книги из ГПНТБ / Морозов, В. А. Регулярные методы решения некорректно поставленных задач-1

ставов, сход поездов с рельс, аварии с автомобилями. Такие явления могут стать непосредственными причинами человеческих жертв.

В тех случаях, когда район разрушений охватывает крупные населенные пункты, повреждение дорожной сети приводит к допол­ нительным тяжелым последствиям. Сразу же после разрушитель­ ного землетрясения в пострадавшем районе возникает ряд острых проблем, связанных с ликвидацией пожаров, опасением жителей поврежденных домов, обеспечением населения временным жильем, продовольствием, медицинской помощью. В таких случаях необхо­ димо выполнить транспортные операции большого объема. Для примера отметим, что при землетрясении 1966 г. в Ташкент, поте­ рявший 84 000 квартир [111], в первые же дни было переброшено большое число палаток, походных кухонь и другого оборудования.

Выход из строя путей сообщения затрудняет переброску в по­ страдавший район противопожарных п аварийно-спасательных ко­ манд, доставку восстановительных средств, медикаментов, продо­ вольствия. Это усугубляет бедствия пострадавшего района и восстановление путей сообщения становится одной из первоочеред­ ных задач. В отчете о фукуйском землетрясении 1948 г. указывается, что наиболее катастрофичным оказалось повреждение мостов и железнодорожных насыпей в связи с невозможностью доставки остродефицитных материалов для восстановительных работ [208]. Во время южно-калифорнийского землетрясения 1952 г. к восста­ новлению поврежденной железнодорожной трассы приступили уже через несколько часов после землетрясения [163].

Из сказанного следует, что обеспечение бесперебойной и интен­ сивной работы дорожной сети непосредственно после разрушитель­ ного землетрясения является одним из важных условий смягчения и скорейшей ликвидации последствий катастрофы. Поэтому в об­ щем комплексе защитных строительных мероприятий, осуществля­ емых в сейсмических районах, обеспечение сейсмостойкости дорож­ ной сети играет очень важную роль.

Особого внимания требуют дорожные искусственные сооруже­ ния. Ликвидация сейсмических повреждений земляного полотна, верхнего строения пути или покрытия производится сравнительно простыми техническими средствами и восстановление (хотя бы вре­ менное) этих элементов дорог обычно не требует большого време­ ни. Повреждения таких искусственных сооружений, как мосты и тоннели, приводят к наиболее тяжелым последствиям в смысле длительности перерыва движения, а их восстановление связано с проведением сложных и трудоемких работ. Поэтому в нормах сей­ смостойкого строительства большинства стран для мостов и других инженерных сооружений предусмотрены повышенные гарантии

сейсмостойкости [181].

Обеспечение сейсмостойкости сооружений достигается надлежа­ щим их проектированием с учетом сейсмического воздействия. Условия сейсмостойкости следует учитывать на всех этапах проек­ тирования от выбора места сооружений и назначения их общей схемы до разработки конструктивных деталей.

20

Основные указания по проектированию сейсмостойких сооруже­ ний даны в нормах ‘сейсмостойкого 'строительства [132]. Однако формальное соблюдение требований норм недостаточно для обеспе­ чения должного качества проектов. Нужно иметь в виду, что сейс­ мическое воздействие и процесс сейсмического (динамического) разрушения сооружений носят очень сложный характер, затрудня­ ющий выбор целесообразных технических решений. Расчеты на сейсмические воздействия, основанные на менее привычных для инженера методах динамики сооружений, также достаточно слож­ ны. По этим причинам обоснованное проектирование сейсмостойких сооружений возможно лишь при тщательном изучении и сознатель­ ном применении данных анализа последствий землетрясений, спе­ циальных исследований и опыта проектирования, обобщенных теорией сейсмостойкости.

Ряд особенностей конструкции мостов (наличие большепролет­ ных элементов, способных совершать горизонтальные и простран­ ственные колебания; значительная протяженность в плане; разли­ чие динамических свойств пролетных строений и опор; существен­ ная роль бокового сейсмического давления грунта на устои) ■обусловливает своеобразие их поведения при землетрясениях. Специфичны в отношении сейсмостойкости также и конструкции тоннелей и труб.

Указанные особенности не позволяют непосредственно распро­ странить на дорожные сооружения общие рекомендации теории сейсмостойкости, сформулированные в основном для гражданских и промышленных зданий. Необходимость специальных исследова­ ний и разработки специфических приемов проектирования и расче­ та дает основание рассматривать вопросы сейсмостойкости дорож­ ных сооружений как самостоятельную проблему теории сейсмостой­ кости. Практическое народнохозяйственное значение этой проблемы было пояснено выше.

