CC BY
37
Вестник ТГАСУ № 2, 2009
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 624.012.46.001.24
С.А. БОКАРЕВ, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
Л.Ю. СОЛОВЬЕВ, канд. техн. наук, доцент,
Д.Н. ЦВЕТКОВ,
Е.В. РОГОВА,
СГУПС, Новосибирск
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛНОМАСШТАБНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
В работе представлены результаты полномасштабного обследования и испытания сталежелезобетонных пролетных строений, эксплуатирующихся на Дальневосточной и Восточно-Сибирской железных дорогах. В ходе выполнения работ выявлен ряд неисправностей и проведена оценка влияния обнаруженных неисправностей на несущую способность пролетных строений.
Ключевые слова: Сталежелезобетонные пролетные строения; железобетонная плита; балластное корыто; несущая способность; грузоподъемность; расчетное сопротивление; железобетон; напряжения; частота собственных колебаний; вибродиагностика.
На сети железных дорог России эксплуатируется более 900 сталежелезобетонных пролетных строений средних и больших железнодорожных мостов, из которых более 500 расположено на территории Сибири и Дальнего Востока. Большинство из них выполнено по типовому проекту 3.501-49 инв. № 739 «Металлические железнодорожные пролетные строения с ездой поверху на балласте пролетами 18,2-66,0 м в северном исполнении», разработанному институтом «Гипротрансмост» и утвержденному в 1969 г. Особенностью этих конструкций является применение сборной железобетонной плиты балластного корыта, состоящей из блоков заводского изготовления, объ-
© С.А. Бокарев, Л.Ю. Соловьев, Д.Н. Цветков, Е.В. Рогова, 2009
единяемых при монтаже омоноличиванием поперечных швов. В качестве примера на рис. 1 приведена конструкция пролетного строения расчетной длиной Ьр = 23,0 м.
ЙЮЧО 3 г 25ІЮ і
ЕгБ
щ
"КГ Г Г "Г
5 Ї 1 1 -
ш 140 ш
------------1—
Ж^уу-;.":^РЧ
жюмо
Ш
Б-В
ІЮ
гг®
;а)2ЯЮ
■п / ! м
>л\ »У. -5
! - і
Рис. 1. Конструкция сталежелезобетонного пролетного строения расчетной длиной Ьр = 23,0 м: 1 - металлическая главная балка; 2 - железобетонная плита балластного корыта; 3 - швы омоноличивания плиты; 4 - закладная деталь упоров; 5 - пояса металлической балки
б
а
По результатам осмотров и обследований, проведенных мостовыми мастерами и специалистами мостоиспытательных станций, на ряде сооружений были выявлены серьезные неисправности, потребовавшие введения ограничения движения обращающейся нагрузки. Однако выборочные детальные обследования силами специализированных организаций, выполненные с применением современных инструментальных средств контроля технического состояния, не во всех случаях подтвердили сделанные выводы. Поэтому для оценки реальной работы сталежелезобетонных пролетных строений в ОАО «РЖД» было принято решение о необходимости проведения их полномасштабного обследования и испытания.
В период с 2006 по 2008 гг. такие работы были проведены на 359 сталежелезобетонных пролетных строениях, установленных на 205 мостах, эксплуатирующихся на Дальневосточной и Восточно-Сибирской железных дорогах. Распределение всех обследованных пролетных строений по величинам пролетов представлено на рис. 2. В обследование входило изучение имеющейся технической документации по сооружениям и результатов предыдущих обследований, инструментальная съемка плана и профиля рельсового пути и профиля металлических балок пролетных строений по нижним поясам.
В процессе обследования было освидетельствовано состояние конструкций пролетных строений, опорных частей и мостового полотна: фиксировали дефекты и повреждения железобетонной плиты и металлических балок, выявляли соответствие проектных и фактических параметров пролетных строений, определяли прочность бетона плиты и ее монолитной части в стыках, взаимное положение элементов опорных частей.
Рис. 2. Распределение обследованных пролетных строений по величинам пролетов
В ходе выполнения работ были обнаружены неисправности, которые можно условно разделить на две основные группы.
