CC BY
27
УДК 504:6
ВОССТАНОВЛЕНИЕ УЧАСТКОВ ДОРОГ И ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ЗОНАХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В.В. Беляев
доктор технических наук
профессор кафедры химии и материаловедения Военный учебно-научный центр сухопутных войск «Общевойсковая академия Вооруженных Сил Российской Федерации» 119992, г. Москва, пр. Девичьего Поля, д.4 E-mail: kventrQlist.ru
М.Н. Ерофеев
кандидат технических наук
Военный учебно-научный центр сухопутных войск «Общевойсковая академия Вооруженных Сил Российской Федерации» 119992, г. Москва, пр. Девичьего Поля, д.4 E-mail: kventrQlist.ru
Е.А. Луговцев
кандидат технических наук
Военный учебно-научный центр сухопутных войск «Общевойсковая академия Вооруженных Сил Российской Федерации» 119992, г. Москва, пр. Девичьего Поля, д.4 E-mail: kventrQlist.ru
Аннотация. Статья раскрывает взгляды авторов на актуальные проблемы восстановления участков дорог и транспортных сооружений для вывоза пострадавших, материально-технического снабжения и обеспечения беспрепятственного доступа в районы пострадавшие от паводков, обильных осадков и наводнений в результате чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера за счет применения разработанных модульных металлических гофрированных конструкций многоразового использования.
Ключевые слова: чрезвычайные ситуации природного и техногенного характера, паводки, наводнения, участки автомобильных дорог, транспортные сооружения, конструкция из гофрированного металла для водопропуска, расчет несущей способности, устойчивость грунта. Цитирование: Беляев В.В., Ерофеев М.Н., Луговцев Е.А. Восстановление участков дорог и транспортных сооружений в зонах чрезвычайных ситуаций с применением металлических гофрированных конструкций // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2018. № 4 (39). С. 96-107
Стихийные бедствия во многих случаях становятся национальной трагедией, поскольку страдает экономика страны, уничтожаются материальные ценности, гибнут люди. К стихийным бедствиям относятся наводнения, селевые потоки, оползни, обвалы, длительные проливные дожди и др.
Наибольшую опасность для России, по данным многолетних наблюдений, представляют: наводнения (34% от общего числа стихийных бедствий); ураганы, бури, тайфуны, смерчи (19%); сильные и особо длительные дожди (14%); землетрясения (8%); сильные морозы и метели (3%); лавины (3%) [1]. Так, во втором и третьем кварталах 2018 года с началом весеннего половодья на территории 56 субъектов Российской Федерации оказались подтопленными 552 населенных пункта, 6 202
жилых дома с населением 21 503 человека, в том числе 2 780 детей, 23 567 приусадебных участков, один социально значимый объект, 207 низководных мостов и 163 участка автодорог (рисунок 1 и 2).
В связи с ростом и концентрацией населения в ближайшем будущем будет иметь место тенденция к увеличению числа жертв и материального ущерба при аналогичных по силе стихийных бедствиях.
С каждым годом от воздействия природных стихий все чаще происходит нарушение нормального движения транспорта, что влечет за собой значительный экономический и социальный ущерб.
В первую очередь это относится дорожному покрытию и транспортным сооружениям, расположенным в горной и предгорной
местности, на пойменных участках больших рек. Только на автомобильных дорогах России (таблица 1) полному или частичному разрушению ежм'одно подвергается в среднем око-
ло 200 мостовых конструкций, большая часть из которых относится к средним и малым мостам [2].
Рисунок 1 Размыв автодорожншх) моста
Таблица 1 Сведения по паводковой обстановке и оказанию помощи гражданам па
территории РФ па 1 сентября 2018 года
Федеральный округ Подтоплено Эвакуировано
МР н.н. Домов Приусадебных участков Человек Мостов Участков дорог СЗО Всего В ПВР
Дальневосточный 21 43 038 2070 1813 0 0 0 4409 132
Сибирский 02 250 3553 9210 11257 0 17 0 3084 021
Уральский 0 0 0 0 0 19 5 0 0 0
Приволжский 40 73 413 2032 1190 79 20 0 930 49
Южный 12 08 1114 5139 3377 7 0 1 000 70
Северо-Западный 20 39 31 1023 9 2 54 0 3 9
Центральный 44 73 453 3481 3851 100 07 0 29 29
ИТОГО за РФ 205 552 0202 23507 21503 207 103 1 9781 910
Все указанные воздействия в своем большинстве характеризуются внезапностью и непредсказуемостью. На транспортные коммуникации передаются при этом сверхнормативные нагрузки или вредные нееиловые воздействия, в результате чмх) конструкции либо разрушаются, либо повреждаются с посте—пенной или ускоренной потерей своих эксплуатационных качеств.
