CC BY
19
УДК 626.843
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ МОСТОВЫХ ПЕРЕЕЗДОВ ЧЕРЕЗ ВОДОПРОВОДЯЩИЕ КАНАЛЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
В.А. Волосухин, М.А. Бандурин
Новочеркасская государственная Novocherkassk State Meliorative
мелиоративная академия Academy
Приводятся результаты моделирования технического состояния длительно эксплуатируемых мостовых переездов через водопроводящие каналы. Была построена твердотельная модель несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы. Рассмотрено напряжённо-деформированное состояние железобетонных несущих элементов при различных сочетаниях нагрузок. В результате проведенных численных экспериментов были выделены зоны образования дефектов и повреждений на несущих элементах мостовых переездов через водопроводящие каналы, которые могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что позволяет упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования и определения точек, в которых необходимо производить измерения прочности бетона при проведении натурных обследований. В связи с этим произведено моделирование дефектов на колонне в виде образования пустот и разуплотнений железобетона с размерами диаметром от 50 до 100 мм. Установлен интенсивный порог опасности, начиная с диаметра 100 мм образования пустот и разуплотнений железобетона.
Ключевые слова: гидротехнические сооружения; водопроводящие каналы; мостовые переезды; эксплуатационный мониторинг; моделирование; техническое состояние.
Results of modeling of a technical condition Are resulted is long maintained bridge crossings through water-spending channels. As a result of experiment the solid-state model of bearing elements of bridge crossing through water-spending channels has been constructed. It is considered tensely - the deformed condition of ferro-concrete bearing elements at various combinations of loads. As a result of the lead numerical experiments zones of formation of defects and damages on bearing elements of bridge crossings through water-spending channels which can contain the same types of characteristic damages that allows to order process of making of structures of georadar sounding and definition of points in which it is necessary to make measurements of strength of concrete at carrying out of natural inspections have been allocated. In this connection modeling defects on a column in the form offormation of emptiness and ferro-concrete with the sizes in diameter from 50 mm up to 100 mm is made.
Keywords: the hydraulic engineering constructions which are water-spending channels; bridge crossings; operational monitoring; modeling; a technical condition.
В настоящее время многие из мелиоративных систем России, построенных в 1950 - 1970 гг., находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют скорейшей реконструкции или ремонта. В первую очередь, это касается водопроводящих сетей, протяжённость которых измеряется тысячами километров. Только на юге России протяжённость таких сетей достигает 80 тыс. км. В Ростовской области около 70 % каналов водоподводящих и водораспределительных сетей находятся в земляных руслах, в остальных регионах юга России, за исключением Ставропольского и Краснодарского краёв, протяжённость их ещё более значительна [1].
Обследования водопроводящих сооружений субъектов РФ показали, что в ряде случаев их эффективность, эксплуатационные качества и надежность оказываются недостаточными, что связано это с наруше-
ниями нормального выполнения функции водообес-печения системами, отказами в их работе. Наиболее частыми являются дефекты внутреннего характера, приводящие к нарушению нормального функционирования водопроводящих сооружений.
Только в Ростовской области числятся более 50 мостовых переездов на балансе «Ростовмелиоводхоза», которые являются составной частью автомобильной дороги и представляют собой комплекс сложных и дорогостоящих сооружений, их нужно рассматривать не только как транспортные, но и как гидротехнические сооружения, а следовательно, размеры и форма в значительной степени обосновываются гидрологическими, гидравлическими и русловыми расчётами.
Преобладающими аварийными дефектами являются полное разрушение, образование дефектов, нарушающих нормальную работу конструкции; наруше-
ние стыковых соединении, а также разрушение зон опирания, замковоИ части. Опасными дефектами, вызывающими ухудшение эксплуатационных своИств в элементах конструкции, становятся образующиеся трещины, размеры которых превышают предельно допустимые значения, отслоение защитного слоя бетона, коррозия арматуры бетона в виде высолов и ржавых потеков [2].
