Основы теории надёжности автодорожных мостов и тоннелей

 
 
 
 
 
А. И. Васильев 
 
 
 
ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЁЖНОСТИ 
АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ  
И ТОННЕЛЕЙ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
Рекомендовано Отделением «Транспортного строительства»  
Российской академии транспорта для научных работников  
и инженеров отрасли, а также для преподавателей,  
аспирантов и студентов высших учебных заведений 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 624.21/.19 
ББК 39.112 
В19 
 
 
Рецензенты: 
академик Российской академии транспорта, начальник Научно-инженерного центра 
по освоению подземного пространства АО «Мосинжпроект» и научный руководитель центра 
ООО «НИЦ Тоннельной Ассоциации» Меркин Валерий Евсеевич; 
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой мостов и тоннелей Российского 
университета транспорта (МИИТ) Пискунов Алексей Александрович 
 
 
 
Васильев, А. И. 
В19  
Основы теории надёжности автодорожных мостов и тоннелей : учебное пособие / А. И. Васильев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. - 312 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1712-9 
 
Представлены положения, обосновывающие нормируемые параметры мостовых и 
тоннельных сооружений с позиции теории надёжности. Приводятся характеристики функциональных потребительских свойств мостовых сооружений. Проанализирована методика расчёта конструкций по предельным состояниям. Описана методика оценки влияния дегра- 
дационных процессов в конструкциях мостов на их грузоподъёмность и долговечность. Выполнен статистический анализ нагрузок от автотранспортных средств и определены параметры их вероятностного распределения. Представлена методология натурных исследований 
мостовых и тоннельных сооружений на основе системного подхода, включающих обследование, испытания, мониторинг и комплексный анализ результатов исследований. Рассматриваются возможные стратегии эксплуатации и ремонтов мостов с целью оптимизации их содержания в течение жизненного цикла. Даётся анализ дефектов и повреждений и их влияния 
на грузоподъёмность и долговечность, способы их ремонта, а также cпособы, средства и методы устранения погрешностей измерений. 
Для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности «Мосты и транспортные 
тоннели», а также научных работников и инженеров, специализирующихся в области мостостроения и тоннелестроения. 
 
УДК 624.21/.19 
ББК 39.112 
 
 
ISBN 978-5-9729-1712-9 
” Васильев А. И., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
2 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Дорогие коллеги 
В этой книге предпринята попытка показать вероятностную природу 
нормируемых параметров автодорожных мостов и тоннелей, таких как нагрузки и их сочетания, прочности конструкционных материалов, и обосновать их с 
позиций теории надёжности. 
Мне было важно не слишком затеоретизировать проблемы нормирования, 
что убило бы интерес к ним со стороны инженеров-проектировщиков, но и не 
ограничиваться пересказыванием давно известных истин. 
Иначе говоря, надо было пройти между Сциллой наукообразия и Харибдой тривиальности. Как это автору удалось, вам судить. 
Но прежде, чем приступить к изложению материала книги, 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 благодарность профессору Льву Вениаминовичу Маковскому и аспиранту Артёму Олеговичу Боеву за помощь в привлечении материалов по 
тоннельным конструкциям. 
Моя особая признательность кандидатам технических наук Александру 
Саввичу Бейвелю и Михаилу Львовичу Хазанову за активную помощь в комплектовании восьмой и девятой глав и в подготовке всей рукописи книги к изданию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЁЖНОСТИ 
АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ И ТОННЕЛЕЙ 
 
