CC BY
54
УДК 624.21.012.45
БОРОВИКОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, diamos@mail ги
КАРТОПОЛЬЦЕВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ, докт. техн. наук,
профессор,
kaf_most@mail. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОЦЕНКА ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ
СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ*
В статье рассмотрены экспресс-оценки грузоподъемности сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с учетом их фактического технического состояния. Опыт практического применения представленной методики определения грузоподъемности при технической диагностике эксплуатируемых сталежелезобетонных автодорожных мостов подтверждает достоверность результатов по оценке предельных весовых характеристик транспортных средств.
Ключевые слова: сталежелезобетонное пролетное строение; расчетная схема; несущая способность; грузоподъемность.
ALEKSANDR G. BOROVIKOV, PhD, A/Professor, diamos@mail. ru
VLADIMIRM. KARTOPOL'TSEV, DSc, Professor, kaf_most@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
ASSESSMENT OF LOAD CAPACITY OF COMPOSITE-GIRDER BRIDGE SPANS
The paper presents a fast structural assessment of load capacity of highway bridges having composite-girder spans. A practical experience in using this technique for determination of load capacity and technical diagnostics of composite-girder bridge spans proves the results of assessment obtained for ultimate weight characteristics of transportation vehicles.
Keywords: composite-girder bridge spans; design model; load capacity.
К сталежелезобетонным относят пролетные строения со стальными и железобетонными элементами, совместно работающими в составе единой конструкции.
Сталежелезобетонные пролетные строения в автомобильно-дорожных мостах успешно начали применяться со второй половины 50-х гг. прошлого столетия.
* Работа выполнена при финансовой подддержке регионального центра РФФИ № 13-01-98006.
© А.Г. Боровиков, В.М. Картопольцев, 2013
Сталежелезобетонные пролетные строения с расчетными пролетами 32,4 и 42,5 м, выполненные по типовым проектам № 4793КМ, № 4801КМ, выпуск 115, № 43282КМ и другим аналогичным проектам разработки 1958-1966 гг., запроектированные под временные нормативные нагрузки Н-18, Н-30 и КН-80, эксплуатируются и в наше время. Характерной особенностью этих пролетных строений является выполнение заводских и монтажных соединений.
Начиная с 70-х гг. ХХ в. вышли в свет типовые проекты сталежелезобетон-ных пролетных строений разрезных и неразрезных систем серии 3.503 различных модификаций, запроектированные по нормам СН200-62 и СНиП 2.05.03-84 под временные нагрузки Н-30, А11 и НК-80.
В настоящее время мосты с перечисленными выше сталежелезобетон-ными пролетными строениями эксплуатируются на автомобильных дорогах России. Наряду с этим техническое состояние пролетных строений и существенный рост грузонапряженности транспортных средств, обращающихся по дорогам, вызывают серьезную озабоченность по безопасной эксплуатации мостов, связанной с грузоподъемностью пролетных строений.
Грузоподъемность пролетных строений моста относительно нормативных временных подвижных нагрузок определяется максимальной полезной нагрузкой, которую они могут воспринять при расчетах по первому предельному состоянию. Основным показателем грузоподъемности в этом случае является класс нагрузки (К) по схемам загружения нагрузок АК и НК как вдоль пролетного строения, так и по его ширине, согласно СП 35.13330.2011.
Грузоподъемность пролетного строения считается недостаточной, если фактический класс нагрузки К и масса одиночной нагрузки по схеме НК меньше предусмотренных современными нормами проектирования. В случае недостаточной грузоподъемности вводятся соответствующие ограничения движения, как правило, ограничение массы транспортных средств или ограничение массы, приходящейся на ось транспортного средства.
Согласно рекомендациям [2], грузоподъемность пролетного строения оценивается дефектным состоянием его несущих конструкций по четырем критериям:
- дефекты, не оказывающие влияния на грузоподъемность несущих элементов конструкции;
- дефекты, незначительно снижающие грузоподъемность несущих элементов конструкции, что обеспечивает пропуск расчетной нагрузки;
- дефекты, снижающие грузоподъемность конструкции до уровня, когда обеспечен пропуск обращающихся нагрузок без существенных ограничений;
- дефекты, снижающие грузоподъемность до уровня, при котором необходимо вводить ограничения массы обращающихся нагрузок.