Можно сделать вывод, что нарушения стыковых соединении сборных элементов, разрывы и проломы стенок в различных зонах, трещины, сдвижка и просадка элементов относительно друг друга приводят к нарушению нормальнои работы мостовых переездов. Отсюда возникают такие проблемы, как потеря дефицитной поливной воды, подъем уровня грунтовых вод, заболачивание и засоление орошаемых земель. Решение данных проблем должно быть основано на обязательном учете требований надежности при проектировании, строительстве и эксплуатации.
В процессе эксплуатации под воздействием агрессивных факторов внешней среды происходит изменение свойств конструкций водопроводящих сооружений. Несвоевременно выявленные и устраненные дефекты нередко перерастают в серьезные конструктивные нарушения. Моделировать техническое состояние мостовых переездов предлагается с применением программного комплекса SCAD в сочетании с исследованием технического состояния их конструкции по внешним признакам.
В результате эксперимента была построена твердотельная модель несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы. Рассмотрено напряжённо-деформированное состояние железобетонных несущих элементов при различных сочетаниях нагрузок.
Число элементов и число узлов ансамбля соответственно составило 479 021 и 32 901. Кодирование исходной информации осуществлялось в терминах метода приращений с учётом фрагментального представления несущих элементов мостового переезда в виде объектов простой геометрической формы, выполненных из железобетона марки В 45.
В постановке численного расчёта несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы без образования дефектов преследовалась цель установления адекватности твердотельной модели напряжённо-деформированного состояния.
При проведении натурного эксперимента наибольшие значения нормальных напряжений при полном загружении составили 102,4405 Н/м2, в численном расчёте моделирования - 98,7-105 Н/м2, что составляет разницу менее 7 % и подчеркивает адекватность твердотельной модели напряжённо-деформированного состояния [3].
Сравнение эпюр перемещений несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы по вертикали, по горизонтали вдоль и поперёк несущих элементов выявило незначительные внутренние изменения. Наиболее интересна эпюра перемещений по вертикали (рис. 1), на которой показано изменение положения горизонтальных элементов вследствие
приложенных нагрузок, а также смещение оголовков колонн. Данные результаты свидетельствуют о наличии большого запаса прочности именно горизонтальных элементов.
Рис. 1. Эпюра перемещений по вертикали несущих элементов мостового переезда
Перемещения по горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон опирания железобетонных балок, а перемещения по горизонтали несущих элементов показывают смещения крайних колонн и опёртых на них железобетонных балок.
Как показали результаты сравнения эпюр эквивалентного напряжения von Misеs (рис. 2), наибольшие напряжения возникают по вертикали несущих элементов мостового переезда, а именно на крайних колоннах и горизонтальных балках, опёртых на них. Данные результаты свидетельствуют о возникновении критических напряжений в крайних колоннах на четверть больше, чем в других колоннах мостового переезда.
Рис. 2. Эпюра эквивалентного напряжения von Miscs по вертикали несущих элементов мостового переезда
Эпюры эквивалентного напряжения von Misеs по горизонтали вдоль и поперёк несущих элементов мостового переезда (рис. 3) показывают наибольшие напряжения, возникающие в зоне опирания колонны на фундамент, вызванные деформациями несущих элементов. Присутствуют также напряжения в горизонтальных железобетонных элементах.
Проведённое моделирование убедило в наличии существенного запаса прочности несущих железобетонных элементов мостового переезда.
На втором этапе было произведено моделирование несущих элементов мостового переезда с образованием дефектов и повреждений, а именно образование зон разрушений и разуплотнения железобетона на колонне. Наиболее характерным и опасным дефектом является потеря несущей способности одной из колонн мостового переезда, а именно крайней - как наиболее подверженной внешним воздействиям и испытывающей наибольшие эквивалентные напряжения von Mises.