Отказаться от риска – значит 
  отказаться от творчества. 
А. С. Макаренко 
 
ВВЕДЕНИЕ  
 
Слова, составляющие название этого курса, обозначают категории, относящиеся не только к математике и технике, но имеющие также глубокий социальный, гуманитарный смысл.  
Человек, едва ощутив себя социальным субъектом, то есть, научившись 
говорить и обобщать, понял необходимость надёжных средств борьбы за выживание в этом не очень обустроенном мире, и прежде всего, возможности перемещаться с места на место, преодолевая всевозможные препятствия. И уже на 
заре цивилизации он научился наводить мосты и прорывать тоннели. Поэтому 
понятия надёжность и мосты сопровождают человечество на протяжении 
всей его истории.  
Мосты и тоннели, на мой взгляд, являются наиболее сложными инженерными сооружениями, как по характеру работы (под подвижными нагрузками), так и по способам возведения. Если здания «растут» вверх, опираясь на 
предыдущие этажи, то тоннели как бы ползут, прорывая себе путь в земле,  
а мосты должны «перепрыгнуть» через препятствие, что, конечно, очень непросто. Мост, по выражению одной романтической женщины, это «дорога в воздухе».  
Мосты и тоннели на самом деле очень похожи на нас, людей, их создающих. Каждое из этих сооружений имеет свой особенный характер, так, и мы далеко не одинаковые. Век их практически такой же, как и наш. А прорубающие 
горы тоннели живут ещё дольше. И опять напрашивается ассоциация - среди 
людей долгожители чаще встречаются именно в горных районах  
И они, и мы устаём с годами. И болезни их сродни нашим: у нас просту- 
ды - у них протечки, у нас сутулость, искривление позвоночника - у них провисы, у нас разные хронические недуги - у них коррозия, и так далее. 
Но главное свойство мостов и тоннелей, их основное предназначение -  
соединять. Не могу не привести слова замечательного югославского писателя, 
лауреата Нобелевской премии Иво Андрича (1892-1975) из его эссе «Мосты», 
написанного в 1933 году:  
4 
 

«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…» [1]. 
И как бы вторит этим словам ещё одна прекрасная мысль: «People are  
lonely because they build walls instead of bridges» (Люди одиноки, потому что 
они строят стены, а не мосты). 
Сегодня в нашей стране многие пытаются сформулировать национальную идею. Между тем, есть одна, главная, общая идея всей нашей цивилизации - БЫТЬ ВМЕСТЕ. Мосты и тоннели наиболее ярко выражают её смысл. 
Надёжность также весьма ёмкое и значимое понятие. Если вас окружают надёжные друзья, если предметы, которыми вы пользуетесь, не рассыпаются в руках, если вы встретили настоящую любовь, значит, с уверенностью можно сказать, что вы счастливый человек. Надёжность в жизни - непременное 
условие счастья.  
Возникло много интересных, ярких образов надёжности. Чего стоит, 
например, ставшее крылатым выражение «я бы пошёл с ним в разведку», или 
«друг мой - третье моё плечо». И с другой стороны - «безнадёжное дело», «ни 
единого шанса» и тому подобное.  
Последнее, кстати, относится уже к количественной оценке надёжности, 
которая придаёт этому понятию вероятностный смысл, что очень важно для характеристики работоспособности промышленной и строительной продукции. 
Надёжность этой продукции может выражаться в разных формах, например,  
в гарантийных сроках службы, предельном числе рабочих циклов, пробеге автомобиля, вероятности отказов и так далее. 
Таким образом, надёжность превратилась в научную категорию, возникла 
научная дисциплина - теория надёжности, которая проникла в мостостроение  
и тоннелестроение в виде автономной отрасли строительной науки с названием 
«Надёжность мостов и тоннелей». 
5 
 

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР  
РАЗВИТИЯ МОСТОСТРОЕНИЯ 
 
Всегда чти следы прошлого. 
Стаций «Фиваида» 
 