Отметим, что она представляет интерес и в теоретическом пла­ не: исследование особенностей поведения дорожных сооружений расширяет проблематику теории сейсмостойкости и способствует развитию новых ее аспектов и методов.

Исследования по сейсмостойкости дорожных сооружений как и по теории сейсмостойкости в целом имеют недавнюю историю [46]. Этапы развития исследований тесно связаны с разрушительными землетрясениями, которые доставляли новые данные о сейсмиче­ ском эффекте и оживляли интерес к вопросам сейсмостойкости.

Первые исследования по сейсмостойкости дорожных сооруже­ ний относятся к началу XX в. В результате анализа последствий разрушительного землетрясения 1891 г. японскими учеными Кикучи и Омори были разработаны некоторые рекомендации по проек­ тированию мостов.

В частности, была предложена конструкция опоры равного сопротивления с вогнутым параболическим очертанием наружных. граней. К этому времени относятся и первые натурные определения динамических параметров мостовых опор.

21

Важная роль в более поздних исследованиях по сейсмостойко­ сти дорожных сооружений принадлежит Японии. Вследствие высо­ кой сейсмичности территории и густоты дорожной сети эта пробле­ ма в Японии чрезвычайно актуальна. Японскими специалистами Мононобэ и Нава были тщательно обследованы повреждения до­ рожных сооружений при разрушительном землетрясении 1923 г.

[201].

Материалы этих обследований долгое время служили основой для практических рекомендаций [17, 159]. Много ценных данных доставило также обследование пострадавших дорожных сооруже­ ний при последующих разрушительных землетрясениях на террито­ рии Японии [179, 208].

Теоретические исследования сейсмических колебаний мостов в Японии интенсивно развиваются с 50-х годов. В ряде работ рас­ смотрены динамические характеристики и сейсмические колебания висячих мостов и их пилонов, сейсмическое давление воды на опо­ ры, методы динамического расчета высоких опор, фундаментов на свайном основании и на кессонах [195, 196, 197, 198, 199]. Обзор не­ которых из этих исследований дан в работах [19, 65]. В японском сейсмостойком строительстве применяются оригинальные схемы мостов, конструкции опорных частей [179, 180]. Подробно они опи­ саны в гл. V.

Натурные обследования сейсмических повреждений дорожных сооружений проводили также в США, Новой Зеландии, Индии, Ка­ наде [59]. В США проведены натурные динамические испытания мостовых сооружений [171]. Начиная с 30-х годов в связи со строи­ тельством ряда больших мостов исследования по сейсмостойкости опор и пролетных строений выполнены в США, Мексике, Новой Зеландии.

В Советском Союзе интенсивная теоретическая и практическая разработка вопросов сейсмостойкого строительства началась в 20-х годах. В связи с большим объемом дорожного строительства обеспечению сейсмостойкости дорожных сооружений у нас с нача­ ла уделялось должное внимание. Показательно в этом смысле стро­ ительство Туркестано-Сибирской железнодорожной магистрали (1927— 1930 гг.), где впервые в истории железнодорожного строи­ тельства были осуществлены систематизированные 'антисейсмиче­ ские мероприятия в отношении дорожных сооружений [98]. Иссле­ дования по сейсмостойкости земляного полотна и дорожных соору­ жений проводил В. О. Цшохер' [158]. Вопросы повреждения дорожных сооружений при землетрясениях и сейсмостойкого дорож­ ного строительства широко освещены в работах Н. Н. Ботвинкина, В. А. Тельфера, В. А. Киселева, В. О. Цшохера и В. А. Быховского

[16,23,68,159].

В Закавказской школе антисейсмиков, возглавляемой К. С. Завриевым, исследования сейсмостойкости мостовых сводов, под­ порных стен, каменных мостов были выполнены А. Г. Назаро­ вым, Г. М. Ломизе, Г. Д. Цискрели. Они обобщены в работе К. С. Завриева [43].

22

Впослевоенный период исследования по сейсмостойкости до­ рожных сооружений в основном велись в Тбилисском институте инженеров железнодорожного транспорта (ТБИИЖТ). С 1958 г. они продолжены в Грузинском политехническом институте имени В. И. Ленина. В 1956 г. в ТБИИЖТе был составлен раздел «Дорож­ ные сооружения» утвержденного в 1957 г. нормативного документа по сейсмостойкому строительству [99]. В его развитие был разрабо­ тан проект Инструкции по расчету искусственных сооружений в сейсмических районах [109] *.

