CC BY
19
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
ш
Качанов и др. М. : Машиностроение, 1997. 34. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных 336 с. двигателей (сплавы, технология, покрытия).
33. Жидков Н. П. Щедрин Б. М. Геометрия кри- М. : МИСИС, 2001. 632 с.
сталлического пространства. М. : Изд-во МГУ, 1988. 220 с.
УДК 624.21.01/.09
Баранов Тимофей Михайлович,
аспирант, кафедра «Мосты и транспортные тоннели» Иркутского государственного университета путей сообщения, тел. 89027615013, e-mail: [email protected]
ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ МОСТОВ ПРИ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
T.M. Baranov
BRIDGES SAFETY ASSESSMENT AT GEODYNAMIC EFFECTS
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы методологии оценки геодинамической безопасности мостовых сооружений в условиях содержания мостов с использованием систем мониторинга. Предложена оценка сооружения по категориям геодинамической безопасности при сейсмических воздействиях. Категории зависят от коэффициента геодинамической безопасности, определяемого соотношением расчетных и допускаемых показателей. Расчетные показатели в виде максимальных усилий в конструкциях находятся по внешним показателям - ускорениям, регистрируемым системой мониторинга, не менее величин, соответствующих данным сейсмического районирования. Допускаемые показатели находятся как максимальные усилия, вызывающие наступление предельного состояния конструкций.
Ключевые слова: мосты, мониторинг, геодинамическая безопасность.
Abstract. The issues of the methodology for bridge constructions safety assessment using monitoring systems in bridges maintanance are considered in the article. The construction's assessment according to categories of geodynamic safety at seismic impact is offered. The categories depend on geodynamic safety index determined by ratio of estimated and permissible parameters. The ultimate forces in constructions are the estimated parameters determined by external parameters in geodynamic impact - acceleration values registered by the monitoring system; it cannot be less than corresponding seismic zoning values. The permissible parameters are determined by ultimate forces causing construction's ultimate limit state.
Keywords: bridges, monitoring, geodynamic
safety.
Введение
Важный аспект в безопасности России составляет техническая безопасность транспортных систем. Начало обеспечения технической безопасности закладывается при проектировании и зависит от качества проведения инженерно-изыскательских работ, теоретических основ, закладываемых в расчеты мостовых конструкций, применения надежных материалов и рациональных конструктивных форм. Мосты рассчитаны на длительный срок службы, поэтому прогноз проявления неучтенных при проектировании внешних воздействий определяет безопасность и эффективность эксплуатации, а также сроки ремонта транспортного сооружения.
Для управления технической безопасностью сооружений необходимо оценивать техническое состояние и в зависимости от результата принимать технические решения по повышению безопасности, включая режимы пропуска транспорта и ремонтные работы. Методология оценки технического состояния мостовых сооружений регламентирована нормативными документами и определяет три параметра оценки: грузоподъемность, безопасность и долговечность.
1. Постановка задачи
Наименее изученными, трудно прогнозируемыми при проектировании являются геодинамические процессы. Геодинамические процессы независимо от причин их возникновения с точки зрения защиты сооружений можно разделить на геодинамические и геодеформационные воздействия. Геодинамические волновые процессы проявляются при землетрясениях, импульсные - при подвижках разломов. Геодеформационные воздействия проявляются как остаточные смещения грунтовых пластов в основаниях сооружений. Они
могут возникнуть как при сейсмических событиях, так и при разломно-криповой геодинамике.
В настоящей статье рассматривается методология оценки безопасности мостов при геодинамических воздействиях. Под понятием геодинамической безопасности сооружений подразумевается техническая безопасность сооружений в условиях проявления геодинамической активности на всех стадиях: проектирование, строительство и эксплуатация сооружения.
2. Оценка и показатели геодинамической безопасности
Для оценки геодинамической безопасности эксплуатируемых сооружений необходима информационная база о внешних воздействиях и состоянии сооружения, получаемая с помощью систем мониторинга, и математические модели, характеризующие реакцию сооружения на внешние воздействия [1, 2]. В связи с этим методология оценки геодинамической безопасности выстраивается на сравнении расчетных и допустимых показателей геодинамической безопасности (табл. 1). При этом расчетные показатели определяются по внешним показателям.
Механизм определения расчетных и допускаемых показателей при геодинамических воздействиях подразумевает использование аппарата статического и динамического расчета сооружений по теории предельных состояний. Согласно этому, моментом наступления заданного предельного состояния является равенство внутренних и внешних усилий в конструкциях. С точки зрения управления содержанием мостов, по мнению автора, целесообразно в первую очередь рассматривать наступление второй группы предельных состояний.
Внешними показателями геодинамической безопасности служат ожидаемая максимально неблагоприятная интенсивность сейсмического воздействия и связанные с ней значения амплитуд, скоростей, ускорений, а также динамические параметры импульсов при проявлении разломной тектоники.