Задача оценки грузоподъёмности пролетных строений может быть решена как теоретическим, так и экспериментально-теоретическим методами.
Теоретический метод применяют в случаях достаточной информационной базы: возможности вычисления действительной жёсткости сечений несущих элементов, имеющих дефекты; возможности выбора конкретной расчётной схемы при наличии дефектов отдельных связей в пространственной системе пролётного строения.
При теоретическом методе значения усилий от временных подвижных нагрузок вычисляют методами строительной механики или теории упругости.
Экспериментально-теоретический метод используют в случаях, когда влияние дефектов конструкции не может быть определено теоретически. При этом методе определяют экспериментально жесткостные характеристики (деформации) несущих элементов в пространственной системе пролётного строения и ординаты для построения поперечных линий влияния усилий на главные балки пролётных строений. По этим данным определяют грузоподъёмность, как в теоретическом методе.
При определении грузоподъёмности сталежелезобетонных пролетных строений необходимо учитывать такие особенности конструкции, как:
- совместная работа стальной части сечения несущего элемента и железобетонной плиты проезжей части, которая зависит как от состояния этих элементов, так и от объединительных деталей (упоров и др.), реально обеспечивающих силовое взаимодействие;
- многостадийный характер работы сталежелезобетонного сечения с последовательным включением различных элементов при возведении и с частичным их выключением по мере механического и коррозионного износа в процессе эксплуатации.
Необходимо также учитывать, что в период с 1959 по 1975 гг. сталеже-лезобетонные пролетные строения возводились по многочисленным проектам различных проектных организаций, которые мало отличались по внешним признакам, но могли иметь заметные отличия в размерах элементов сечений несущих конструкций.
Оценку грузоподъемности главных балок сталежелезобетонных пролетных строений выполняют с использованием основных положений рекомендаций [1, 3] при обязательном обследовании пролетного строения согласно требованиям правил [2, 4].
Оценивая грузоподъемность сталежелезобетонных пролетных строений, принимают расчетные сопротивления бетона плиты, расчетные сопротивления стержневой арматуры, расчетные сопротивления стали для различных видов напряженных состояний в соответствии с СП 35.13330.2011 и ОДН 218.0.032-2003.
Постоянные нагрузки и воздействия выявляют по результатам обследования, учитывая фактические размеры элементов пролетного строения. Нагрузка от собственного веса металлических конструкций может определяться по чертежам КМД с учетом наплавленного металла и крепежных изделий с коэффициентом надежности по нагрузке, равным 1,05.
Нагрузки от собственного веса железобетонной плиты и дорожного покрытия вводят в расчет с учетом фактической последовательности возведения сооружения, принимая во внимание стадийность работы.
Оценка грузоподъемности сталежелезобетонных пролетных строений на основании данных обследований и испытаний выполняется с учетом всех выявленных дефектов, влияющих на грузоподъемность несущих элементов.
К таким дефектам в основном относятся дефекты железобетонной плиты проезжей части и ее объединения с металлическими балками и дефекты стальных несущих элементов.
Командными дефектами, характеризующими расстройство объединения железобетонной плиты с главными балками, являются:
- трещины в плите у углов окон под упоры, как правило, косые в плане, снижающие несущую способность главных балок на участках расстройств соединений плит с балками до 30 %;
- видимое разрушение, разрыхление или неполное заполнение бетоном окон под упоры, отсутствие или разрушение подливки между сборными плитами и верхними поясами главных балок, наблюдаемые визуально вертикальные перемещения сборных плит при проходе тяжелых транспортных средств, характеризующие снижение несущей способности более чем на 30 %;
- расстройство поперечных стыков сборной железобетонной плиты проезжей части, разрушение бетона заполнения шпоночных поперечных стыков либо бетона омоноличивания поперечных стыков со сваркой арматурных выпусков, приводящие к снижению грузоподъемности от 5-10 до 20-30 %;
- расстройство болтовых креплений упоров к балкам, ослабление затяжки либо отсутствие высокопрочных болтов, крепящих стальные детали упоров к верхним поясам балок.