К первой отнесены дефекты, повреждения и отступления от требований нормативных документов, не оказывающие непосредственного влияния на грузоподъемность конструкций (нулевые зазоры в стыках рельсовых нитей, недобитые костыли, загрязненный балласт, выщелачивания по швам омоноличива-ния плиты балластного корыта, нарушения окраски металлических элементов, зазоры в «сухариках» и т. д.). Такого рода неисправности устраняются, как правило, в рамках текущего содержания либо в ходе плановых ремонтов.
Ко второй группе, представляющей наибольший интерес, отнесены неисправности, оказывающие влияние на грузоподъемность пролетных строений. К ним относятся низкая прочность бетона швов омоноличивания, повреждения, нарушающие монолитность плиты балластного корыта, - разрушение бетона швов омоноличивания с уменьшением площади поперечного сечения, трещины и зазоры по контакту между бетоном омоноличивания швов и блоками железобетонных плит, разрушение объединения выпусков продольной арматуры блоков и т. д.
Такие неисправности связаны как с недостатками проектных решений, так и с некачественным выполнением работ по омоноличиванию швов в период строительства и неудовлетворительным содержанием конструкций. В частности, прочность монолитного бетона швов, как правило, оказывалась ниже проектной, в то время как бетон плит заводского изготовления имел требуемую прочность. В большинстве случаев гидроизоляция стыков не выполняет своих функций - бетон стыков обводняется, идет процесс выщелачивания, что, естественно, приводит к дальнейшему снижению прочности монолитного бетона и даже его разрушению.
Наиболее распространенные дефекты второй группы приведены в табл. 1 и на рис. 3.
Для оценки влияния указанных повреждений на несущую способность исследуемых конструкций были проведены испытания всех обследованных пролетных строений. Статические и динамические испытания проводили под обращающейся нагрузкой. Для регистрации деформаций и перемещений использовали многофункциональный комплекс электронной аппаратуры «Тензор МС» [1], позволяющий регистрировать, сохранять в памяти компьютера и обрабатывать результаты измерений в режиме реального времени.
Таблица 1
Частота появления наиболее распространенных дефектов второй группы
Количество (шт.) дефектных ПС и процент от общего числа
Наименование дефекта Расчетный пролет, м
23,0 27,0 33,6 45,0 55,0
(127) (76) (124) (13) (18)
Низкая прочность бетона 30 22 31 3 -
швов 23,6 % 28,9 % 25,0 % 23,1 % -
Трещины по контакту бетона швов и бетона плиты 23 17 15 5 4
18,1 % 22,4 % 12,1 % 38,5 % 22,2 %
Частичное или полное 5 6 6 3 -
разрушение бетона швов 3,9 % 7,9 % 4,8 % 23,1 % -
Отсутствие объединения 5 5 6 - -
арматуры в стыках 3,9 % 6,6 % 4,8 % - -
Примечание. В скобках указано общее число обследованных пролетных строений
Рис. 3. Повреждения в швах омоноличивания плиты, снижающие грузоподъемность:
а - трещина по контакту между бетоном омоноличивания поперечного шва и блоком сборной плиты; б - разрушение бетона омоноличивания поперечного шва
В состав «Тензор МС» (рис. 4) входят датчики линейных деформаций и перемещений, вибродатчики (акселерометры), блоки сбора и обработки информации и карманный компьютер Роскй РС.
Рис. 4. Система «Тензор МС» и датчики на пролетном строении:
а - система «Тензор МС»; б - датчики на пролетном строении; 1 - карманный компьютер; 2 - блок сбора информации; 3 - тензодатчики; 4 - вибродатчики-акселерометры
Схема расположения датчиков системы «Тензор МС» для измерения деформаций и ускорений приведена на рис. 5. Датчики деформаций (Т1, Т2, Т3 и Т4) устанавливали на пояса металлических балок под швами омоноличи-вания плиты. Акселерометры (В1, Г1), как правило, располагали в середине пролета на нижнем или верхнем поясе одной из металлических балок.
