Основы надёжности мостов. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.Х.-М. Аннабердиев

ОСНОВЫ НАДЁЖНОСТИ МОСТОВ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону ДГТУ

2019

1

УДК 625.745.11/12-027.45 А68

Рецензент

доктор технических наук, профессор В.В. Зырянов (Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону)

Аннабердиев, Александр Хаджи-Муратович.

А 68 Основы надёжности мостов [Электронный ресурс] : учебное пособие / А.Х.-М. Аннабердиев ; Донской гос. техн. ун-т. – Электрон. текстовые дан. – Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2019. – 58 с. – URL: https://ntb.donstu.ru/content/20197. – ЭБС ДГТУ. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7890-1608-4

Cодержатся основные определения и термины теории надежности, принципиальные схемы последовательного и параллельного соединения элементов в технических системах, а также методы анализа надежности таких систем.

Раскрывается вероятностная природа нагрузок, прочности строительных материалов, расчетных коэффициентов, обеспечивающих оптимальную надежность сооружений. Рассмотрена специфическая для эксплуатируемых транспортных сооружений задача оценки остаточного ресурса долговечности конструкций с учетом их физического износа и накопления усталостных повреждений.

Предназначено для подготовки бакалавров, изучающих дисциплину «Основы надежности мостов».

УДК 625.745.11/12-027.45

Издается по решению редакционно-издательского совета Донского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время сформулированы важные задачи, осуществление ко-

торых возлагается на коллективы ученых, проектировщиков и производствен-

ников, работающих в сфере строительной индустрии: значительно повысить эффективность капитальных вложений, расширить практику полносборного строительства, увеличить степень заводской готовности элементов строитель-

ных конструкций и повысить их качество, развивать научные методы управле-

ния производством.

Современное состояние строительной индустрии в нашей стране позво-

ляет успешно решить эти задачи.

Появление новых строительных материалов и конструкций, совершен-

ствование методов расчета и производства строительно-монтажных работ со-

здали условия для существенного улучшения технико-экономической эффек-

тивности массового индустриального строительства.

Развитие сборных конструкций зданий и сооружений и соответственное членение технологических процессов производства на заводские и построеч-

ные, кооперирование предприятий строительной индустрии и монтаж непо-

средственно с транспортных средств определяют необходимость ритмичного потока при гарантированном качестве строительных объектов.

В новых производственных условиях требуемое качество строительства нельзя получить только за счет квалификации и добросовестности исполните-

лей. Необходимо разработать четкую научно обоснованную систему управле-

ния качеством, начиная с проекта и кончая сдачей объекта в эксплуатацию.

По-новому необходимо организовать и техническую эксплуатацию зданий и сооружений, обеспечивающую поддержание заданного уровня на весь срок их службы.

Под качеством, как известно, понимают совокупность потребительских свойств элементов или конструкций, определяющих степень их соответствия требованиям эксплуатации.

3

Доминирующим признаком качества несущих и ограждающих кон-

струкций зданий и сооружений является надежность–количественный стати-

стический показатель, объединяющий комплекс физико-механических и гео-

метрических характеристик объекта.

Допустим, что здание или сооружение отвечает функциональным и эсте-

тическим требованиям, отличается высокими технико-экономическими пока-

зателями. Однако, если не будет обеспечена гарантия, что в заданный срок его службы не произойдет аварии, т. е. если не будет обеспечена надежность в процессе эксплуатации, то все прочие положительные характеристики каче-

ства потеряют свое значение.

Надежность нельзя рассматривать в отрыве от других характеристик ка-

чества продукции. Она представляет собой лишь одно из главных свойств ка-

чества, позволяющее оценить его во времени.

Надежность – категория не только техническая, но и экономическая, ибо увеличение срока службы зданий и сооружений при прочих равных условиях эквивалентно экономическому эффекту, который можно получить в результате новых капиталовложений в строительство.

'Надежность по праву считается «проблемой номер один» современной науки и техники. Существенное значение она имеет и в строительстве благо-

даря его обширным масштабам и длительным срокам эксплуатации объектов.