Оценивая наряду с этим грузоподъемность сталежелезобетонных балок необходимо учитывать дефекты железобетонной плиты, которые уменьшают ее рабочую площадь:
- трещины в бетоне монолитных участков, в швах объединения с балкой деформационного шва и смежной сборной плитой, отсутствие бетона или его разрушение на значительной части монолитного участка, полное его отделение от балки деформационного шва и от смежной сборной плиты с возможным снижением грузоподъемности до 5-10 %;
- отдельные трещины раскрытием более 0,2 мм, в том числе сквозные, продольные над средним прогоном, а также поперечные хаотически ориентированные, значительное разрушение защитного слоя и коррозия арматуры до 10 % могут привести к снижению несущей способности плиты и грузоподъемности пролетного строения до 10 %;
- значительное повреждение бетона, выщелачивание и размораживание, снижение прочности бетона до 20 % по сравнению с проектной, многочисленные трещины раскрытием более 0,3 мм, коррозия арматуры с потерей более 10 % сечения, значительные повреждения бетона от выщелачивания и размораживания на большей части плиты с уменьшением защитного слоя приводят к уменьшению несущей способности плиты как при работе на местные нагрузки, так и при общем изгибе сталежелезобетонной конструкции, что ведет к уменьшению грузоподъемности до 20-30 %.
Дефекты, снижающие несущую способность стальной части сталежеле-зобетонного сечения и изменяющие условия пространственной работы пролетного строения:
- коррозия поясов, стенок главных балок, элементов и фасонок связей с уменьшением толщины элементов;
- ослабление или повреждение заклёпок, высокопрочных болтов, дефекты сварных швов;
- усталостные трещины в элементе или швах;
- местные погнутости отдельных элементов связей, ребер жесткости;
- местные погнутости большого числа элементов связей;
- общие деформации отдельных элементов связей, прогибы нижних поясов и стенок балок.
Учитывая стадийность работы сталежелезобетонного пролетного строения, изгибающий момент в опасном сечении следует определять выражением
Мтах = М + М2, (1)
где Мтах - максимальный изгибающий момент в сечении сталежелезобетон-ной балки; М1 - изгибающий момент в сечении стальной балки от первой части постоянной нагрузки; М2 - изгибающий момент в сечении стальной балки от второй части постоянной нагрузки и временной нагрузки.
Исходя из условия прочности сталежелезобетонного сечения
+ М* Я, (2)
Ж Ж
где Жа, й - момент сопротивления нижнего пояса стального сечения; Жа, йЬ -момент сопротивления нижнего пояса сталежелезобетонного сечения.
Находим изгибающий момент от нагрузок второй стадии работы стале-железобетонного сечения
М2 = Мпр • К , (3)
где Мпр - предельный изгибающий момент сталежелезобетонного сечения Ж
~ Г .1, .а
главной балки; К =
Ж
".1, st
Предельный изгибающий момент сталежелезобетонного сечения главной балки вычисляется по формуле
М = Я • Ж и •у
пр у .Л, stb I т '
где Яу - расчетное сопротивление стали главной балки; ут - коэффициент надежности, учитывающий фактическое состояние главных балок пролетного строения (железобетонной плиты, объединения ее с главной балкой) и дефекты стальной главной балки.
Геометрические характеристики сталежелезобетонного сечения главной балки вычисляются с учетом фактических размеров сечения и расчетной ширины железобетонной плиты проезжей части, определенных при обследовании пролетного строения. При этом геометрические характеристики сечения железобетонной плиты проезжей части вычисляют, учитывая ее фактическое состояние коэффициентом Ка, равным:
Е А
К = ^ь,/Ль /, /
ЕЬЛ.