Рис. 5. Схема расстановки приборов:
Д - тензодатчики для фиксации продольных деформаций; □ - вибродатчики (В - вертикальное направление; Г - горизонтальное направление)
В результате проведенных испытаний для каждого пролетного строения были получены картины напряжений для верхнего и нижнего поясов главных балок при прохождении нагрузки в исправных и дефектных конструкциях (рис. 6).
В табл. 2 приведены результаты испытаний некоторых пролетных строений (ПС), указывающие на то, что непосредственной зависимости
между фактической прочностью бетона, определенной склерометрическими методами, и напряжениями в поясах, отражающих степень включения железобетонной плиты в совместную работу с главными балками, нет. Это объясняется тем, что измерения, выполненные методом неразрушающего контроля, показывают лишь поверхностную прочность материала и не дают полной информации о прочности всего массива, а следовательно, и о степени включения железобетонной плиты в совместную работу с главными балками пролетных строений.
а
0,01 0,43 О, В4 г 26 г 67 2,03 2,50 2,32 3,33 3,75 4,16 4,50 5,00 5,41 5,63 6,24 6,66 7,07 7,4Э 7,Э0 0,32 0,07
б
кг/см 2
Рис. 6. Графики напряжений для верхнего и нижнего поясов главных балок при прохождении нагрузки:
а - график напряжений в верхнем поясе при проходе поезда; б - график напряжений в нижнем поясе при проходе поезда
На изменение работы пролетных строений в значительной степени влияет нарушение монолитности плиты балластного корыта и уменьшение ее жесткости из-за наличия трещин между бетоном омоноличивания швов и бетоном плит и разрушения монолитного бетона. Практически на всех пролетных строениях, швы омоноличивания которых имели зазоры между бетоном шва и бетоном плиты, зафиксированы повышенные напряжения в поясах, хотя поверхностная прочность бетона омоноличивания швов на этих конструкциях, как правило, была не многим меньше проектной прочности бетона (ПС № 4-6 табл. 2). В то же время прочность бетона швов омоноличивания на пролетных строениях № 1-3 (табл. 2) в два и более раз ниже проектной, однако напряжения в поясах главных балок говорят о нормальной работе конструкций.
Таблица 2
Измеренные и расчетные напряжения в верхнем поясе балок от статической испытательной нагрузки
Наименование дефекта № ПС Расчетный пролет, м Прочность бетона швов омо-ноличивания, МПа Напряжения в верхнем поясе главной балки, кгс/см2
факт. / проект. факт. / расчет.
Низкая прочность бетона швов 1 27,0 19,2 / 30 -71 / -95
2 27,0 16,6 / 30 -86 / -108
3 33,6 14,7 / 40 -67 / -70
Трещины по контакту бетона швов и бетона плиты раскрытием более 1 мм 4 33,6 29,3 / 40 -198 / -162
5 33,6 32,0 / 40 -181 / -157
6 33,6 23,0 / 40 -223 / -168
Частичное или полное разрушение бетона швов и отсутствие объединения арматуры в стыках 7 23,0 * / 30 -785 / -54
8 23,0 * / 30 -745 / -54
9 27,0 * / 30 -554 / -87
10 27,0 * / 30 -1021 / -114
11 27,0 * / 30 -909 / -114
Примечание. Знак «*» в таблице означает, что измерить прочность бетона не удалось из-за низкого качества поверхности или разрушения бетона шва. Жирным шрифтом выделены напряжения, превышающие расчетные значения.
Таким образом, критерием снижения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений может быть принят уровень напряжений в верхнем поясе главных балок, поскольку далеко не всегда высокая прочность бетона в стыках соответствует нормальной работе пролетного строения, и наоборот. Уровень напряжений в верхнем поясе однозначно характеризует степень включения железобетонной плиты в совместную работу с металлическими балками и может быть включен в методику расчета по грузоподъемности.