Ликвидируя последствия этих воздействий, страна ежм'одно несет убытки, исчис-
ляемые миллиардами рублей. При этом нередко события принимают трагический характер и сопровождаются человеческими жертвами.
Смхадня очевидно существует потребность в новых эффективных, унифицированных и мобильных табельных конструкциях дорожно-строительных организаций и ведомств, занимающихся строительством и восстановлением дорожншх) покрытия и транспортных сооружений в зонах чрезвычайных ситуаций (далее ЧС).
Быстрое восстановление объектов транспортной инфраструктуры является важной задачей в условиях военного времени или ЧС. От этого зависит возможность снабжения войск, эвакуации населения или проведения крупномасштабных ремонтно-восстановительных работ. Для этих целей могут быть использованы заранее разрабо-
танные проекты. Однако невозможно полностью спрогнозировать весь объём ремонтно-восстановительных работ. Нельзя также полагать, что для производства этих работ всегда может быть доступен весь необходимый набор техники и материалов. В таких условиях вероятность приятия решения «по месту» достаточно высока.
Рисунок 2 - Размыв насыпи земляного полотна и применяемые варианты восстановления движения автотранспорта в подтопленные районы
Наиболее перспективной конструкцией в практике дорожного строительства последних лет признана сборная металлическая гофрированная конструкция (далее - МГК). Прочность, стойкость к агрессивным средам, долговечность, высокая сейсмостойкость, простота монтажа, короткие сроки строительства, удобная и экономичная транспортировка, отсутствие физического износа конструкций и затрат на обслуживание сооружений превра-
щают их в достойную альтернативу традиционным железобетонным конструкциям (далее - ЖБК) при сооружении мостовых арок. В основе таких конструкций лежит использование гофрированного металла для водопропус-ка (рисунки 3 и 4). Данные конструкции [5, 6] относятся к водопропускным системам и могут быть использованы при восстановлении дорожного покрытия и транспортных сооружений. Монтаж конструкций в русло водотока
производится в 100% готовности. Предлагаемая конструкция актуальна, когда необходимо в кратчайшие сроки и с минимальными затратами восстановить дорожное покрытие и/или транспортное сооружение. Основное преимущество конструкции над мостовым сооружением быстрый срок монтажа с минимальными затратами.
Конструкции из гофрированного металла для водонронуска предлагаются в двух вариантах, в виде трубы и арки (рисунки 3 и 4). Выполнены основные элементы конструкций одинаково гофрированные листы, уголки или швеллера, фланцы, соединенные хомутами посредством болтового соединения. Отличительной чертой между конструкциями является то, что гофрированные листы соединяются продольно между собой разными элементами. Конструкции в виде труб уголками, с продольным смещением одного из уголков относительно края гофрированного листа не менее 1/3 ее ширины, а арки цельными швеллерами но всей длине. Арочная конструкция из гофрированного металла для водонронуска имеет универсальное свойство. При необходи-
мости преодоления водной преграды с большим расходом воды можно соединить арки между собой болтовым соединением но швеллерам. Это позволит увеличить пропускную способность в два раза.
Конструкции из гофрированного металла для водонронуска обладают: прочностью н поперечной жесткостью, что позволяет при заданном пролете и толщине металла противостоять постоянным нагрузкам от веса насыпи и дорожного полотна, гидростатическим и гидродинамическим воздействиям водного потока, временным нагрузкам от подвижного состава железных и автомобильных дорог; требуемой продольной гибкостью, снижающей чувствительность к просадкам грунта; необходимыми гидравлическими характеристиками отверстия сооружения для беспрепятственного пропуска расчетного водного потока, так как при совмещении арочных сводов вдоль оси конструкций, пропускная способность увеличивается в два раза; стойкостью к агрессивному воздействию воды, так как конструкция выполнена из оцинкованной стали.
