - 122.
9. Кожушко В.П. О расчете рамных мостов на
временную нагрузку // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. - 1987. - № 4. - 108 - 112.
10. Кожушко В.П. Определение внутренних уси-
лий в сборных разрезных плитных пролетных строениях от временных нагрузок // Весник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. -2003. - Вып. 20. - С. 109 - 112.
Рецензент: Э.Д. Чихладзе, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 7июля 2006 г.
