Методика вероятностной оценки ресурса железобетонных пролетных строений мостов

С каждым годом интенсивность грузооборота на сети железных дорог России возрастает. В этих условиях, как показывает многолетний опыт эксплуатации мостов, в железобетонных пролетных строениях развиваются различные повреждения и неисправности, снижающие грузоподъемность и долговечность.

На ремонтно-восстановительные работы расходуются значительные материальные средства. Процесс эксплуатации в настоящее происходит в условиях жесткой ограниченности финансовых, материальных и трудовых ресурсов, в результате не осуществляются в полном объеме плановые ремонтнопрофилактические мероприятия.

Имеют место случаи замены пролетных строений без соответствующего технико-экономического обоснования или наоборот, не производится своевременный ремонт, позволяющий значительно продлить срок службы конструкции. Одной из основных причин этого является отсутствие в настоящее время научно обоснованных способов проектирования конструкции с назначаемым или с заданным сроком службы, а так же методики определения остаточного срока безопасной эксплуатации для конкретной железобетонной конструкции.

Эксплуатируемые мостовые конструкции работают в условиях действия различных силовых нагрузок при одновременном неблагоприятном воздействии окружающей среды.

Разработка методики расчета грузоподъемности и долговечности пролетных строений с учетом всех влияющих факторов практически невозможна. В представленной работе диссертант ограничился исследованием части этой проблемы — прогнозирование ресурса железобетонных пролетных строений мостов по выносливости бетона сжатой зоны плиты. Причем основное внимание уделено вероятностным расчетам определяемого срока службы с привлечением современных методов теории вероятности и вычислений.

Повышение надежности и долговечности пролетных строений возможно при решении комплекса взаимосвязанных задач. На стадии проектирования — это правильный учет факторов, влияющих на работу железобетонной конструкции, надежный прогноз увеличения нагрузок в перспективе. На стадии изготовления и строительства — повышение качества строительных материалов, применение современных технологий изготовления и сооружения конструкций. На стадии эксплуатацииправильная организация процесса эксплуатации на базе научно-обоснованной методики прогнозирования ресурса. Обеспечение стабильных работающих связей между указанными факторами позволит обеспечить и повысить долговечность конструкции. Для этого необходимо иметь научно-обоснованный способ прогнозирования ресурса в стадии проектирования и эксплуатации пролетных строений.

Впервые методика прогнозирования ресурса регламентирована в Руководстве по определению грузоподъемности металлических мостов [59]. Для железобетонных пролетных строений аналогичных нормативных документов пока не имеется. Нормативные сроки службы (80.100 лет) назначаются без учета условий строительства и эксплуатации. Делается предположение, что при выполнении всех нормативных расчетов будут соблюдаться нормативные сроки службы.

В последнее десятилетие большое количество коллективов ученых во главе докт. техн. наук В. О. Осиповым, В. П. Чирковым, Л. И. Иосилевским, Р. К. Мамажановым, В. О. Алмазовым, А. П. Кирилловым и многих других ученых выдвинули и обосновали предложения по физическим и математическим моделям расчета сроков службы (ресурса) сооружений различного назначения.

В предлагаемых методиках определения сроков службы, в частности, эксплуатируемых железобетонных мостов слабо или недостаточно убедительно учитывается отчетливо выраженный случайный (вероятностный) характер определяемых сроков службы.

Это приводит к усложнению процесса эксплуатации, планирова нию средств на ремонтно-профилактические мероприятия.

Таким образом, создание метода прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений мостов (как полного, так и остаточного, определяемого в процессе эксплуатации) с учетом современных решений теории вероятности является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка инженерных методов расчетного прогноза сроков службы (ресурса) железобетонных пролетных строений мостов по одному из многочисленно возможных признаков разрушения — критерию выносливости бетона сжатой зоны изгибаемой конструкции. Использование таких методов открывает перспективы более надежной эксплуатации железобетонных мостовых конструкций в течении заданного срока эксплуатации в разумных и достаточных для обзора доверительных границах (например, для статистических полос шириной порядка 0,1−0,9).

Решение назревших проблем надежности и долговечности мостовых конструкций имеет важное значение, поскольку позволит: проектировать пролетные строения с заданным ресурсом прочности материалов, расходуемым во временипрогнозировать (с заданным уровнем надежности) срок службы эксплуатируемых пролетных строений в зависимости от их фактического состояния, оцениваемого технической диагностикой в любой момент времени tiобоснованно планировать сроки и виды ремонтно восстановительных работ и предусматривать конкретные меры, позволяющие увеличить срок службы (ресурс) эксплуатируемых железобетонных пролетных строенийпитать широко используемых различного рода информационно-аналитических систем эксплуатации мостов необходимой информацией о состоянии сооружений и контролировать в реальном режиме эксплуатации процессы «старения» конструкции, обоснованно сигнализировать о необходимости усиления или ремонта конкретного моста.

Объектом исследования является широкий класс балочных разрезных железобетонных пролетных строений как автотак и железнодорожных мостов.

Методика исследования — расчетно-теоретическая, основанная на обширных опытно-экспериментальных работах, выполненных в течение последних десятилетий большими научными коллективами МИИТ, ЦНИИС, ТашИИТ, РосдорНИЙ и др. по данной проблеме. Теоретической основой исследования являлись труды отечественных и зарубежных ученых в области теории вероятности, надежности, механики разрушения, прочности, выносливости и трещиностойкости бетона.