Рисунок 3 Изометрический вид конструкции из гофрированного металла для водонронуска: 1 отдельная металлическая гофрированная труба, 2 уголки, 3 болтовые соединения, 4 накладка, 5 фланец, 6 продольные отверстия, 7 монтажные отверстия, 8 объединяющие уголки, 9 - хомут, 10 штыри, 11 отверстия для штырей
Рисунок 4 Изометрический вид арочной конструкции из гофрированного мета.л.ла для водонронуска: 1 метал.лические гофрированные арки, 2 швеллер, 3 болтовое соединение, 4 фланцы, 5 монтажные отверстия, 6 хомуты, 7 объединяющие уголки, 8 накладки, 9 отверстия для штырей, 10 продольные отверстия
На основе ОДМ 218.2.001-2009 [3] был выполнен расчет «Конструкция из гофрированного металла для водонронуска», при котором приняты следующие основные положения.
Расчетная модель физически и геометрически нелинейная стержневая система в упругой винклеровой среде, в которой учитывается односторонняя связь системы «конструкция-грунт». Величина безотпорной зоны не задается. Расчет выполняется но первой группе предельных состояний на прочность. При этом критерием исчерпания несущей способности является деформационный критерий,
т.е. условие ^ =0. Результатами расчёта являются предельно допустимые нагрузки и деформации, соответствующие предельному статическому равновесию системы. Исходные данные для расчета: диаметры труб - 1 = 1,0 м используемый материал при изготовлении сталь 09Г2Д; толщина стенки труб 2,5 мм; тин гофра - 130 х 32,5 мм; средние физико- механи чеекие характеристики грунтов (таблица 2).
временные нагрузки: А-8 и НГ-60.
Таблица 2 Средние физико-механические характеристики грунтов
У> 11/11 Вид грунта Модуль деформации грунтов, Егр, кг с/см2 Природная влажность, щ„ % Коэффициент пористости, е Ун и внутреннего трения грунта, Ун и распределения внешнего давления в грунте, р Объёмный вес, 3 7е, Т/ М°
1 2 3 4 5 0 7 8
1 Песчаные Крушше 330 23-25 0,0-0,7 38 20 1.90
2 Средней крушюстн 35 27,5
3 Мелкие 240 32 29
4 Пылеватые 100 0,7-0,8 28 31
5 Глинистые Пылеватые Супеси 110 0,0-,07 27 31,5 1.95
0 Суглинки 130 23 33,5
7 Глины 80 35-40 0,9-1,0 18 30 1,80
Основным расчётным критерием является условие:
Я < Яр
где ц - интенсивность расчётного вертикального давления на МГТ от постоянных и временных нагрузок;
др - расчётная несущая способность МГТ в грунте, т.е. интенсивность предельно-допустимой нагрузки из условия предельного статического равновесия рассчитываемой системы.
Расчётную несущую способность МГТ др (кгс/см2) определяли по формуле:
qp = Ку вql,p,
12 l 10—4
где Хув = 1+--'—го--коэффициент увеличе-
VG
ния несущей способности МГТ за счёт упругого отпора окружающего грунта;
= 0,032 ■ 1016- расчётная несущая
способность МГТ вне грунта для рекомендуе-2
Ш - момент сопротивления продольного (вдоль МГТ) сечения брутто стенки на единицу длины МГТ, см3/см (таблица 3);
И - диаметр МГТ по средней линии гофров, см;
G =
w
обобщённый показа-
D2 ЕГР
тель жёсткости взаимодействующей системы
2
Егр - компрессионный модуль деформации грунта засыпки, принимаемый на основе компрессионных испытаний в одометре при интервале давлений 0,5...1 кгс/см2.
