Грузоподъёмность и долговечность мостовых сооружений

А. И. Васильев







                ГРУЗОПОДЪЁМНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ





УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ










Москва Вологда Инфра-Инженерия 2021

УДК 624.21
ББК 39.112
     В191




Рецензенты:
ПискуновАлексейАлександрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой мостов и тоннелей
Российского университета транспорта (МИИТ);
Агеев ВладимирДмитриевич, канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой мостов, тоннелей и строительных конструкций Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)




     Васильев, А. И.
В191 Грузоподъёмность и долговечность мостовых сооружений : учебное пособие / А. И. Васильев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 200 с. : ил.
           ISBN 978-5-9729-0642-0

           Представлена методология оценки грузоподъёмности и долговечности автодорожных и городских мостов на основе системного подхода и положений теории надёжности. Приводятся характеристики функциональных потребительских свойств мостовых сооружений. Подробно описаны методы оценки проектного и фактического значений грузоподъёмности. Изложен состав натурных исследований, дан анализ дефектов и повреждений, а также их влияния на грузоподъёмность и долговечность. Рассматриваются возможные стратегии эксплуатации и ремонта мостов с целью оптимизации их содержания в течение жизненного цикла.
           Для научных работников и инженеров, специализирующихся в области мостостроения, а также аспирантов и студентов, обучающихся по специальности «Мосты и транспортные тоннели».

УДК 624.21
ББК 39.112







ISBN 978-5-9729-0642-0        © Васильев А. И., 2021
                              © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................9
ВВЕДЕНИЕ...................................................10
ГЛАВА 1. ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА МОСТОВ...................13
  1.1. Классификация потребительских свойств...............13
  1.2. Критерии обеспеченности потребительских свойств.....15
    1.2.1. Износ...........................................15
    1.2.2. Три критерия обеспеченности потребительских свойств мостов.................................................16
  1.3. Грузоподъёмность....................................17
  1.4. Долговечность.......................................23
  1.5. Живучесть...........................................26
  Резюме по главе 1........................................30
ГЛАВА 2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОСТОВ......................31
  2.1. Система натурных исследований.......................31
    2.1.1. Понятие и основные принципы системного подхода..31
    2.1.2. Матрица натурных исследований...................33
  2.2. Обследование мостовых конструкций...................37
    2.2.1. Виды обследований...............................37
    2.2.2. Сбор и анализ имеющейся предварительной информации о сооружении, обмеры...................................41
    2.2.3. Визуальное освидетельствование конструкций......43
    2.2.4. Инструментальные исследования...................46
      2.2.4.1. Измерения, определяющие конфигурацию сооружения и подмостового пространства..........................46
      2.2.4.2. Измерения размеров дефектов и повреждений...48
      2.2.4.3. Исследование свойств и состояния материалов.48
      2.2.4.4. Исследование НДС мостовых конструкций.......49
  2.3. Испытания моделей...................................51
  2.4. Испытания мостов....................................52
    2.4.1. Статические испытания...........................53

3

      2.4.1.1. Испытательная нагрузка......................54
      2.4.1.2. Места измерений напряжений и деформаций.....58
      2.4.1.З. Оценка результатов испытаний................61
    2.4.2. Динамические испытания..........................63
      2.4.2.1. Динамический коэффициент....................64
      2.4.2.2. Колебания пролётных строений................65
    2.4.3. Особенности испытаний эксплуатируемых мостов....67
  2.5. Мониторинг технического состояния...................68
    2.5.1. Общие положения.................................68
    2.5.2. Строительный мониторинг.........................70
    2.5.3. Мониторинг эксплуатируемых мостов...............73
    2.5.4. Непрерывный удалённый мониторинг. Компьютерные измерительные системы..................................74
  2.6. Анализ результатов натурных исследований. Паспорт моста.76
  Резюме по главе 2........................................80
ГЛАВА 3. ДЕФЕКТЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГРУЗОПОДЪЁМНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МОСТОВ.....................................81
  3.1. Классификация дефектов и повреждений................81
  3.2. Дефекты и повреждения железобетонных конструкций........85
    3.2.1. Дефекты изготовления............................85
    3.2.2. Повреждения бетона..............................88
    3.2.3. Трещины в бетоне................................90
      3.2.3.1. Трещины в балочных конструкциях с ненапряжённой арматурой............................................92
      3.2.3.2. Трещины в железобетонных опорах.............98
    3.2.4. Механические повреждения железобетонных конструкций...........................................100
  3.3. Характерные дефекты и повреждения стальных пролётных строений................................................101
  3.4. Характерные дефекты и повреждения сталежелезобетонных пролётных строений......................................106
  3.5. Повреждения, связанные с угоном конструкций мостов.107
  Резюме по главе 3.......................................108
ГЛАВА 4. ВЕРОЯТНОСТНАЯ ПРИРОДА НАГРУЗОК И ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ....................................110