Методами определения внешних показателей геодинамической безопасности являются методы геодинамического, в том числе сейсмического районирования, методы сейсмомониторинга и геодезического мониторинга движений земной поверхности. При установке системы мониторинга внешние показатели при сейсмических геодинамических воздействиях находятся как максимальные величины, контролируемые системой мониторинга: ускорения, интенсивность землетрясений в баллах.
Расчетные показатели (Пр) геодинамической безопасности содержат максимальные величины инерционных сил, реакцию конструкций на
эти силы в виде усилий и напряжений, соответствующие внешним показателям - баллам интенсивности землетрясений. При этом используются ускорения сейсмических волн, предоставляемые динамическим мониторингом, но не менее ускорений, соответствующих баллу землетрясений, определяемому с помощью сейсмического районирования. Расчет выполняется известными методами на основе теории динамики сооружений. Известное динамическое уравнение
МУ + БУ + ЯУ =-МУ0 (1)
включает матрицу масс системы М; матрицу демпфирования В; матрицу жесткости Я, определяемую в ходе мониторинга с учетом проявившихся повреждений в конструкциях и изменений в состоянии материалов, вектор обобщенных перемещений У и вектор кинематических возмущений У0.
Реализация численного решения уравнения (1) выполняется одним из трех методов, имеющим те или иные достоинства и особенности. Этими методами являются:
- решение в форме интеграла Дюамеля;
- решение с использованием аппроксимирующих функций;
- решение с помощью интегральных преобразований уравнений движения.
Величина сейсмических нагрузок может быть определена также и по нормативному спектрально-линейному подходу [3].
Расчетными показателями при геодинамическом воздействии являются максимальные усилия в элементах сооружения. Допускаемыми показателями геодинамической безопасности являются аналогичные усилия в тех же контрольных точках, при которых наступает второе предельное состояние конструкции.
Допускаемыми показателями (Пд) являются максимальные величины инерционных сил, вызывающие наступление предельных состояний конструкций с учетом их фактического технического состояния, в том числе повреждений, снижения прочностных свойств материалов, приведенные к баллам интенсивности землетрясения.
Современные методы математического моделирования при использовании мощных программно-вычислительных комплексов позволяют получать близкую к реальному состоянию оценку конструкций с учетом изменившихся жесткостей за счет повреждений и соответствующие этому состоянию допускаемые и расчетные показатели.
Для определения допускаемых показателей геодинамической безопасности расчет конструкций выполняется по реальным и синтезированным
Таблица 1
Методология оценки геодинамической безопасности мостовых сооружений
в период эксплуатации при сейсмической геодинамике
Методологические аспекты Сейсмическая геодинамика
Внешние показатели геодинамической безопасности Интенсивность землетрясения в баллах шкалы М8К-64, магнитудах, энергетических классах, амплитуды, скорости и ускорения
Методы определения внешних показателей геодинамической безопасности Геодинамическое районирование (карты ОСР-97). Методы сейсмомониторинга
Расчетные показатели геодинамической безопасности и методы их определения Методы математического моделирования на внешние геодинамические воздействия с определением реакции сооружений по линейно-спектральному методу или по динамическим методам
Методы определения допустимых показателей технической и геодинамической безопасности мостов Методы определения грузоподъемности, безопасности проезда и долговечности (ВСН 481 и др. нормы). Методы математического моделирования сооружений по линейно-спектральному методу или по динамическим методам
Коэффициенты геодинамической безопасности мостов - Кгб Соотношение расчетных показателей с допустимыми для моста
Оценка геодинамической безопасности Определение категорий геодинамической безопасности в зависимости от коэффициента Кгб и наличия опасных повреждений
Рекомендации по повышению геодинамической безопасности Режимы наблюдений Режимы пропуска подвижных составов Ремонт, усиление, реконструкция сооружения
акселерограммам, соответствующим различной интенсивности землетрясений в баллах.
Производимые на каждом этапе расчеты на соответствие конструкции заданному предельному состоянию показывают тот балл интенсивности землетрясения, который будет считаться допускаемым. Балл землетрясения, при котором элементы конструкции переходят ко второму предельному состоянию, является допускаемым показателем геодинамической безопасности и влияет на отнесение сооружения к той или иной категории геодинамической безопасности.
При определении расчетных и допускаемых усилий учитываются сочетания других нагрузок и воздействий.
Коэффициент геодинамической безопасности, характеризующий резерв работы сооружения, определяется отношением допустимых и расчетных показателей:
- Пд / П„.
При сейсмической геодинамике коэффициент геодинамической безопасности К.ГЕ определится по формуле:
К гб -■
П
Д
I
доп
(2)
, (3)
П I
р расч
где Iдоn - допускаемая интенсивность землетрясения в баллах;
^ит - расчетная интенсивность вероятного землетрясения в баллах.
Категория сооружений по геодинамической безопасности определяется коэффициентами геодинамической безопасности и результатами работы систем мониторинга (рис. 1).