В диссертации подвергнуты вероятностно-статистическому анализу данные, полученные МИИТе, ТашИИТе в процессе натурных и лабораторных испытаний, материалы исследований многих ученых с области эксплуатации мостов, научно-исследовательские отчеты РосДорНии, кафедры «Мосты» МИИТа и др., проведен анализ достоверности нормативных расчетных условий надежности по методу предельных состояний, выраженных в детерминированной форме.

Решение поставленных в диссертации задач основывалось на вероятностных подходах в рамках физических и математических моделей деградации бетона, предложенных О. Я. Бергом и развитых в трудах Зайцева Ю. В. и Щербакова Е. Н. и др. ученых. Обработка результатов исследований, расчеты выполнялись по математическим моделям реализуемых на ПЭВМ.

Предметом защиты являются:

— математический модели прогноза накопления повреждений в бетоне железобетонных пролетных строений в вероятностной постановке вопроса;

— методика расчетного прогноза ресурса железобетонных пролетных строений на стадии проектирования;

— методика расчетного прогноза остаточного ресурса эксплуатируемых железобетонных пролетных строений на основе результатов технической диагностики, выполненных в различные моменты времени эксплуатации ti;

— применение ^"алгебры случайных величин" для оценки достоверности детерминистических зависимостей строительной механики и сопротивления материалов, а так же — нормируемых предельных состояний: условий прочности, выносливости, трещиностойкости.

Научную новизну работы составляют:

— обоснование меры износа, отражающего потерю ресурса во времени по признаку выносливости бетона сжатой зоны изгибаемой железобетонной мостовой конструкции;

— 9- математические модели прогнозирования накопления повреждений в бетоне пролетных строений;

— методика расчета ресурса пролетных строений в стадии проектирования и эксплуатации;

— расширение возможностей и реализация метода статистических испытаний (Монте-Карло) для получения вероятностных оценок надежности (достоверности) детерминированных значений ресурса пролетных строений железобетонных мостов.

Значение полученных результатов для практики состоит в разработке инженерного способа проектирования железобетонных пролетных строений с заданным сроком службы (по признаку выносливости бетона сжатой зоны изгибаемой мостовой конструкции) — в создании практического метода прогнозирования остаточного ресурса эксплуатируемых пролетных строений на основе результатов технической диагностикисоздании методики, позволяющей эксплуатационным службам планировать виды и сроки ремонтных работ, оценить расчетом уро-, вень безопасной эксплуатации конкретного пролетного строения.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены:

— на заседании кафедры «Мосты» (1997г.),.

— обсуждались на технических советах РосдорНИИ, Союздорпроек-та, Департамента автодорог РФ при рассмотрении отчетов МИИТа по результатам оценки сроков службы ж/б пролетных строений ряда мостов и путепроводов Москвы и Подмосковья (1995;1997). Основные, результаты, из-ложенные в диссертации, использованы при оценке сроков службы моста через р. Клязьма на 340 км. а.д. Москва-Н.Новгород, моста через р. Сетунь на 56 км. МКАД, опубликованы в 3 научных статьях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературысодержит 123 страницы машинописного текста, в т. ч. 19 иллюстраций, 7 таблиц, библиографический список из 86 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате обобщения экспериментально-теоретических исследований установлено, что отсутствие в настоящее время научно обоснованных способов проектирования конструкции с заданным сроком службы и определения остаточного срока безопасной эксплуатации для конкретной железобетонной конструкции часто приводит к замене пролетных строений преждевременно, либо с опозданием, когда конструкция находится уже в аварийном состоянии, что влечет за собой нерациональное использование средств, выделяемых на реконструкцию пролетных строений.

2. На основе анализа результатов исследований показано, что современные методы механики разрушения являются эффективной базой для разработки способа прогнозирования ресурса железобетонных пролетных строений по признаку выносливости бетона. Установлено, что основной параметр механики разрушения — критический коэффициент интенсивности напряжений К1с может служить характеристикой для оценки процесса развития трещинообразования в структуре бетона, его деградации. Разработана математическая модель для прогнозирования критического коэффициента интенсивности напряжений при многократно повторных нагружений.

3. Показаны широкие возможности метода статистических испытаний (Монте-Карло) для оценки достоверности и надежности расчета, основанного на методике Детерминистической строительной механики и сопротивления материалов. Выявлена недостаточная надежность некоторых нормативных расчетов при проектировании конст-рукции.

4. Предложена функция для меры накопления повреждений в бетоне при многократно повторных нагружениях. Мерой накопления повреждения является критический коэффициент интенсивности напряжений К1с, описывающий процесс разрушения микроструктуры бетона при многократно повторных нагружениях. В результате численного моделирования режима нагружения пролетных строений разработан способ учета несимметричности загружения при прогнозировании меры накопления повреждений. Это позволяет учитывать в расчетах ресурса реальные условия эксплуатации пролетных строений.

5. Разработан способ прогнозирования ресурса пролетных строений мостов, в котором учитываются условия эксплуатации и вероятностно-статистическую природу изменения свойств бетона во времени. Предлагаемый метод позволяет проектировать железобетонные пролетные строений с заданным сроком службы.

6. Предложен метод прогнозирования остаточного ресурса эксплуатируемых железобетонных пролетных строений мостов на железных и автомобильных дорогах. Исходными данными для прогноза служат история нагружения пролетного строения и результаты технической диагностики эксплуатируемого пролетного строения, а также режим эксплуатации моста в перспективе. По разработанным зависимостям и методам расчета возможно оценить вероятность и срок безотказной работы пролетного строения с момента технической диагностики и на этой базе планировать ремонтно-профилактические мероприятия для обеспечения безопасности и бесперебойности движения поездов.

— юз.