4

  4.1. Запас прочности. Методики расчёта.....................110
  4.2. Методика расчёта по предельным состояниям. Основная идея.........................................113
  4.3. Первое и второе предельные состояния.............114
  4.4. Расчётные коэффициенты к нагрузкам...............117
  4.5. Коэффициенты надёжности к нагрузкам..............119
  4.6. Коэффициенты сочетания нагрузок..................121
  4.7. Прочностные характеристики и коэффициенты надёжности конструкционных материалов............................122
  4.8. Влияние величины коэффициента вариации прочности бетона на расход цемента..............................124
  4.9. Вероятностные оценки надёжности мостов...........125
    4.9.1. Оценка Н. С. Стрелецкого.....................125
    4.9.2. Оценка А. Р. Ржаницына.......................126
  Резюме по главе 4.....................................128
ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРУЗОПОДЪЁМНОСТИ ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ................................................129
  5.1. Предельный изгибающий момент в поперечных сечениях балок......................................................129
  5.2. Перерасчёт грузоподъёмности мостовых конструкций, запроектированных по методу допускаемых напряжений, при переходе на расчёты по предельным состояниям......132
  5.3. Появление и развитие пространственных методов расчёта.133
  5.4. Расчёты по методу конечных элементов.............134
  Резюме по главе 5.....................................135
ГЛАВА 6. МЕТОДИКА ВЕРОЯТНОСТНОЙ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ СНИЖЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЁМНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ ВСЛЕДСТВИЕ ФИЗИЧЕСКОГО
ИЗНОСА..................................................136
  6.1. Общие соображения................................136
  6.2. Анализ нормативно-методических документов по оценке остаточного ресурса долговечности мостов..............138
  6.3. Критерии физического износа мостовых конструкций. Предельные состояния по грузоподъёмности...................140
  6.4. Анализ воздействий на мостовые элементы нагрузок от тяжёлых автотранспортных средств........................142

5

  6.4.1. Анализируемые параметры.........................142
  6.4.2. Статистический анализ параметров грузового автомобильного движения................................142
  6.4.3. Моделирование случайной автомобильной колонны...145
  6.4.4. Загружение случайными автомобильными колоннами поверхностей влияния усилий в элементах мостовых пролётных строений и построение распределения
  вероятностей этих усилий...................................146
  6.4.5. Критерий предельного состояния и срока первого ремонта........................................149
6.5. Коррозионный износ мостовых конструкций.............150
  6.5.1. Влияние степени коррозионного износа на грузоподъёмность мостовых пролётных строений........150
  6.5.2. Исследование коррозионных процессов металлоконструкций и арматуры..........................152
    6.5.2.1. Формализация процесса коррозии..............152
    6.5.2.2. Модель процесса коррозии....................153
    6.5.2.3. Диффузионная стадия (до начала коррозии)....154
    6.5.2.4. Влияние на скорость коррозии влажности, условий местности и агрессивности внешней среды..............155
    6.5.2.5. Экспериментальная оценка скорости коррозии
    металла в процессе обследования мостовых конструкций.....157
    6.5.2.6. Особенности оценки предельного износа и ресурса долговечности железобетонных изгибаемых элементов........158
  6.5.3. Исходные данные для оценки снижения
  грузоподъёмности мостовых конструкций в результате коррозионного износа...................................159
6.6. Усталостный износ металлоконструкций и арматуры.........159
  6.6.1. Природа и процесс усталости стали. Кривая усталости.160
  6.6.2. Основные положения методики оценки снижения долговечности мостовых конструкций в результате
  усталостного износа....................................162
  6.6.3. Алгоритм определения степени усталостного износа и оценки остаточного срока службы мостовых несущих конструкций............................................164
6.7. Ослабление натяжения высокопрочной арматуры в железобетонных мостовых пролётных строениях коробчатого сечения с поперечными стыками................165

6

    6.7.1. Конструктивно-технологические особенности составных по длине железобетонных пролётных строений....165
    6.7.2. Нормативные требования к составным по длине железобетонным пролётным строениям......................167
    6.7.3. Не очень приятная история составных по длине железобетонных пролётных строений....................168
    6.7.4. Содержание специфических работ по обследованию составных пролётных строений.........................169
      6.7.4.1. Визуальное обследование стыков............170
      6.7.4.2. Определение коррозионного состояния рабочей напрягаемой арматуры...............................170
      6.7.4.3. Определение остаточного усилия предварительного напряжения в рабочей напрягаемой арматуре..........171
      6.7.4.4. Определение фактических суммарных напряжений в бетоне от постоянных нагрузок....................172
      6.7.4.5. Специальные экспериментальные исследования стыков................................................173
    6.7.5. Оценка остаточного ресурса долговечности по критерию несущей способности стыков на сдвиг.....................175
    6.7.6. Рекомендации по обеспечению безопасной работы стыков на сдвиг......................................175
  Резюме по главе 6......................................176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................178
ПРИЛОЖЕНИЕ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОСТОЯНИЯ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ..............179
  П1. Исследования свойств и состояния бетона мостовых конструкций............................................179
    П1.1. Измерения прочности бетона в конструкции.......179
    П1.2. Измерения толщины защитного слоя бетона........182
    П1.3. Определение глубины карбонизации защитного слоя бетона...............................................183
    П1.4. Определение степени диффузии хлорид-ионов в бетон.184
    П1.5.Определение водонепроницаемости бетона в конструкциях.......................................185
    П1.6. Определение влажности бетона...................185
    П1.7. Определение марки морозостойкости бетона.......186
    П1.8. Определение ширины раскрытия и глубины трещин в бетоне.............................................186

