[07-1998] Надежность железобетонных мостовых конструкций

[Admin]

Надежность железобетонных мостовых конструкций

Л.И.ИОСИЛЕВСКИЙ, докт. техн. наук

Обеспечение надежности и долговечности сооружений, в частности мостовых, — глобальная задача. Очевидно, что необходимый уровень надежности сооружения не может быть обеспечен только в рамках нормативных требований; нормы лишь устанавливают минимальный уровень надежности и долговечности сооружения, проект закладывает в конкретную конструкцию нормативную надежность, при строительстве требуется реализовать это важнейшее качество, а службам эксплуатации — сохранять и поддерживать в течение нормируемого срока заложенные в проекте долговечность и необходимый уровень работоспособности.

Первыми документами, во многом определяющими длительную надежную эксплуатацию, являются государственные нормы проектирования (СНиП и ГОСТ). Ими установлены четыре важнейших условия: расчетные нагрузки и воздействия, прочностные и деформативные характеристики материалов, расчетные схемы и минимальный уровень надежности по всем прогнозируемым расчетом предельным состояниям.

Бесспорно, нормируемые рекомендации, основанные на этих требованиях, должны давать не только однозначный предел какого-либо параметра, но и устанавливать необходимый уровень его надежности, т.е. любое требование должно быть обязательно подкреплено информацией об уровне его вероятностностатистической обеспеченности (или вероятности реализации). Без такой вероятностной поддержки расчетные величины теряют необходимую информативность и убедительность.

Вакуум статистической информативности вынуждает составителей норм формировать требования, выполнение которых, как показал опыт, иногда приводит либо к преждевременной потере необходимых эксплуатационных качеств сооружения, либо к перерасходу материалов.

Более чем десятилетний опыт работы с действующим СНиП 2.05.03.-84, а также анализ особенностей проектирования по нормам Западных стран, позволяют сформулировать принципиальные подходы и конкретные рекомендации, направленные на совершенствование нормативных требований к проектированию железобетонных мостовых сооружений.

Основные принципы вероятностного подхода к формированию норм

Следует сделать так, чтобы все установленные нормами требования к нагрузкам, материалам и правилам расчета, система коэффициентов условий работы и надежности имели вероятностно-статистическое обоснование, были бы достаточно понятны и убедительны для проектировщиков, строителей и эксплуатационников.

Необходимо выделить два уровня расчетных нагрузок: рабочие (регулярно обращающиеся, охватывающие 95% всей статистической совокупности) и редко обращающиеся (высокие нагрузки, в том числе перспективные).

Расчетные сопротивления материалов, необходимые коэффициенты условий работы и надежности должны соответствовать принятым уровням нагрузок, их повторяемости с тем, чтобы нормируемая надежность была выдержана.

Расчетные модели распределения внутренних напряжений в сечениях конструкции и их деформаций должны также иметь вероятностное обоснование и соответствовать уровням нагрузок и прочностным возможностям материалов.

Перечисленные требования дают возможность сделать важный вывод: определяющую роль в выборе основных параметров конструкции и необходимых материалов играют расчеты на эксплуатационной стадии при реально обращающихся и перспективных нагрузках.

Со стратегических позиций нормируемые расчеты на прочность по модели предельного равновесия органически не вписываются в концепцию контроля железобетонных конструкций на стадии эксплуатации, они отражают работу элементов в практически никогда не реализуемой ситуации и оценивают предельные возможности сечений конструкции. Такой расчет следовало бы оставить в инженерной практике, но придать ему иной смысл — он правомерен только когда выполняют испытания опытного образца и доводят конструкцию до разрушения. Необходимость в таком перерасчете может возникнуть в аварийной ситуации: требуется выявить ее причины и установить фактическую прочность материалов. Но делать расчет по модели предельного равновесия под эксплуатационными нагрузками — значит вводить в заблуждение инженера о возможных в эксплуатации условиях работы конструкций.

Многолетние наблюдения выявили недостаточную надежность и долговечность плит проезжей части автодорожных и плит балластного корыта железнодорожных мостов. Причины этого кроются в исключи- -тельно неблагоприятном сочетании воздействий па бетон влаги с солями в условиях попеременного замораживания и размораживания воды в порах бетона и высокого уровня многократно повторяющихся динамических нагрузок. Ситуация усугубляется отсутствием в нормативных документах специальных существенно повышенных требований к качеству бетона плит, их конструкции, материалам гидроизоляции. Условия расчета на надежность и долговечность плит проезжей части должны быть ужесточены.

Исходные требования к расчетным моделям изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных конструкций

На основании анализа накопленного опыта многолетних расчетно-теоретических и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в МИИТе, а также опыта проектирования и эксплуатации мостовых сооружений предлагаются для обсуждения расчетные модели, представленные на рисунке.

Расчетные модели, определяющие надежность работы материалов в поперечных сечениях, расход и рациональное распределение бетона и арматуры в конструкции должны прежде всего обеспечить надежную многолетнюю ее работу под эксплуатационными нагрузками двух рассмотренных выше уровней.

Для правильной оценки напряженно-деформированного состояния чрезвычайно важны модели распределения напряжений в арматуре и бетоне в поперечных сечениях:

первому уровню нагрузок отвечает упругое распределение напряжений с сохранением при деформировании плоских сечений (рис. а), в расчетах могут быть использованы геометрические характеристики сечений упругих систем (A,I,W,S);

второму уровню нагрузок отвечает упругая или упруго-пластическая работа бетона в сечениях и упругая работа арматуры с сохранением плоских сечений при деформировании, положение оси «нулевых деформаций» при повороте сечений в предварительно напряженных конструкциях отличается от положения «нейтральной оси» (центра тяжести сечения) и определяется соотношением моментов и нормальных сил, действующих в сечениях (рис. б).