В1958 г. по решению МПС СССР при ТБИИЖТе была органи­ зована специальная экспериментальная база [61], которая с 1959 г.

реорганизована в лабораторию сейсмостойкости искусственных со­ оружений при кафедре мостов и железобетонных конструкций Гру­ зинского политехнического института имени В. И. Ленина. В пери­ од 1958— 1971 гг. в этой лаборатории выполнен ряд теоретических и экспериментальных (модельных и натурных) исследований по сейсмостойкости мостов, в результате которых разработана методи­ ка расчета дорожных сооружений на сейсмические воздействия к составлены рекомендации для нормативных документов [132, 86, 131].

Эти исследования и их результаты освещены в последующих главах.

Исследования по сейсмостойкости дорожных сооружений ведут­ ся и в других научных организациях. В Центральном научно-иссле­ довательском институте транспортного строительства (ЦНИИСе) исследуются вопросы сейсмостойкости тоннелей и земляного полот­ на, разрабатываются нормативные документы [20, 41]. Ряд работ в этой области выполнен в Институте строительной механики и сей­ смостойкости Академии наук Грузинской ССР, Фрунзенском поли­ техническом институту Институте сейсмостойкого строительства Госстроя Туркменской ССР, Институте механики и сейсмостойкого строительства АН Узбекской ССР.

В результате вышеуказанных исследований за последние годы достигнуты определенные успехи как в теории сейсмостойкости до­ рожных сооружений, так и в практике их проектирования. В част­ ности, обоснован и разработан применительно к мостам динамиче­ ский метод расчета на сейсмостойкость по спектральным кривым. С 1962 г. этот прогрессивный метод расчета, принятый в СССР для гражданских и промышленных зданий, введен в нормы и для до­ рожных сооружений.

Однако, ввиду большого разнообразия дорожных сооружений, ряд вопросов теории их сейсмических колебаний и практики проек­ тирования не изучен в полной мере и уровень исследований в этой области все еще отстает от общего уровня развития сейсмостой­ кого строительства.

* В связи с введением в СНиП динамического метода расчета на сейсмостой­ кость эта инструкция, основанная на статической теории, в дальнейшем не была утверждена.

23

§ 1.5. СТЕПЕНЬ ПОВРЕЖДЕНИЯ ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

Для теории сейсмостойкости обследование последствий разру­ шительных землетрясений служит одним из основных источников информации о сейсмическом эффекте. Инженерный анализ этих последствий позволяет установить типичные повреждения сооруже­ ний, оценить их относительную сейсмостойкость, выявить слабые узлы несущих конструкций, наметить конструктивные антисейсми­ ческие мероприятия и уточнить теоретические расчетные представ­ ления [59].

При обследовании последствий землетрясений большое внима­ ние уделяется дорожным сооружениям; помимо многочисленных отчетов по отдельным землетрясениям, данные об их повреждениях в систематизированном виде представлены в работах [23, 158, 177,. 187]. Обобщение материалов о сейсмических повреждениях дорож­ ных сооружений дано в работе автора [59]. Ниже эти материалы, дополненные новыми данными, представлены в сокращенном виде.

Повреждения дорог и дорожных сооружений наблюдаются при силе землетрясения в 7 баллов и более1. Общее представление об ущербе, испытываемом дорожным хозяйством при разрушитель­ ных землетрясениях, могут дать следующие сведения: при японском землетрясении 1923 г. (9— 11 баллов по различным районам) сум­ марная протяженность участков железных дорог с поврежденным земляным полотном составила 20% общей их протяженности. В Токио землетрясение в 9 баллов и возникший вслед за ним пожар повредили 27% площади покрытия улиц [201]. При чилийском земле­ трясении 1960 г. (8— 10 баллов) пострадало около 20% протяжен­ ности всех железнодорожных линий [178]. На Аляске в результате землетрясения 1964 г. (10— 11 баллов) из 860 км железнодорожной линии было повреждено около 300 км, т. е. 35% полной протяжен­ ности; в денежном выражении убыток составил 35 млн. долл. [173]. При землетрясении 1968 г. в Токачиоки (Япония) на перегоне же­ лезнодорожной линии с насыпями общей протяженностью 30 км было обнаружено 86 мест с поврежденными и разрушенными насы­

данными. При семибалльных землетрясениях наблюдаются лишь единичные случаи повреждений. В основном это разрушение подпор­ ных стен (преимущественно сухой кладки), оголовков труб, расст­ ройство сопряжений мостов с подходами. Однако могут испыты­ вать некоторые повреждения и конструкции мостов. Например, при семибалльном землетрясении 1966 г. в Паркфилде (Калифорния) отмечены трещины в бетонных столбах опор и деформации попереч­ ных связей металлических стоечных опор балочных мостов эстакад-

1 Здесь и в дальнейшем сила землетрясения везде оценивается по шкале ГОСТ 6249—52 (см. § 1.1).