В то же время следует отметить, что величина напряжений от временной нагрузки, давая возможность оценить фактическую грузоподъемность пролетного строения по конкретному поперечному сечению, не является характеристикой технического состояния в целом, т. е. не свидетельствует о возможном повреждении швов в других сечениях. Напряжения зависят от типа нагрузки и места установки датчиков (могут реагировать на кручение, локальную работу элемента). Интегральную оценку технического состояния можно получить, проводя вибродиагностику пролетного строения. В основу предлагаемого метода, названного методом экспресс-диагностики, положен тот факт, что динамический отклик конструкции содержит информацию о неисправностях, ведущих к уменьшению жесткости или изменению расчетной схемы конструкции. Такие неисправности влияют на динамические параметры конструкции - частоты собственных колебаний, соответствующие им
формы колебаний, параметры демпфирования. По изменению этих величин можно судить о степени развития того или иного дефекта.
Для определения теоретических значений собственных частот, соответствующих различному состоянию конструкции, были выполнены расчеты с использованием метода конечных элементов. В расчетной схеме (рис. 7) элементы мостового полотна и верхнего строения пути учитывали как эквивалентную массу, приложенную на уровне верха плиты балластного корыта путем изменения плотности материала конечных элементов верхнего слоя плиты. Повреждения в швах моделировали уменьшением модуля упругости материала конечных элементов шва между блоками плиты, что приводило к изменению жесткости балки. Составленная КЭ-модель считалась достоверной, если результаты статического расчета давали ожидаемые перемещения и напряжения.
Рис. 7. Конечно-элементная модель пролетного строения
Как известно, на частоту собственных колебаний балок, помимо их жесткости, оказывает влияние и масса конструкции. На железнодорожных пролетных строениях для одного и того же пролета масса конструкции может быть различной при различной толщине уложенного балласта. На рис. 8 сплошными линиями показаны расчетные значения первой частоты собственных колебаний для исправных пролетных строений всех пролетов, входящих в состав типового проекта инв. № 739, для толщины балласта 25, 35 (проектное значение) и 65 см. На этом же рисунке квадратными маркерами нанесены измеренные на исправных пролетах частоты. Сравнение графиков позволяет утверждать, что исправные пролетные строения имеют частоты, значения которых попадают в интервал, соответствующий исправному состоянию.
Для определения динамических характеристик эксплуатируемых пролетных строений использовали записанные во время динамических испытаний виброграммы ускорений, полученные по результатам измерения процесса колебаний либо после схода поезда, либо после вертикального импульсного воздействия малой интенсивности.
Полученные при испытаниях акселерограммы колебаний обрабатывались с помощью программных средств измерительного комплекса «Тензор МС». Обработка виброграмм осуществлялась с использованием методов анализа случайных процессов вычислением функции спектральной плотности. Собственные частоты определяли по пиковым значениям функции спектральной плотности мощности, для построения которой был применен метод Уэлча (Welch) [2].
■ Балласт 35 см
■ Балласт 65 см
■ Балласт 25 см Исправные ПС
Пролет, м
Рис. 8. Значения первой собственной частоты при различной толщине балласта для исправных пролетных строений
Типичная виброграмма сигнала акселерометра, установленного в середине пролета на нижнем поясе металлической балки, при импульсном воздействии приведена на рис. 9, а, а соответствующий ей график функции спектральной плотности мощности - на рис. 9, б. Из графика на рис. 9, б видно, что функция имеет ярко выраженные экстремумы, по которым можно определить значение собственной частоты.
м/сек2
б
Рис. 9. Графики сигнала акселерометра и функции спектральной плотности:
а - график сигнала акселерометра при проходе поезда; б - график функции спектральной плотности сигнала акселерометра
На рис. 10 приведены значения первой собственной частоты для неисправных пролетных строений, напряжения в верхних поясах которых превышали расчетные значения при проектной жесткости (показаны треугольными маркерами), и частоты исправных пролетных строений (показаны квадратными маркерами). На графике (рис. 10) достаточно четко выделяется область, соответствующая исправному состоянию конструкций (т. е. имеющих проектную жесткость сечений). Частоты исправных пролетных строений располагаются в зоне, не превышающей 15 % расчетных значений для толщины балласта, равной 35 см. Следовательно, уменьшение частоты более чем на 15 % по сравнению с расчетным значением для толщины 35 см может считаться признаком наличия неисправности в плите, что и было положено в основу метода экспресс-диагностики.