7

  П2. Оценка коррозионного состояния арматуры...........187
    П2.1. Измерения электрического потенциала арматуры..187
    П2.2. Методы измерения силы натяжения напряжённой арматуры............................................188
    П2.3. Исследование свойств металлических мостовых конструкций.........................................190
    П2.4. Исследование начального напряжённого состояния по методу частичной разгрузки.......................190
НОРМАТИВНЫЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ....................192
ЛИТЕРАТУРА..............................................194

8

    ПРЕДИСЛОВИЕ



     Дорогие коллеги-мостовики!
     Мостовые сооружения служат в высшей степени благородной цели - объединению экономик, культур, людей.
     Эту мысль, по-моему, гениально выразил замечательный югославский писатель, Нобелевский лауреат Иво Андрич (1892-1975). Он был настоящим певцом мостов. Он одушевил их в своих произведениях.
     Я осмелюсь привести выдержки из его эссе «Мосты», написанного в 1933 году. Это довольно длинная цитата, но сократить её у меня не поднимается рука:
     «Из всего, что воздвигает и строит человек, повинуясь жизненному инстинкту, на мой взгляд, нет ничего лучше и ценнее мостов. Они важнее, чем дома, священнее, чем храмы, - ибо они общие. Они принадлежат всем и каждому, одинаково относятся ко всем, полезные, воздвигнутые всегда осмысленно, там, где в них возникает наибольшая нужда, они более долговечны, чем прочие сооружения, и не служат ничему тайному и злому».
     Такое уважительное отношение к мостам я попытаюсь сохранить на всём протяжении этой книги и по возможности передать его вам, дорогие читатели.
     Но прежде всего, я хочу выразить глубокую благодарность моим коллегам с кафедры мостов, тоннелей и строительных конструкций МАДИ, а также из института «НИИ МИГС» за дружеское участие и помощь в составлении пособия.
     Моя персональная благодарность Михаилу Львовичу Хазанову, Борису Исааковичу Кришману, Александру Алексеевичу Лебедеву, Александру Саввичу Бейвелю, Алексею Александровичу Курыпову.


9

    ВВЕДЕНИЕ




Какой мост построишь, по такому и перейдёшь.
Даргинская пословица

     В пособии освещаются вопросы оценки наиболее значимых свойств мостовых сооружений (ограничимся в дальнейшем термином «мосты»), а именно их грузоподъёмности и долговечности.
     Содержащиеся здесь нормативные и методические материалы, соображения и подходы основаны на большом практическом опыте автора, разработках многих уважаемых учёных - специалистов по транспортным сооружениям, на анализе достижений и ошибок мирового и, естественно, отечественного мостового строительства и эксплуатации.
     Автор искренне надеется, что настоящая книга окажется полезной научным работникам, инженерам, преподавателям вузов, работающим в мостовой отрасли, а также аспирантам и студентам в процессе освоения ими учебных дисциплин, связанных с изучением технического состояния транспортных сооружений.
     Методологической основой исследований по освещаемым в книге вопросам является системный подход и учёт вероятностной природы факторов, определяющих работу мостовых конструкций.
     В книге затрагиваются и дискуссионные вопросы. По мнению автора, так и должно быть, поскольку наука, и прежде всего прикладная наука, не может не быть дискуссионной. По отдельным темам автор будет показывать различные точки зрения, в том числе те, с которыми он лично не согласен, и те, по которым некоторые или даже многие не согласны с ним.
     Сомнения и критика со стороны читателей всячески приветствуются. Ведь в большинстве случаев уверенность в своей правоте достигается путём многочисленных проб, ошибок и сомнений. Эту мысль весьма афористично выразил Бертольд Брехт. В пьесе «Жизнь Галилея» главный герой говорит: «Наука распространяет знания, добытые с помощью сомнений. Добывая знания обо всем и для всех, она стремится всех сделать сомневающимися».
     Ваш покорный слуга также убеждён, что двигателем прогресса является не пресловутая лень, а сомнения.


10