С точки зрения управления эксплуатацией мостов необходима дифференцированная оценка геодинамической безопасности (рис. 2).
Если коэффициент геодинамической безопасности Кгб > 1, геодинамическая безопасность моста обеспечивается и присваивается 1 -я категория.
Если коэффициент геодинамической безопасности Кгб < 1, но системой наблюдений не фиксируется развитие опасных повреждений, гео-
Система мониторинга ГБ
1-я категория ГБ
2-я категория ГБ
3-я категория ГБ
Рис. 1. Схема определения категорий геодинамической безопасности
Рис. 2. Возможности конструкции по восприятию геодеформационных воздействий
динамическая безопасность моста не обеспечивается и присваивается 2-я категория.
Если коэффициент геодинамической безопасности Кгб < 1 и системой наблюдений фиксируется развитие опасных повреждений, геодинамическая безопасность моста не обеспечивается и присваивается 3-я категория.
При 1 -й категории техническое состояние моста может считаться удовлетворительным. При 2-й категории режимы пропуска транспорта не изменяются, устанавливается более тщательный контроль развития повреждений. При 3-й категории мост ставится на особый режим контроля по пропуску движения транспортной нагрузки вплоть до закрытия движения. Для повышения показате-
лей обеспечения геодинамической безопасности требуется разработка специальных проектов.
Заключение
В статье представлена методика оценки геодинамической безопасности мостов в условиях геодинамических воздействий с использованием систем мониторинга геодинамической безопасности. Введено понятие показателей геодинамической безопасности при геодинамических воздействиях. Приведена методика определения расчетных и допускаемых показателей, а также оценки геодинамической безопасности по категориям.
Интеграция с существующей системой оценки потребительских свойств мостов и их содержания может быть выполнена дополнением
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
ш
единой базы данных сооружений сведениями о геодинамических нагрузках и блоками математического анализа с определением допустимых, расчетных показателей, коэффициента и категорий геодинамической безопасности сооружения. Предложенная технология содержания мостов применена на Академическом мосту через реку Ангара в г. Иркутске как система мониторинга геодинамической безопасности [4].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Быкова Н. М., Баранов Т. М. Технологии управления геодинамической безопасностью и долговечностью городских мостов // Превентивные и геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий : материа-
лы IV Междунар. геотехн. симпозиума. Хабаровск, 2011. С. 225-229.
2. Баранов Т. М. Особенности методологии мониторинга геодинамической безопасности мостов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Третьей всерос. науч. -практ. конф. (Иркутск, 15-19 мая 2012 г.). в 2 т. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012. С. 511-517.
3. СНиП 11-7-81. Строительство в сейсмических районах. Система нормативных документов в строительстве. Строительные нормы и правила // Минстрой России. М. : ГП ЦПП, 2000. 44 с.
4. Комбинированная система мониторинга геодинамической безопасности моста через реку Ангара в г. Иркутске / Н. М. Быкова, Д. А. Зайна-габдинов, В. О. Мишутин, Т. М. Баранов // Транспортное строительство 2011. №7. С. 11-13.
УДК 621.33 Лыткина Екатерина Михайловна,
к. т. н., ст. преподаватель кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8(3952)63-83-66
Дульский Евгений Юрьевич, аспирант кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-983-403-46-43
Васильев Антон Александрович,
зам. начальника мотор-вагонного депо ст. Иркутск-Сортировочный по ремонту, тел. 8-902-510-31-15
АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА РАСЧЁТА ОСНОВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ТЕХНОЛОГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО
E.M. Lytkina, E. YU. Dulskiy, A.A. Vasilev
ALGORITHM AND PROGRAM OF CALCULATION OF MAIN ENERGY PARAMETERS IN TECHNOLOGY OF LOCOMOTIVES ELECTRIC MACHINES INSULATION CAPSULATING BY THERMAL RADIATION USING MONTE CARLO METHOD
Аннотация. С целью исследования процесса передачи тепловой энергии в системе «инфракрасный излучатель - материал» авторами разработан алгоритм расчёта основных энергетических параметров по методу Монте-Карло.
Ключевые слова: изоляция, капсулирование, теплообмен излучением, метод Монте-Карло.
Abstract. For the study of the transfer of thermal energy in the system «infrared emitter - material» the authors have developed a basic algorithm for calculating the main energy parameters using the Monte Carlo method.
Keywords: isolation, encapsulation, heat radiation, Monte Carlo method.
Было затрачено много усилий на разработку стандартных аналитических методов решения задач теплообмена излучением. Такой подход был реализован в работе Е.М. Лыткиной применительно к технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей электрических машин тягового подвижного состава [1]. Это часто делалось с помощью такого числа допущений (по возможности обоснованных), которое требовалось для получения ответа, при этом терпимо относились если не к утрате справедливости решения, то, во всяком случае, к некоторой потере его точности. К числу таких допущений относятся предположения