Таблица 3 - Неравенство, удовлетворяющее условию расчёта по предельному равновесию
в зависимости от модуля деформации грунтов
№ Вид грунта Расчётная несущая способность МГТ, кгс/см2 Интенсивность вертикального давления грунта на МГТ от постоянных и временных нагрузок, д, кгс/см2
А-8 НГ-60
Диаметр МГТ 1,0 м
1 Пески крупные 9452849734 > 0,97 2,97
7 Глины и суглинки 6557854150 > 1,0 2,34
Примечание: № п/п - нумерация грунта, см. по таблице 2
Анализ представленных в таблице 3 данных позволяет сделать вывод о том, что условие прочности выполняется, по двум видам грунта с наибольшим и наименьшим модулем деформации прочность обеспечена.
Расчет МГТ на общую устойчивость формы поперечного сечения произведена из условия сжатия МГТ равномерно распределенным по её периметру нормальным давлением грунта засыпки, принимаемым равным расчетной интенсивности ц вертикального давления на МГТ от постоянных и временных нагрузок. Условие устойчивости удовлетворяется неравенством
N
— < т,2 Ко
где N = ^ - расчётное осевое сжимающее усилие на единицу длины стенки МГТ, кгс/см;
р _ площадь продольного сечения стенки
2
Ш2 - коэффициент условий работы, учитывающий условность расчётной схемы и начальные несовершенства конструкции, принимается равным 0,7;
Ко - основное расчётное сопротивление ста-
2
ф = - коэффициент понижения несущей способности, вводимый для предотвращения потери устойчивой формы равновесия гибкой МГТ в упругой грунтовой среде;
ат - предел текучести стал и, кгс/см2;
акр - критическое напряжение в стенке 2
=
12Е
Ж
, если А > Ао;
о,
кр
= а — &А,еслиА0/2 < А < А0;
о,
кр
= о"ш, еслиА < Ао/2;
постоянные а и Ь, а также предельное значение гибкости Ао принимаются в зависимости от марки стали: для стали 15сп (стп ц. = 2000 кг с/см2; стт = 2400 кг с/см2) а = 2800 кг с/см2; Ь = 7,14 кгс/см2; А0 = 112 для стали 09Г2Д (стп .ц. = 2600 кг с/см2
стт = 3100 кг с/см2): а = 3600 кгс/см2; b = 10,2 кгс/см2; Ао = 98;
Е = 2,1 • 106 кг с/см2 - модуль упругости стали;
^п.ц. - предел пропорциональности стали; А = ^^ - гибкость МГТ; г - радиус инерции продольного сечения стенки МГТ, см;
к' - коэффициент гибкости, определяемый в зависимости от геометрического параметра и модуля деформации грунта засыпки Егр
(рисунок 5, таблицы 4, 5).
Рисунок 5 - График определения коэффициента гибкости к' в зависимости от модуля
деформации грунта засыпки Егр.
Таблица 4 - Зависимости коэффициента гибкости к' от модуля деформации грунта
засыпки Ет
гр
Точки 1 2 3 4 5 6 7
Модуля деформации грунта засыпки, Егр 330 240 100 110 130 80
Коэффициента гибкости, к' 0,4960 0,5285 0,6868 0,6684 0,6358 0,7277
Таблица 5 - Неравенство, удовлетворяющее условию устойчивости в зависимости от модуля деформации грунтов (диаметр МГТ 1.0 и 2.0 м).
№ Вид грунта N фР т2 • R0
п/п А-8 НГ-60
Диаметр МГТ 1,0 м
1 Пески крупные 167,7 513,47 < 1680
7 Глины и суглинки 203,13 432,11 < 1680
Примечание: № п/п - нумерация грунта, см. по таблице 2
На основе анализа данных, представленных в таблице 5, можно сделать вывод о том,
что условие устойчивости удовлетворяется.
При проведении практических расчетов возникает необходимость использования мобильных расчётно-вычислительных комплек-
сов, способных нрн минимальном времени, требуемом для формирования исходных данных и при эффективном использовании ресурсов вычислительной техники, произвести расчет устойчивости быстровозводимых строительных конструкций. Как возможный вариант такого комплекса может быть рассмотрена отечественная программа «Зенит—95», которая создавалась как универсальное средство комплексного анализа конструкций при проектировании и исследовании разнообразных пространственных объектов.