Стройной теории надежности строительных конструкций пока еще не существует. Однако советские и иностранные ученые выполнили исследова-

ния, создавшие предпосылки для научного решения этой проблемы.

4

1.ПОНЯТИЕ НАДЁЖНОСТИ

1.1.Определения

Врусском языке слово «надежность» имеет несколько близких одно другому, но все же различных значений.

Вбытовом смысле «надежность» применительно к какому-либо челове-

ку означает уверенность в его определенных качествах – верности другу,

дружбе, исполнительности, способности выполнить порученное дело и т.п.

Концентрированным качественным определением надежности человека явля-

ется расхожая цитата: «Я пошел бы с ним в разведку».

Однако для оценки возможности каких-либо событий, ситуаций, поступ-

ков категорической оценки типа «да», «нет» часто бывает недостаточно.

Поэтому возникают и устойчиво присутствуют в нашем обиходе интуи-

тивно количественные оценки: «скорее – да, чем – нет», «большая степень уверенности», «фифти-фифти» и т.п.

С развитием техники появилась потребность оценивать те или иные ме-

ханизмы, конструкции, технологические процессы с позиций их устойчивости в работе и безотказности. В ответ на это появилось математическое понятие надежности, в котором надежность выступает как вероятность безотказного функционирования технического объекта. Отсюда точное научное определе-

ние:

Надежность объекта – свойство этого объекта выполнять свои функ-

ции в заданном режиме в течение заданного срока с заданной вероятностью.

Например, для мостов – пропускать эксплуатационные нагрузки в пре-

делах проектных значений А-11 и НК-80 в течение 70–90 лет.

Количественной оценкой надежности является вероятность «Р» выпол-

нения объектом его функций.

Понятие надежности неразрывно связано с понятием долговечности.

Долговечность – свойство сохранять работоспособность в течение определенного времени Т.

5

Разница между надежностью и долговечностью заключается в том, что в

первом случае определяется вероятность Р, а время Т выступает как параметр,

аво втором – наоборот, определяется время Т при заданной вероятности Р.

Кпонятиям надежности и долговечности, естественно, примыкает поня-

тие отказа.

Отказ – случайное событие, заключающееся в нарушении работоспо-

собности объекта. Вероятность отказа определяется величиной q = 1-P.

Существует много классификаций видов отказов. Наиболее интересная и важная для строительных конструкций классификация выделяет две категории отказов:

–внезапный;

–постепенный.

Внезапный – это отказ, характеризующийся скачкообразным изменени-

ем значений одного или нескольких параметров объекта. Например, хрупкое разрушение моста через р. Клязьму зимой 1980 г. вследствие резкого похоло-

дания является внезапным отказом.

В повседневной жизни внезапные отказы встречаются, к сожалению,

намного чаще (например, двойка на экзамене вследствие обнаружения препо-

давателем шпаргалки).

Постепенный – отказ, возникающий в результате постепенного измене-

ния значений одного или нескольких параметров объекта.

Примером может служить нарастание провисов пролетных строений до опасных с точки зрения безопасности движения пределов.

Постепенный отказ может в конечном счете привести к внезапному от-

казу, например, к разрушению конструкции в результате накопления уста-

лостных повреждений.

Для изучения надежности и долговечности технических систем, измене-

ния этих величин во времени, определения степени влияния на надежность и долговечность объектов различных случайных факторов возник и получил развитие специальный раздел теории вероятностей – теория надежности.

6

1.2. Надежность систем

Все технические объекты представляют собой сложные системы, состо-

ящие из многих элементов.

Примерами могут служить: сборная обделка тоннеля, собранная из тю-

бингов, многопролетный мост, здание и т.п.

Различают системы с последовательным соединением элементов, парал-

лельным и смешанным.

Система с последовательным соединением элементов – это такая систе-

ма, когда отказы разных элементов независимы друг от друга, а отказ хотя бы одного элемента приводит к отказу всей системы.