1.1. Основные этапы мостостроения 
Всю историю строительства мостов и науки мостостроения я бы разделил 
на несколько этапов.  
Первый этап, с древнейших времён и примерно до ХIII века, назовём 
условно эмпирическим. В этот период строительство мостов развивалось исключительно на базе накапливаемого опыта. 
Второй этап охватывает средние века, то есть период с ХIII века (Возрождение) до второй половины ХVIII века и характеризуется оживлением экономической деятельности, в том числе промышленности, торговли, строительства. Как бы, в ответ на это, формируются фундаментальные для строительства 
науки - строительная механика и сопротивление материалов. 
Третий временной отрезок, назовём его «железным веком» (конец ХVIII ве- 
ка - ХIХ век) включает период строительства чугунных мостов (примерно  
до 40-х годов ХIХ века) и затем, собственно, железных мостов. 
Начало этого периода совпадает с освоением доменного процесса, что 
обусловило применение в строительстве мостов из чугуна. Это позволило увеличить пролёты мостов, но потребовало новых теоретических и экспериментальных исследований в области строительных наук. 
Использование в качестве строительного материала железа стало возможным в результате освоения новых железоделательных технологий. С приходом в строительство железа были обоснованы, рассчитаны и реализованы новые конструктивные схемы мостов, в том числе, и больших пролётов. Появляется новый вид транспорта - железнодорожный, который очень быстро становится доминирующим. Мостостроение оказывается, как никогда, востребованным. Мостовая профессия уже требует специального образования, а инженерымостовики пользуются особым уважением. Может быть, оттуда, из ХIХ века 
пришло гордое и, даже, несколько надменное выражение «голубая кровь -  
мостовики». 
Четвёртый этап (на стыке ХIХ и ХХ веков) связан с открытием железобетона. Открытие этого материала произвело революцию в строительстве, в том 
6 
 

числе, и в мостостроении. Железобетон серьёзно потеснил металл в мостах с 
относительно небольшими пролётами, но потребовал новых методов расчёта  
и нового подхода к испытаниям материалов. 
В прошлом столетии начался новый пятый этап в развитии нашей цивилизации - научно-техническая революция. Этот этап (примерно до 90-х годов) 
характеризуется ускоренным развитием промышленности в Европе, включая 
Россию (СССР), США, Японию и столь же быстрым развитием как железнодорожного, так и автомобильного транспорта в этих странах. 
Одним, отнюдь не гуманным стимулом индустриализации стали две мировые войны, страшным способом обнажившие всё несовершенство эпохи, но 
одновременно потребовавшие мобилизации интеллектуального и технического 
потенциала для создания мощной индустриальной базы, военной промышленности, нового смертоносного вооружения, в том числе, авиации, танков, ракет  
и так далее (перечислять не хочется). 
В мостостроении этот период связан с новыми подходами к нормированию нагрузок, в том числе автомобильных, внедрением методики расчёта по 
предельным состояниям, появлением новых конструктивно-технологических 
решений. 
Следующий шестой этап, начало которого пришлось на конец прошлого 
века, смело можно назвать «Мосты в постиндустриальную эпоху». Он ознаменован победным шествием Великой компьютерной революции, которая объединила мир интернетом и позволила решать самые сложные технические проблемы с помощью мощной электронной измерительной, вычислительной  
и управленческой техники. 
В мостостроении это нашло выражение в использовании в проектных 
расчётах метода конечных элементов (МКЭ), инструментальном мониторинге 
состояния мостовых конструкций при строительстве и эксплуатации мостов, 
новых строительных материалов и архитектурных форм.  
В новом тысячелетии высокими темпами происходит внедрение информационных, так называемых, BIM-технологий (Building Information Model) на 
всех стадиях жизненного цикла сооружений.  
Рассмотрим указанные выше этапы несколько подробнее. 
1.2. Первый этап – эмпирический период 
Самые первые мосты 
Наши далёкие предки «подсмотрели» у природы созданные ею переходы 
через препятствия в виде стволов деревьев, сваленных ветром или подмытых 
водой и перекрывших ручей, переплетённых ветвей деревьев, растущих на
7 
 

разных склонах оврага, каменных набросках через горные речки, и тому подобное. 
Наблюдая природу, учась у неё и подражая ей, люди получали начальные 
навыки в строительном деле, как, впрочем, и в любом другом труде. 
Так, естественно образовавшиеся своды в скалах подвигли на возведение 
арочных мостов, а также порталов храмов и других зданий. Появились также 
бревенчатые мосты, каменные мосты, висячие мосты с использованием в качестве канатов лиан или других волокнистых трав (рис. 1.1). 
 