Все расчеты МГТ (диаметрами 1,0) выпол-
нялись но предельно допустимым нагрузкам в равных условиях системы «конструкция-грунт». По результатам расчетов МГТ определено, что условия выполняются с большим запасом.
Для подтверждения математических расчетов, был произведен дополнительный расчет с помощью программного средства —
В результате расчеты была получена оценка устой чивого состояния грунта по условию прочности Кулона-Мора и напряжения в сечении МГТ (рисунки 6-10).
Рисунок 6 Распределение критерия устойчивости грунта по рассмотренному сечению
(нагрузка А-8, = 1,0 м)
Рисунок 7 Распределение интенсивности напряжений («изгиб-растяжение» и «сжатие») по
сечению МГТ й = 1,0 м
Рисунок 8 Нормальные напряжения от растяжения и изгиба в стержнях от А-8 на МГТ
й = 1,0 м (МПа)
Рисунок 9 Распределение критерия устойчивости грунта но рассмотренному сечению
(нагрузка НГ-60, d = 1,0 м)
Рисунок 10 Распределение интенсивности напряжений («изгиб-растяжение» и «сжатие») но
сечению МГТ ^ = 1,0 м от нагрузки НГ-60
На основе анализа рисунков 6-10 можно сделать вывод о том, что взаимодействие исследуемой МГТ и прилегающих) грунтового массива в целом характеризуется как устойчивое. Уровень напряжений, возникающих в сечении МГТ, не превышает допустимых.
Восстановление дорожного покрытия и транспортных сооружений в зоне ЧС целесообразно проводить с использованием предлагаемых конструкций из гофрированного металла для водопропуека которые позволят: сократить сроки строительства и восстановления сооружений; снизить материалоемкость, затраты на транспортировку и СМР; проводить работы по строительству и восстановле-
нию МВС на всех стадиях собственными силами с учетом имеющихся механизмов и техники; использовать унификацию и модульность конструкций исходя из условий применения.
Для проведения заблаговременных или в ходе ликвидации ЧС расчетов авторами разработана программа для ЭВМ [7], которая предназначена для определения требуемого количества и основных параметров водопропускных труб (рисунок 11) при проектировании искусственных сооружений для водопропуека, применяемых на подъездных и автомобильных дорогах с учетом характеристик водных преград и конструкции земляного полотна (насыпи).
Рисунок 11 Программа расчета круглых труб на ЭВМ
Полученные значения параметров водопропускных труб используются в дальнейшем для детальных расчетов и выбора конструкций и материалов для устройства водопропускных сооружений.
Проведенные расчеты и моделирование с помощью программ для ЭВМ подтвердили результаты математического расчета. При заданных параметрах и нагрузках критические деформации в МГК не наблюдаются.
Литература
1. Мастрюков Б. С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях: Учебник для студ. высш. учеб. заведений М.: Издательский центр «Академия». 2003.
2. Шестопёров Г.С. Методические рекомендации по сейсмическому микрорайонированию участков строительства транспортных сооружений. МДС 22-1.2004. М.: МИИТ. 2005.
3. ОДМ 218.2.001-2009. Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учётом региональных условий (дорожно-климатических зон).
4. Беляев В.В.. Ерофеев М.Н. Инновационные конструкции для строительства и восстановления искусственных сооружений на автомобильных дорогах / Научно-технический сборник: Вып.20. Балашиха: ВТУ при Спецстрое России. 2010. с.61 67.
5. Беляев В.В., Ерофеев М.Н., Демишин С.В. и др. Конструкция из гофрированного металла для водопропуска. Патент на полезную модель №107175 - №2011107987/03, Заявл. 02.03.2011, Опубл. 10.08.2011. -Бюл. №22.
6. Беляев В.В., Ерофеев М.Н., Демишин С.В. и др. Арочная конструкция из гофрированного металла для водопропуска. Патент на полезную модель №2010140409/03, Заявл. 04.10.2010, Опубл. 10.01.2011.
- Бюл. №1.