Определение расчетных параметров для условий упруго-пластической работы поперечных сечений до последнего времени было чрезвычайно затруднено, т.к. практически оно сводилось к многоразовому перебору вариантов «вручную» до выполнения условий равновесия сил в сечениях. Сейчас расчеты легко выполнить с помощью достаточно простых программ на любых компьютерах. Такое напряженно-деформированное состояние принципиально отличается от принятого в действующих СНиП, очень условного, не соответствующего уровню расчетных и распределению внутренних усилий по модели предельного равновесия.

Предлагаемый подход восстанавливает методическое единство расчетов стальных и железобетонных мостовых конструкций: расчеты на выносливость - в упругой стадии, расчеты на прочность - в упруго-пла-стической.

Как показали многочисленные стендовые испытания железобетонных предварительно напряженных балочных конструкций, так называемое предельное равновесие достигается перед разрушением лишь при предельных моментах, больших, чем вычисленные по СНиП расчетные моменты на прочность, в 1,5-2,0 раза. Следовательно, испытывая материалы под нагрузками не превышающими расчетные по СНиП, нельзя проверить ни их несущую способность, ни фактическую прочность при «коллективной» работе.

Третья расчетная модель (рис. в) должна дать оценку предельным возможностям конструкции, необходимость в которых, правда редко, но может проявиться в нестандартных, аварийных ситуациях. В прежних нормах ТУПМ-47 такие расчеты предусматривались — по разрушающим нагрузкам. Близки им по смыслу расчеты по действующим нормам США, Великобритании, Германии и др. Оценка предельных возможностей конструкции позволит инженеру, во-первых, достаточно наглядно контролировать уровень надежности конструкции и, во-вторых, проверить прямыми испытаниями с доведением конструкции до разрушения правильность принятых в расчетах прочностных и деформационных характеристик материалов, учесть эффект их совместной работы. Последнее может быть выявлено только при стендовых испытаниях опытных конструкций в упруго-пластической стадии работы материалов.

Многочисленные испытания и расчетные исследования выявили увеличение средних значений прочности при совместной работе арматуры и бетона в 1,25-1,4 раза.

Если сохранить нормируемую надежность (в расчетах на прочность и=0,998 и в расчетах на трещино-стойкость U=0,95) и учесть эффект «коллективной» работы материалов в сечениях, то для широкого класса железобетонных предварительно напряженных цельноизготавливаемых конструкций расчетные сопротивления арматуры и бетона могут быть совершенно безопасно увеличены на 15+20% по сравнению с принятыми в действующих СНиП.

Значения расчетных сопротивлений (в кгс/см2), соответствующих уровню надежности расчетных сечений по моделям для предварительно напряженных конструкций представлены в таблице.

Особенности проектирования плит проезжей части

Условия работы плит проезжей части пролетных строений мостов значительно отличаются от тех, в которых находятся стенки и нижние пояса балок. На верхние плиты непосредственно воздействуют динамические нагрузки, атмосферные осадки и др. В отечественной практике используют, как правило, не предварительно напряженные плиты, т.е. расчетом допускается образование трещин, что ухудшает условия работы конструкций. Гидроизоляция недолговечна, протечки (с солями) способствуют появлению дефектов, повреждений, деградации структуры и снижению прочности бетона.

Чтобы повысить надежность и долговечность верхних плит предлагается следующее.

Ввести дополнительный коэффициент условий работы mv, к расчетным моментам и поперечным силам от временных нагрузок, принимаемый равным 1,2 для бетона при расчете на нагрузки АК и 1,1 при расчете на НК-80. Впредь до накопления более обширного опыта такой коэффициент может обеспечить большую надежность и долговечность плит.

Бетон принимать с повышенной морозостойкостью F400 водонепроницаемостью W8. Предпочитать устройство монолитных железобетонных плит по сборным балкам. Рекомендовать вместо оклеечных гидроизоляций применять модифицированные бетоны.

Обычно применяемые одноребристые балки вынуждают плиты работать в особенно сложных условиях. Следует рассмотреть возможность применения балок коробчатых сечений или устройства одной диафрагмы посередине балки при ее длине более 15 м.

Представленные в статье предложения требуют детального обсуждения. Их реализация повысит технико-экономические показатели и конкурентоспособность железобетонных мостовых конструкций, благодаря следующим ответственным решениям:

корректировка расчетных сопротивлений арматуры и бетона и их увязка с нормируемыми уровнями надежности вместо прогнозируемых предельных состояний;

переход к расчетному контролю железобетонных конструкций в эксплуатационной стадии под нагрузками двух уровней (рабочими и чрезвычайными);

изменение стратегии проектирования плит проезжей части и ужесточение требований к материалам, конструкции и ее расчету.

В статье рассмотрена лишь одна сторона надежности железобетонных мостовых конструкций, связанная с нормами проектирования и эксплуатации. Необходим анализ некоторых других проблем их надежности и долговечности. Среди них, прежде всего, прямые вероятностные оценки сроков службы конструкций, с учетом их фактического состояния и прогноза износа материалов.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin