ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ МОСТА ПРИ НАДВИЖКЕ ЧЕРЕЗ РЕКУ МАРХУ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.21

П. Ю. Кузьменков, И. В. Чаплин, С. Ю. Поляков

Особенности контроля напряженно-деформированного состояния пролетного строения моста при надвижке через реку Марху

Поступила Рецензирование Принята к печати

18.05.2020 03.06.2020 07.07.2020

Усложнение конструкций искусственных сооружений и технологических процессов при их монтаже приводит к тому, что в ходе строительства возникают различные нештатные ситуации. Снизить вероятность их появления и минимизировать возможные потери позволяет организация научно-инженерного сопровождения. Специализированный контроль также способствует обеспечению требуемого качества возведения конструкций, сокращению сроков строительства и экономии бюджетных средств. Данные, полученные в ходе его выполнения, позволяют впоследствии организовать мониторинг состояния моста, основываясь на фактическом, а не теоретическом напряженно-деформированном состоянии, сформировавшемся на момент ввода сооружения в эксплуатацию.

В статье приведено описание ряда особенностей, с которыми столкнулись специалисты СибНИИ мостов СГУПС при осуществлении контроля напряженно-деформированного состояния в ходе сооружения моста через р. Марху. Основной из них является устройство временного усиления главных балок, представляющего собой двутавры переменной высоты, нижние полки которых приварены к специальным столикам на листе настила ортотропной плиты. При надвижке пролетного строения в первый пролет из-за разрушения сварных швов прикрепления на начальном участке произошло выключение двутавров усиления из совместной работы с главными балками. На основании этого специалистами СГУПС было разработано конструктивное решение по устройству дополнительного усиления, обеспечившее в дальнейшем работоспособность элементов основного усиления.

В работе также приведены описание применяемого в ходе контроля измерительного оборудования и результаты контроля вертикальных перемещений аванбека. Полученные геодезические данные свидетельствуют о существенном влиянии неравномерного прогрева металлоконструкций на величину их общих вертикальных деформаций.

Ключевые слова: мост, пролетное строение, продольная надвижка, напряженно-деформированное состояние, научно-инженерное сопровождение, геодезический контроль.

Строительство внеклассного моста - совокупность множества сложных технологических операций, требующих особого внимания и сопряженных с повышенным риском возникновения нештатных ситуаций. Способствовать обеспечению требуемого качества возведения конструкций, надлежащего уровня потребительских свойств и требуемой надежности сооружения позволяет организация научно-инженерного сопровождения строительства, а полученные в ходе него данные позволяют впоследствии организовать мониторинг за искусственным сооружением, основываясь на фактическом уровне напряженно-деформированного состояния конструкций на момент начала наблюдений. Научно-техническое сопровождение было осуществлено, например, в процессе строительства Югорского моста через р. Обь в районе г. Сургута [1], а также возведения комплекса объектов к саммиту АТЭС в г. Владивостоке, включая мост на о. Русский [2, 3].

В СибНИИ мостов СГУПС накоплен значительный опыт осуществления научно-инже-

нерного сопровождения строительства и ремонта искусственных сооружений [4-7]. Например, специалисты данной организации принимали участие в контроле напряженно-деформированного состояния конструкций при регулировании усилий во временных перемычках пилона моста на о. Русский, осуществляли сопровождение на всех этапах строительства первого в России автодорожного моста из композиционных материалов через р. Пашенку в Новосибирской области, при возведении несущих элементов пролетных строений Бугринского моста в г. Новосибирске и др.

Данная статья посвящена особенностям процесса надвижки пролетного строения моста на федеральной трассе А-331 «Вилюй», расположенного в Республике Саха (Якутия) близ г. Нюрба и пересекающего р. Марху. Русло реки перекрыто металлическим балочным неразрезным пролетным строением, выполненным по схеме (84 + 105 + 2 х 126 + 105) м, в поперечном направлении состоящим из двух коробчатых

балок, поверху объединенных ортотропной плитой проезжей части. Схема описываемого сооружения приведена на рис. 1.