Надежность такой системы определяется как вероятность безотказной работы всех ее элементов. Если мы имеем систему S, состоящую из n независимых элементов, и надежность i-го элемента – Рi, то по теории вероятностей надежность всей системы определяется по формуле:

Рs = Р1Р2,…,Рn. (1.1)

Системой с параллельным соединением элементов называется система,

элементы которой дублируют друг друга, и отказ одного из них не влечет от-

каз всей системы.

1.3.Основные задачи теории надежности применительно

ктранспортным сооружениям

Основные отличия конструкций транспортных сооружений от промыш-

ленных и гражданских состоят в следующем:

– подвижной характер полезной нагрузки, ее случайный характер и воз-

растание с течением времени в результате утяжеления автотранспортных средств;

–многоэлементность и большое разнообразие конструктивных схем.

Всвязи с этим возникает ряд задач, связанных с понятием надежности транспортных сооружений:

7

1) исследование вероятностной природы запасов прочности конструк-

ций;

2)применение вероятностных и полувероятностных методов расчета строительных конструкций (методика расчета по предельным состояниям);

3)исследование вероятностных характеристик подвижной нагрузки, со-

четаний различных временных нагрузок и обоснование коэффициентов надежности к ним при расчетах по предельным состояниям;

4) исследование прочностных характеристик конструкционных материа-

лов и обоснование коэффициентов надежности к ним;

5)оптимизация нормативов сроков службы и величины нагрузки;

6)оценка остаточного ресурса долговечности.

8

2. ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОСНОВА ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ

КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Предельное неравенство

Проектирование и строительство конструкций должны обеспечивать их надежную эксплуатацию в течение определенного им срока службы. Это озна-

чает, что с достаточно большой вероятностью строительные объекты будут

функционировать без повреждений, препятствующих их эксплуатации.

При проектировании условие надежности конструкции определяется так

где S – усилия или напряжения, возникающие в конструктивном элементе (се-

чении);

F – несущая способность элемента;

R – прочность материала;

A – геометрическая характеристика сечения элемента.

Транспортные сооружения, и особенно мосты, – сложнейшие конструк-

тивные системы, состоящие из большого числа самых разных элементов, ис-

пытывающих самые различные воздействия, т.е.

где индекс i обозначает принадлежность указанных выше параметров i-му элементу.

Эта формула в самом общем виде представляет собой существо расчета

в каждом из которых сопоставляются нагрузки и воздействия, с одной сторо-

ны, и несущая способность элементов моста – с другой.

9

И условие общей надежности сооружения – выполнение вышеприведен-

ного неравенства для каждого элемента.

А достигается эта надежность на всех этапах жизни моста: при составле-

нии норм, проектировании, строительстве и эксплуатации. Действительно:

– нормы определяют «правила дуэли» (величины нагрузки и сопротив-

лений);

–проектом устанавливаются размеры конструкции;

–при строительстве проектные размеры и сопротивления реализуются;

–при эксплуатации надо поддерживать преимущество правой части не-

равенств (2.2), (2.3) над левой в течение всего периода существования элемента.

В реальности в каждом неравенстве обе его части имеют случайный, ве-

роятностный характер. Это относится и к нагрузкам, и к сопротивлениям, и к геометрическим параметрам, а значит, и вышеприведенные неравенства вы-

полняются с некоторой вероятностью.

Таким образом, надежность моста можно трактовать как вероятность выполнения неравенства (2.2), частные надежности – как обеспеченности в

частных неравенствах (2.3).

Отношение F/S≥ 1 называется коэффициентом запаса.

Поскольку в нормах и проектных расчетах величины S, R, F фигурируют как детерминированные, вероятностная природа предельного равенства сосре-

дотачивается в коэффициенте запаса.

Первые попытки исследовать статистическую природу и оценить надеж-

ность норм были предприняты в 20-х годах прошлого столетия (М. Майер,

Н.Ф. Хоциалов). Наиболее успешно и наглядно такую оценку вывел Н.С. Стрелецкий.

2.2. Гарантия неразрушимости по А. С. Стрелецкому

Представим графически плотности распределения воздействий S и не-

сущей способности F (рис.2.1).

10