7. Беляев В.В., Ерофеев М.Н., Перепеченов A.M., Жога С.В., Демишин С.В. Расчётная программа «Расчёт водопропускных круглых труб» (РП «РВТ 1.0»): Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011618600 по заявке №2011616819 от 13.09.2011; Опубл. 01.11.2011.
- 10 с.
RESTORATION OF ROAD SECTIONS AND TRANSPORT FACILITIES IN EMERGENCY AREAS WITH THE USE OF METAL CORRUGATED STRUCTURES
Vladimir BELYAEV
Doctor of Technical Sciences
Professor of the Department of Chemistry and Materials Science
Military Training and Research Center of the Ground Forces "Combined Arms Academy of the Armed Forces of the Russian Federation" 119992, Moscow, Ave. Maiden Fields, 4 E-mail: kventrQlist.ru
Michael EROFEEV
Candidate of Technical Sciences
Military Training and Research Center of the Ground Forces "Combined Arms Academy of the Armed Forces of the Russian Federation" 119992, Moscow, Ave. Maiden Fields, 4 E-mail: kventrQlist.ru
Eugene LUGOVTSEV
Candidate of Technical Sciences
Military Training and Research Center of the Ground Forces "Combined Arms Academy of the Armed Forces of the Russian Federation" 119992, Moscow, Ave. Maiden Fields, 4 E-mail: kventrQlist.ru
Abstract. The article reveals the authors' views on current problems of restoring sections of roads and transport facilities for the removal of injured, logistics and ensuring unhindered access to areas affected by floods, heavy rainfall and flooding as a result of natural and man-made emergencies through the use of developed modular metal corrugated structures reusable.
Keywords: Natural and man-made emergencies, floods, floods, sections of roads, transport facilities, construction of corrugated metal for water transmission, calculation of bearing capacity, soil stability.
Citation: Belyaev V.V., Erofeev M.N., Lugovtsev E.A. Restoration of road sections and transport facilities in emergency areas with the use of metal corrugated structures // Scientific and educational problems of civil protection. 2018. No. 4 (39). pp. 96-107
References
1. Mastryukov B. S. Bezopasnost' v chrezvychaynykh situatsiyakh: Uchebnik dlya stud, vyssh. ucheb. zavedeniy- M.: Izdatel'skiy tsentr «Akademiya», 2003.
2. Shestoperov G.S. Metodicheskiye rekomendatsii po seysmicheskomu mikrorayonirovaniyu uchastkov stroitel'stva transportnykh sooruzheniy. MDS 22-1.2004. - M.: MIIT, 2005.
3. ODM 218.2.001-2009. Rekomendatsii po proyektirovaniyu i stroitel'stvu vodopropusknykh sooruzheniy iz metallicheskikh gofrirovannykh struktur na avtomobil'nykh dorogakh obshchego pol'zovaniya s uchetom regional'nykh usloviy (dorozhno-klimaticheskikh zon).
4. Belyayev V.V., Yerofeyev M.N. Innovatsionnyye konstruktsii dlya stroitel'stva i vosstanovleniya iskusstvennykh sooruzheniy na avtomobil'nykh dorogakh / Nauchno-tekhnicheskiy sbornik: Vyp.20. -Balashikha: VTU pri Spetsstroye Rossii, 2010. - s.61 - 67.
5. Belyayev V.V., Yerofeyev M.N., Demishin S.V. i dr. Konstruktsiya iz gofrirovannogo metalla dlya vodopropuska. Patent na poleznuyu model' №107175 - №2011107987/03, Zayavl. 02.03.2011, Opubl. 10.08.2011. -Byul. №22.
6. Belyayev V.V., Yerofeyev M.N., Demishin S.V. i dr. Arochnaya konstruktsiya iz gofrirovannogo metalla dlya vodopropuska. Patent na poleznuyu model' №2010140409/03, Zayavl. 04.10.2010, Opubl. 10.01.2011. - Byul. №1.
7. Belyayev V.V., Yerofeyev M.N., Perepechenov A.M., Zhoga S.V., Demishin S.V. Raschetnaya programma «Raschet vodopropusknykh kruglykh trub» (RP «RVT 1.0»): Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM №2011618600 po zayavke №2011616819 ot 13.09.2011; Opubl. 01.11.2011. - 10 s.