24

*По протяженности 6%.

*”' % дан по протяженности.

иого типа [209]. При восьмибалльных землетрясениях повреждения хотя и редки, но охватывают все виды сооружений (мосты, тоннели, трубы, подпорные стены). При силе землетрясения 9 и 10 баллов повреждения носят массовый характер и приводят к тяжелым по­ следствиям, вплоть до полного разрушения сооружений. Некоторые количественные данные, иллюстрирующие описанную картину, при­ ведены в табл. 1.4.

Данные о сейсмических повреждениях дорожных сооружений подтверждают отмеченную в гл. I зависимость локального проявле­ ния силы землетрясения от местных инженерно-геологических усло-

25

также тоннели) повреждаются в гораздо большей степени, чем в условиях плотных грунтов. Для примера отметим, что при земле­ трясении 1964 г. на Аляске на железной дороге Портейдж — Впттьер из 58 больших мостов, основанных на рыхлых грунтах, 51 мост был полностью или частично разрушен [190]. Это значительно пре­ вышает средний процент разрушения мостов при данном землетря­ сении. Неблагоприятное влияние слабых грунтов особо подчерки­ вается также в работах [177, 187].

Имеются некоторые статистические данные, характеризующие зависимость повреждения мостов от их материала. В табл. 1.5 приводятся данные, достаточно обоснованные по количеству иссле­ дованных сооружений. Как видно из нее, среди капитальных мостов менее всего страдают стальные, а затем железобетонные мосты; наиболее сильно повреждаются каменные мосты. Такая картина распределения повреждений по материалу подтверждается пове­ дением сооружений других видов, в частности, гражданских и промышленных зданий [159, 140]. Вместе с тем весьма высокая сте­ пень повреждения деревянных мостов, указанная в табл. 1.5, неха­ рактерна для деревянных конструкций, обладающих при надлежа­ щем осуществлении высокой сейсмостойкостью [140]; это объясня­ ется такими конструктивными недостатками обследованных мостов, как тяжелая проезжая часть (с грунтовым покрытием), плохое крепление прогонов пролетных строений к насадкам опор и др. [201].

Анализ сейсмических повреждений показывает, что поведение дорожных сооружений и процесс их разрушения при землетрясени­ ях носят четко выраженный динамический характер. На ряде при­ меров можно подтвердить влияние частотного состава колебаний

26

Банья-Лука (Югославия, 7—8 баллов) искривление в горизонталь­ ной плоскости испытало стальное трехпролетное неразрезиое про­

со сплошной стенкой); деформация была вызвана остаточным по­ перечным смещением верхних точек промежуточных опор соответ­ ственно на 2 и 2,5 см [206].

Сдвиг пролетных строений по отношению к верху опор (вдоль или поперек моста) является одним из наиболее распространен­ ных повреждений балочных разрезных мостов. Такая деформация вызывается действием горизонтальных сил инерции от веса пролет­ ного строения и ее развитие облегчается направленными вверх вер­ тикальными силами инерции. Сдвиг сопровождается заклинивани­ ем или разрушением опорных частей и их креплений, повреждением оголовков опор; при сильных сотрясениях он может достигать су­ щественной величины вплоть до падения пролетных строений с опор одним или обоими концами. При высоком расположении цент­ ра тяжести пролетного строения причиной его падения с опор мо­ жет быть и опрокидывание поперек моста.

Повреждения опорных частей разнообразны. Часто наблюдают­ ся заклинивание катков подвижных опорных частей вследствие зна­ чительного смещения пролетных строений, разрушение неподвижных опорных частей, вырывание или срез крепящих их анкерных болтов. На рис. 1.4 показано заклинивание подвижной опорной части моста Банкоку (Япония, 1923 г.). Аналогичное повреждение испытала опорная часть упомянутого выше моста через р. Врбас (Банья-Лука). Разрушение неподвижной опорной части стального пролетного строения со сквозными фермами железнодорожного моста в районе Ланкиху показано на рис. 1.5 (Чили, 1960 г., сила землетрясения до 10 баллов) [168]. Как видим, верхний балансир значительно сдви-

28