несущих элементов мостового переезда, а именно на оголовке крайней колонны и на горизонтальных балках, опёртых на неё. Данные результаты свидетельствуют о возникновении критических напряжений в местах опирания в два раза больше, чем в других колоннах мостового переезда, что приводит к разрушению рассматриваемых элементов и потере несущей способности всего сооружения.
« !- ' ' L ' ' Ш лг--- - И'=,
I 1 l-ki^as^is * ,1
Рис. 3. Эпюра эквивалентного напряжения von Mises по горизонтали вдоль несущих элементов мостового переезда
На эпюре перемещений по вертикали (рис. 4) отражено критическое изменение положения колонны и опирающихся на неё балок, из-за уменьшения её несущей способности по причине образования дефектов. Происходит критическое смещение оголовка колонны, вследствие чего теряется устойчивость опирающихся на него балок. Данные результаты свидетельствуют о потере несущей способности именно вертикального элемента - колонны.
Перемещения по горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон опирания железобетонных балок, а перемещения по горизонтали поперёк несущих элементов - критическое смещение крайней колонны, которая тянет за собой и опёртые на неё железобетонные балки.
Рис. 5. Эпюра перемещений по горизонтали поперёк элементов мостового переезда при потере несущей способности колонны
В дальнейшем произведено моделирование дефектов на колонне в виде образования пустот и разуплотнений железобетона с потерей несущей способности до половины её площади. Размеры диаметра дефекта начинались от 50 до 100 мм. В ходе произведенных моделирований был установлен интенсивный порог опасности: начиная с диаметра 100 мм происходит разрушение колонны.
Получены эмпирические зависимости (рис. 6). Группа 1 без дефектов
0уэ=0,000311 а2+0,0422а-0,131; R2=0,97;
Группа 2 с потерей несущей способности
Gy=0,00148a2+0,0295a-0,0479; R2=0,98;
Оуэ, Н/м2 х10
Рис. 4. Эпюра перемещений по вертикали элементов мостового переезда при потере несущей способности колонны
Группа 2 с потерей несущей способности
Группа 1 без дефектов
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
мм по высоте колонны
При сравнении эпюр эквивалентного напряжения von Mises и перемещений (рис. 5) выяснилось, что наибольшие напряжения возникают по вертикали
Рис. 6. График эквивалентного напряжения по von Mises мостового переезда при потере несущей способности колонны
5
Выводы
В результате проведенных численных экспериментов были выделены зоны образования дефектов и повреждений на несущих элементах мостовых переездов через водопроводящие каналы, которые могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что позволяет упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования и определения точек, в которых необходимо производить измерения прочности бетона при проведении натурных обследований. В связи с этим произведено моделирование дефектов на колонне в виде образования пустот и разуплотнений железобетона с размерами диаметром от 50 до 100 мм. Установлен интенсивный порог опасности, начиная с диаметра 100 мм образования пустот и разуплотнений железобетона.
Поступила в редакцию
Литература
1. Фёдоров В.М. Оценка надёжности водопроводящей сети оросительных систем // Науч. журн. КубГАУ. 2011. № 65(01). С. 57 - 64.
2. Волосухин В.А., Фролов Д.И., Щурский О.А., Пименов В.И., Хмыкин А.В., Земцов С.П., Волосухин Я.В. Сборник нормативно-методических документов, применяемых при декларировании безопасности гидротехнических сооружений : В 10 т. / под общ. ред. В.А. Волосу-хина / Академия безопасности ГТС. Новочеркасск, 2011. Т. 1. С. 385 - 397.
3. Виноградов А.П., Иванов В.Н., Козлов Г.Н. и др. Продление эксплуатационного ресурса покрытий автомобильных дорог и аэродромов. М., 2011. 170 с.
15 мая 2012 г.
Волосухин Виктор Алексеевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительная механика», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8-928-214-75-11.
Бандурин Михаил Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Строительная механика», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8-904-347-88-01.
Volosuhin Victor Alexeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of the department «Structural Mechanics», Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8-928-214-75-11.
Bandurin Michael Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, chair «Structural Mechanics», Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8-904-347-88-01.