Укрупнительная сборка пролетного строения проводилась на стапельных опорах, расположенных на подходе № 2, после чего смонтированные секции надвигались по направлению к опоре № 1. Временные опоры отсутствовали, а выборка прогибов на постоянных опорах происходила за счет самовыдомкрачи-вающегося аванбека длиной 63 м. Весь про-

цесс надвижки был разделен на несколько стадий, каждая из которых заключалась в вы-движке торца пролетного строения до следующей опоры. Специалисты СибНИИ мостов принимали участие в первых двух стадиях, иллюстрации рабочих моментов которых приведены на рис. 2. Отметим, что на стадии № 2 ожидались максимальные прогибы конца аванбека, поскольку пролетное строение впервые надвигалось в наибольший пролет, равный 126 м.

а)

_ г Якутск

£ Мирный^

546,0

84,0 105,0 126,0 126,0 105,0

..... П .....^^т

Опора N'1

Опора N2

й

Опора N5

888

Опора N4

б)

0,14

0,75

О, 75

Опора N5

0,14

Опора N6

Рис. 1. Схема моста через р. Марху: а - общий вид; б - поперечное сечение

а)

Рис. 2. Процесс надвижки пролетного строения: а - стадия надвижки № 1; б - стадия надвижки № 2

Ключевой особенностью процесса надвижки данного пролетного строения являлось устройство временных элементов усиления на двух участках по длине главных балок. Они представляли собой двутавры переменной высоты от 1,05 до 1,5 м, установленные над стенками коробок и попарно объединенные системой продольных и поперечных связей. Проведенные авторами статьи расчеты свидетельствовали, что главная цель внешнего усиления - снижение вертикальных перемещений элементов в процессе надвижки. Схемы и иллюстрации конструкций внешнего усиления приведены на рис. 3.

Включение элементов усиления в совместную работу с главными балками обеспечивается путем приварки нижних полок двутавров к специальным столикам длиной 20...25 см, также приваренным к листу настила орто-тропной плиты и расположенным с шагом

0,95.2,05 м. Конструкция узлов прикрепления показана на рис. 4.

На стадии надвижки № 1 в момент перехода начала первого участка усиления через ось опирания на опоре № 6 был зафиксирован разрыв сварных швов прикрепления двутавров по первому поперечному створу расположения столиков (рис. 5). Процесс надвижки был остановлен, сварные швы восстановлены, но при дальнейшем движении пролетного строения произошел разрыв швов по второму и третьему поперечным створам. После их приварки надвижка в пролет длиной 105 м была завершена.

Далее предстояла надвижка в пролет длиной 126 м, и, соответственно, в элементах ожидалось возникновение больших по сравнению с предыдущей стадией усилий. Это, в свою очередь, увеличивало вероятность повторения подобной нештатной ситуации,

Торец пролетного

Внешнее усиление 7 /, 051 12,55 ' 1 55,45

,92

5, 08

1,92

ТО О

Рис. 3. Схема внешнего усиления пролетного строения

Рис. 4. Узлы прикрепления внешнего усиления к пролетному строению

Рис. 5. Дефекты швов прикрепления усиления к пролетному строению

а возможный разрыв сварных швов мог привести к нерасчетной работе пролетного строения - перераспределению усилий в соседних узлах прикреплений, выключению двутавров и снижению жесткости несущих элементов.

Специалистами СибНИИ мостов проведены расчетные исследования с целью обеспечения совместной работы балок усиления и главных балок в дальнейшем. Было выдвинуто предположение, что основной причиной случившегося является чрезмерно резкое локальное увеличение жесткости поперечного сечения в месте начала внешнего усиления. Как следствие, это привело к возникновению недопустимых касательных напряжений в сварных швах прикрепления и к их разрыву.

Для проверки данной гипотезы с целью определения усилий, действующих в элементах пролетного строения, в расчетном комплексе Midas Civil была составлена плоская конечно-элементная расчетная модель, учитывающая стадийность возведения металлоконструкций и приложения нагрузок, самовы-домкрачивание аванбека, а также выключение элементов внешнего усиления на соответству-

ющих этапах надвижки в соответствии с выявленными фактами разрывов швов. Главные балки и балки усиления заданы балочными конечными элементами, их центры тяжести объединены между собой абсолютно жесткими связями. Каждый шаг расчета соответствовал надвижке пролетного строения на 1 м. Общий вид конечно-элементной модели приведен на рис. 6.