6.50 -|
6,00
5.50
5.00
1_
то 4,50
н
& 4,00
ГО
3.50
3.00
2.50
2.00
23,0 27,0 33,6 45,0 55,0
Пролет, м
Рис. 10. Зависимость между частотами исправных и неисправных пролетных строений
Таким образом, на основе проведенных работ можно сделать следующие выводы.
1. Для оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений и последующего определения их несущей способности необходимо иметь данные не только о прочности бетона швов омоноличивания поперечных стыков плит балластного корыта, но и знать величины напряжений в опасных сечениях, что позволяет судить о степени включения в работу плиты балластного корыта. Такая информация необходима в дальнейшем для определения грузоподъемности конструкций.
2. Уменьшение первой (низшей) частоты собственных колебаний пролетного строения более чем на 15 % является признаком снижения несущей способности и может служить критерием необходимости углубленного исследования технического состояния при эксплуатации.
Библиографический список
1. Малогабаритные автоматизированные системы для диагностики ИССО / С.А. Бокарев,
А.Н. Яшнов, И.И. Снежков [и др.] // Путь и путевое хозяйство. - 2007. - № 9. - С. 25-26.
2. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко. - СПб. : Питер,
2002. - 608 с.
♦ Расчет исправные
Расчет неисправные
Граница исправного состояния
■ Исправные ПС
А Неисправные ПС
170
Вестник ТГАСУ № 2, 2009
S.А. BOKAREV, L.Y. SOLOVYEV, D.N.TSVETKOV, E.V. ROGOVA
RESULTS OF FULL-SCALE INSPECTION AND TEST OF COMPOSITE SUPERSTRUCTURES OF RAILWAY BRIDGES OF SIBERIA AND THE FAR EAST
The results of full-scale inspection and test of composite superstructures maintained on Far East and East-Siberian railways are presented in the paper. During performance of work a number of defects were revealed, and the estimation of influence of these defects on bearing capacity of superstructures is considered.
УДК 625.8: 624.04
Е.В. УГЛОВА, канд. техн. наук, доцент
РГСУ, Ростов-на-Дону
ОЦЕНКА МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
В статье представлена методика расчета модулей упругости слоев дорожной одежды эксплуатируемых автомобильных дорог по результатам натурных измерений с помощью обратного вычисления. Полевые испытания выполняются разработанным специализированным комплексом, включающим малогабаритную ударную установку и виброизмерительный прибор. Моделирование характеристик динамического деформирования дорожной одежды выполняется с использованием разработанной расчетной модели «дорожная конструкция - грунт» при заданном ударном нагружении. В дальнейшем корректировка модулей упругости слоев дорожной одежды осуществляется таким образом, чтобы амплитуды максимальных прогибов точек поверхности на различном удалении от точки удара, рассчитанные по модели, имели наименьшее отклонение от измеренных в полевых условиях величин.
Введение
Проблемы повышения долговечности дорожных конструкций, планирования оптимальных сроков и объема ремонтно-восстановительных работ определяют важность исследований, нацеленных на разработку и реализацию новых эффективных неразрушающих методов испытания нежестких дорожных одежд. В результате этих исследований с возможно большей достоверностью должна быть получена информация о состоянии отдельных элементов и дорожной конструкции в целом.
Результаты многолетних натурных наблюдений и проведенные теоретические исследования показывают, что только по величине регистрируемого упругого прогиба в точке нагружения нельзя оценить состояние элементов дорожной конструкции. Для прогнозирования остаточного срока службы и моделирования процессов разрушения дорожных одежд эксплуатируемых автомобильных дорог необходима информация о механических характеристи-
© Е.В. Углова, 2009