 
Рис. 1.1. Древний висячий мост из лиан через горную реку 
 (из книги Кёте Райнера «Мосты» [2]) 
 
Развитие цивилизации, образование государств вызвало к жизни новые 
тенденции, хорошие и, к сожалению, не очень хорошие. С одной стороны, желание лучше познать себя и мир, установление торговых связей, а с другой - 
стремление расширять свои владения, отнимать, порабощать, породило такое 
варварское явление, как война. 
Торговля и войны требовали перемещения тяжёлых грузов и многочисленных войск на значительные расстояния. При этом, естественно, возникала 
необходимость пересечения широких рек и проливов большими мостами. 
Одним из первых таких мостов был, по-видимому, наплавной мост через 
пролив Босфор, возведённый греческим строителем Мандроклом в 512 г. до н. э. 
(дата приблизительная) для войска персидского царя Дария, идущего похо- 
дом на родину строителя. Его длина составила около 1300 м, и для его уст- 
ройства были заякорены специально изготовленные лодки, поставленные  
вдоль течения вплотную одна к другой. На лодках был уложен деревянный 
настил (рис. 1.2). 
8 
 

 
Рис. 1.2. Примерный вид наплавного моста Мандрокла 
 
По мосту, положенному на заякоренные лодки, составленные борт к борту, войско персидского царя Дария пересекло Босфор [2]. 
Мосты Древнего Рима 
Подражание природе в строительстве вылилось в заимствование у неё некоторых пропорций, например, таких, как соотношение между размерами частей человеческого тела или сбег стволов деревьев от комля к вершине. 
Это, в частности, отмечается в энциклопедическом труде «Десять книг  
об архитектуре» [3], который оставил нам древнеримский архитектор Витрувий (80-15 г. до н. э.), современник Юлия Цезаря.  
Уже тогда строительство предваряло довольно точное планирование, 
включавшее обмеры местности, технологию устройства фундаментов, а также 
размеры, форму и количество клинчатых камней, необходимых для возведения 
арочного моста. 
В книге также описываются существовавшая тогда единая система мер и 
на удивление качественные измерительные приборы и грузоподъёмное оборудование.  
Замечательными образцами, памятниками той эпохи являются мост Фабрицио в Риме, возведённый в 62 г. до н. э. (рис. 1.3), и трёхъярусный акведук 
Пон-дю-Гар для снабжения водой римского города Немаус (современный Ним) 
на юге Франции, построенный в 19 г. до н. э. (рис. 1.4). 
 
9 
 

 
Рис. 1.3. Мост Фабриция (Pons Fabricius), Рим, Италия.  
Медиафайлы на Викискладе 
 
 
Рис. 1.4. Трёхъярусный акведук вблизи города Ним (Франция), фото автора 
 
Не стояло на месте и деревянное мостостроение. Блестящим примером 
явился военный деревянный мост через реку Рейн длиной 400 м, построенный 
римлянами по приказу Гая Юлия Цезаря (100-44 гг. до н. э.) в 55 году до н. э. 
всего за 10 дней. 
Надо сказать, что Риму везло на талантливых правителей, хотя и на деспотов тоже. Вообще, в период расцвета Римской республики, а затем империи, 
просуществовавшей до 476 года, мостостроение получило мощный импульс. 
По удачному выражению немецкого писателя и журналиста Кёте Райнера (родился в 1948 году) Рим был «империей дорог» [2]. Управление огромными территориями и многочисленным населением требовало развитой транспортной 
сети. Было построено порядка 300 тысяч км дорог и много мостов разной длины, причём некоторые сохранились и находятся в эксплуатационном состоянии 
до наших дней. 
Образно и точно сказал об этом замечательный английский поэт Редьярд 
Киплинг (1865-1936) в поэме «Рассказ реки»: 
10