По результатам расчетов определены усилия, возникающие в сварных швах прикрепления внешних двутавров. На основании этого разработана конструкция дополнительного усиления для более плавного увеличения жесткости поперечного сечения пролетного строения, вычислены усилия, действующие в узлах прикрепления, и в соответствии с положениями действующей нормативной документации [8] в ходе расчетов на условный срез определены требуемые параметры (длина и катет) сварных швов. Разработанная конструкция дополнительного усиления представляет собой перевернутый тавр, переходящий затем в двутавр и далее стыкующийся с существующим усилением (рис. 7).

Рис. 6. Фрагмент расчетной модели пролетного строения

Рис. 7. Разработанная конструкция элементов дополнительного усиления

В ходе надвижки специалистами СГУПС произведен контроль напряжений в наиболее нагруженных сечениях, частот собственных колебаний пролетного строения и вертикальных перемещений аванбека. Вертикальные перемещения аванбека фиксировались тахеометром по отражательным маркам, установленным в трех точках по длине аванбека, как показано на рис. 8.

В ходе геодезического контроля выявлена зависимость вертикальных перемещений от интенсивности солнечной радиации. Утром и днем в солнечную погоду металлоконструкции неравномерно прогревались по высоте, что приводило к дополнительному повороту сечений над опорами и, как следствие, к изменению вертикальных перемещений, а в пасмурную погоду и ночное время температура выравнивалась и перемещения вновь приближались к ожидаемым (рис. 9), вычисленным без учета климатических воздействий.

Контроль напряжений осуществлен измерением локальных деформаций двумя независимыми системами - механической и тензометри-

ческой. Механическая включала в себя установку деформометров и дополнительное периодическое снятие отсчетов компараторами, тен-зометрическая - датчики системы «Тензор МС» [9, 10], а их совместное применение обеспечивало получение достоверных данных.

С целью оценки включения элементов усиления в совместную работу одно из сечений располагалось в створе с внешними двутаврами (рис. 10). В соответствии с принятыми расчетными предпосылками главные балки и временные элементы внешнего усиления должны работать совместно в упругой стадии, но в результате контроля установлено, что это предположение выполняется лишь частично. В сечении без усиления характер работы главных балок и распределение напряжений хорошо соответствовали ожидаемому, а в усиленном сечении наблюдалась несколько иная картина. Фактические значения напряжений в двутаврах усиления в сечении в пролете между столиками прикрепления были практически вполовину меньше расчетных, а по нижней фибре оказались больше, чем по верхней.

у 5-0

Тореи ПС Осо ,

Рис. 8. Контроль вертикальных перемещений аванбека в ходе надвижки

"К- -К- •—в -*-

~ -к - * - к

X - * - * " к

-Х-

* -X.

\ к. ""х

N

> ч

\ V ч

ч \ V 1 Ч *

Ч

V к \

\ —*

X \

\

! №5 [сеч.1):

М О — п т - Л I- 'С. г

_Вылет нонссли, м

| Поперечина N513 (ссч-2)!

Расчет —*— Ферма 1 Ферма 2

| Торец ПС (сеч. 3}: |

Расчет —■— } -+-- ГБ 2

Ферма 1 --Ферма 2

Рис. 9. Результаты контроля вертикальных перемещений аванбека

Рис. 10. Измерительное оборудование для фиксации напряжений

Это позволило сделать вывод об этажном характере работы конструкций: растягивающие усилия прикладывались не к центру тяжести элемента, а к его нижней полке, что приводило к возникновению изгибающего момента со сжатием верхних волокон.

Результаты контроля напряженно-деформированного состояния свидетельствуют, что как бы ни была совершенна расчетная модель, она не всегда в состоянии учесть все факторы

и отразить все особенности реальной работы конструкции. Поэтому для недопущения, предотвращения или своевременного устранения последствий нештатных ситуаций с наименьшими потерями необходимы постоянный контроль и взаимодействие между всеми задействованными участниками строительства мостовых сооружений - проектировщиками, строителями и специализированными обследовательскими организациями.