где ЕЬф Аь^ - фактические значения модуля упругости и площади поперечного сечения железобетонной части сталежелезобетонного сечения; ЕЬл, Аь,1 -проектные значения модуля упругости и площади поперечного сечения железобетонной части сталежелезобетонного сечения.
В свою очередь,
М 2 = М1 + Мвр. (4)
Исходя из вышеизложенного, находим изгибающий момент от временной нагрузки, который может выдержать сталежелезобетонное сечение, по формуле
Мвр = Мпр + М* -МК . (5)
В свою очередь, изгибающий момент от временной нагрузки, вычисляемый по линии влияния момента (рисунок), определяется по формулам от нагрузки по схеме АК:
МАК = КПУХ -у) (1 + ц) К^ Y■ + КПУеУ^ (1 + ц) 0,1К • ю = = К [КПУх - у) (1 + ц)] ^ + КПУеу|е (1 + ц) 0,1ю.
Линии влияния изгибающего момента в середине пролета и схемы их загружения:
а - постоянной нагрузкой и нагрузкой АК; б - постоянной нагрузкой и нагрузкой НК
Исходя из формулы (6) давление на ось автомобильной нагрузки (класс нагрузки) определяется по формуле
М
К = ^-^^-, (7)
К [КПУ) - у) (1 + ц)] X Yl + КПУеУе (1 + ц) 0,1ю
где КПУ т, КПУ э - коэффициенты поперечной установки тележки и полосовой части нагрузки АК; уf, у® - коэффициенты надежности по нагрузке для
тележки и полосовой части нагрузки АК; (1 + ц) - динамический коэффициент нагрузки АК; ЕYi - сумма ординат линии влияния момента под осями нагрузки АК; ю - площадь линии влияния момента.
От нагрузки по схеме НК
Мнк = КПУНК -уН" (1 + ц) Рнк I Ylнк . (8)
Следовательно, давление на ось колесной нагрузки равно
М
Р =_ВР__(9)
НК КПУНК -У^ (1+ Ц)РНКI^ . ^
Общая масса одиночной колесной нагрузки по схеме НК
бнк = 4РНК. (10)
В случае недостаточной грузоподъемности сооружения вводятся соответствующие ограничения массы транспортных средств или ограничения массы, приходящейся на ось транспортного средства. Величина ограничения массы транспортных средств в колонне при неконтролируемом пропуске определяется предельными массами эталонных нагрузок или предельными массами, приходящимися на ось эталонных нагрузок.
Библиографический список
1. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. - М. : Министерство регионального развития РФ, 2011. - 296 с.
2. ОДМ218.4.001-2008. Методические рекомендации по организации обследования и испытания мостовых сооружений на автомобильных дорогах. - М. : Росавтодор, 2008. - 57 с.
3. ОДН 218.0.032-2003. Временное руководство по определению грузоподъемности мостовых сооружений на автомобильных дорогах. - М. : Росавтодор, 2003. - 95 с.
4. СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы. Правила обследования и испытаний. - М. : Госстрой СССР, 1986. - 27 с.
References
1. SNiP 35.13330.2011 'Mosty i truby' [Bridges and tubes]. Moscow : The Russian Ministry of Regional Development, 2011. 296 p. (rus)
2. ODM 218.4.001-2008. 'Metodicheskie rekomendatsii po organizatsii obsledovaniya i ispytaniya mostovykh sooruzhenii na avtomobil'nykh dorogakh' [Methodological recommendations on examination and test procedures for highway bridges]. Moscow : Rosavtodor, 2008. 57 p. (rus)
3. ODN 218.0.032-2003. 'Vremennoe rukovodstvo po opredeleniyu gruzopod"emnosti mostovykh sooruzhenii na avtomobil'nykh dorogakh' [Guidelines for highway bridge load capacity determination]. Moscow : Rosavtodor, 2003. 95 p. (rus)
4. SNiP 3.06.07-86. 'Mosty i truby' [Bridges and tubes]. Pravila obsledovaniya i ispytanii [Examination and test rules]. Moscow : The Gosstroy USSR, 1986. 27 p. (rus)