Библиографический список

1. Сычев П. А. Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант и обоснование технических требований к вантовым системам мостов : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11. М., 2006. 160 с.

2. Сергеев А. А., Балючик Э. А., Казенное Е. А. Сотрудничество проектировщиков, строителей и науки при строительстве Русского // Дороги. Инновации в строительстве. 2017. № 63. С. 64-69.

3. Вавренюк С. В. Научное сопровождение уникальных объектов Саммита АТЭС // Жилищное строительство. 2013. № 5. С. 14-18.

4. Иванов А. Н., Кузьменков П. Ю. Мониторинг технического состояния автодорожного моста через реку Пашенку // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2016. № 2. С. 20-27.

5. Яшнов А. Н., Поляков С. Ю. Организация научно-инженерного сопровождения строительства внеклассного моста // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2015. № 1. С. 148-160.

6. Иванов А. Н., Кузьменков П. Ю. Системный подход в организации мониторинга на примере строящегося внеклассного моста // Политранспортные системы : материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2017. С. 79- 86.

7. Яшнов А. Н., Николаев И. В., Ячменьков С. Н. Научно-техническое сопровождение строительства, обследование и испытание железнодорожного моста через р. Обь на 605 км линии Омск - Алтайская // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2009. Вып. 21. С. 19-33.

8. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* : дата введ. 2011-05-20 / ЦНИИС. М. : ЦПП, 2011. 340 с.

9. Снежков И. И., Кузьменков П. Ю. Пример применения измерительного комплекса «Тензор МС» в мостостроении // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Омск : Омск. гос. ун-т путей сообщения, 2013. С. 101-105.

10. Малогабаритные автоматизированные системы для диагностики мостов / С. А. Бокарев, А. Н. Яшнов, И. И. Снежков, А. В. Слюсарь // Путь и путевое хозяйство. 2007. № 9. С. 25-26.

P. Yu. Kuzmenkov, I. V. Chaplin, S. Yu. Polyakov

Peculiarities of the Stress-Strain State Monitoring During Bridge Superstructure Sliding

over the Markha River

Abstract. Improving the design of engineering structures and complicating the installation technology is the cause of various emergency situations during the construction process. The organization of scientific and engineering support allows reducing the probability of emergency situations and minimizing losses that are possible. Specialized control helps to ensure the quality of construction, also it reduce building time and save budget funds. The data which obtained during the control process, allows to monitor the state of the bridge after the commencement of operation, and this monitoring is based on the actual, not the theoretical stress-strain state.

In the process of the stress-strain state monitoring during the building of the bridge over the Markha River the specialists of STU encountered several features, and it is described in the article. The main peculiarity is the installation of temporary strengthening of the main beams. There are I-beams of variable height. The bottom flanges of temporary I-beams are welded to special tables located on the floor sheet of the orthotropic steel deck. When the superstructure was moved to the first span, several welds for attaching temporary I-beams collapsed and the temporary I-beams were disabled form collaboration with the main beams on the initial section. The specialists of STU analyzed this fact and developed the design of additional strengthening. This construction of additional strengthening ensured serviceability of the main strengthening during the next stages of the superstructure incremental launching.

The article describes the equipment that was used for monitoring. Also the results of geodetic control of vertical movements of the launching nose are shown. In accordance with the obtained geodetic data, uneven heating of metal structures strongly affects the amount of structure general deformations.

Key words: bridge; superstructure; incremental launching; stress-strain state; scientific and engineering support; geodesic control.

Кузьменков Павел Юрьевич - младший научный сотрудник СибНИИ мостов СГУПС. E-mail: pavel.kuzmenkov.89@mail.ru

Чаплин Иван Владимирович - младший научный сотрудник СибНИИ мостов СГУПС. E-mail: ivannumber1_chaplin@mail.ru

Поляков Сергей Юрьевич - младший научный сотрудник СибНИИ мостов СГУПС. E-mail: sergey19920@mail.ru