Основы надёжности мостов. Учебное пособие

Таким образом, можно определить грузоподъемность как случайную функцию времени эксплуатации и оценить ее в любой момент с любой степе-

нью обеспеченности ( квантилем).

7.1.3. Критерии долговечности

Критерии долговечности связывают критические уровни грузо-

подъемности, требования по их обеспеченности и меры по ограничению дви-

жения транспорта. Единого мнения по их формированию пока нет.

Введем для примера три таких критерия.

Первый критерий – снижение грузоподъемности в 3 раза Это означает, что запасы по отношению к нагрузке от грузового движе-

ния полностью исчерпаны. Грузовые автомобили нельзя пропускать даже с контролируемой массой и без динамики, а класс сооружения понижается втрое. Практически это означает высокую степень риска разрушения в любой момент. Такие мосты следует относить к категории аварийных, для которых требуется закрытие движения и срочный ремонт.

Этому событию соответствует характеристика безопасности β = 3,8, ко-

торая указывает, на какое число стандартов от среднего значения должно от-

стоять минимальное значение грузоподъемности. При этом обеспеченность указанной минимальной величины грузоподъемности составляет 0,9999.

Второй критерий – снижение грузоподъемности в два раза.

Это означает серьезное ограничение движения по массе авто-

транспортных средств (для трехосных автомобилей – не более 15 т) и необхо-

димость срочного ремонта.

Соответствующая характеристика безопасности р = 3,1, т.е. обеспечен-

ность зафиксированной грузоподъемности равна 0,999.

Третий критерий – снижение грузоподъемности в 1,5 раза, что влечет определенные ограничения по массе (для трехосных автомобилей – не более

22 т), но не требует немедленных ремонтных мер.

Этому случаю соответствует р = 2,35 и обеспеченность равна 0,99.

41

Определение соответствующих остаточных сроков службы по приве-

денным критериям показано на рис. 7.1.

Относительный

уровень

грузоподъёмности

Проект

0,83

0,67

0,5

Рис.7.1. Ресурсы физического срока службы по различным критериям: tобсл – срок эксплуатации на момент обследования

7.2.Оценка выносливости конструкций

Внормах проектирования мостовых сооружений, вероятно, наименее обоснованным и логичным являются правила расчета элементов конструкций автодорожных мостов на выносливость.

Во-первых, сама форма расчета является отступлением от подхода к рас-

четам по предельным состояниям. Действительно, в нормах расчет на вынос-

где σmax – абсолютное наибольшее нормальное напряжение, вызванное воздей-

ствием нормативных нагрузок;

RT – расчетное сопротивление стали по пределу текучести;

Yвын – коэффициент, учитывающий снижение прочности при расчете на выносливость.

42

Таким образом, условия загружения (многократность, сниженный сред-

ний уровень по сравнению с воздействиями от нормативной нагрузки) учиты-

ваются в правой части предельного неравенства, т.е. в характеристиках мате-

риала, а не в левой, как это предусмотрено методикой предельных состояний.

Во-вторых, и это главное, в нормах фактически не отражена ста-

тистическая природа воздействия на мост.

Более правильной представляется методика, которая состоит в оценке степени усталости материала конструкции на основе теории накопления уста-

лостных повреждений, определения срока службы до разрушения элемента по этой причине и сопоставления этого срока с его нормативным значением. От-

метим, что нормативы сроков службы мостовых конструкций разработаны и включены в проект новой редакции нормативного документа по проектирова-

нию.

Ниже излагаются основные моменты одной из версий такой методики.

Расчет мостовых конструкций на выносливость заключается в оценке их долговечности по признаку усталости.

Усталость, в свою очередь, оценивается мерой усталостного поврежде-

ния D (0< D< 1), которая определяется на основе теории накопления усталост-

ных повреждений.

Эта теория в ее линейной интерпретации выражается законом Палгрена-

Минера следующим образом.

Воздействия временных нагрузок на мостовые конструкции имеют, как известно, циклический характер. При этом в сечениях элемента могут возни-

кать различные напряжения σmax и σmin от суммарного воздействия постоянной и временной нагрузки в зависимости от наличия или положения на мосту вре-

менной нагрузки.

Если напряжение σmax выше, чем так называемый предел выносливости

σвын, то в этом случае происходит некоторое усталостное микроповреждение нагружаемого элемента.

43

Каждому уровню напряжений σi и коэффициенту асимметрии

ρ = σmin/σmax соответствует предельное число циклов Ni(σi,ρ), после которого наступает усталостное разрушение, т.е. величина меры D достигает единицы.

Зависимость N (σ, ρ ) называется кривой усталости. Формализованный вид этой кривой в логарифмическом масштабе показан на рис. 7.2.

σ

R

σi

σвын

Ni Nвын lnN

Рис.7.2. Формализованное представление кривой усталости

(R–предел прочности при однократном нагружении)

Минимальный уровень напряжений, который вызывает усталостное по-

вреждение, называется пределом выносливости σвын.

Математическое выражение функции, изображенной на рис. 7.2 на от-

резке [0,lnNвын], имеет вид

σ(N) = (σвын+(R–σвын))(lnNвын-lnN)/lnNвын , (7.6)

где R – предел прочности при однократном нагружения (примерно в 1,3 раза выше нормативного временного сопротивления стали Ru);

Nвын – число циклов, соответствующее пределу выносливости σвын;

N – число циклов, соответствующее напряжению σ.

Зависимость между пределом выносливости σ–1, коэффициентом асим-

метрии ρ и пределом прочности можно представить так называемой формулой Джонсона – Гудмана

44

Втечение некоторого промежутка времени, например, одного года, происходит определенное число т загружений данного элемента автомобильной нагрузкой, зависящее от интенсивности движения тяжеловесного транспорта и длины загружения.

Взависимости от структуры автомобильного движения на данном участке дороги эти т загружений распределяются по уровням вызываемых ими напряжений σi. Таким образом, приращение меры усталостного повреждения D за год определим по формуле:

причем (∑ki−1 ni = m ).

Поскольку накопление усталостных повреждений происходит во времени, то и меру повреждений можно представить как функцию времени, т.е. D(t).

где И – суточная интенсивность движения тяжеловесных транспортных средств;

β – коэффициент перехода от интенсивности движения к числу загружений, зависящий от длины загружения.

Поскольку фактическая временная нагрузка на мост от тяжеловесных транспортных средств зависит от многих факторов (схема осей, загрузка автомобилей, расстояние между ними в колонне и т.п.), можно условно принять распределение вероятностей усилий SBp от временной нагрузки по нормальному закону. Соответственно распределится и общее число загружений m по уровням напряжений. Каждое значение а, будет иметь место в разных, случаях.

В свою очередь, напряжение а определяется от суммарного воздействия

где А – геометрический фактор сечения элемента (площадь, момент сопротивления).

45

Зная тенденции развития данного участка дороги, интенсивности и структуры движения, мы можем построить распределения напряжений σi для двух базовых лет (например, 2000 и 2100 годы) и, пользуясь интерполяцией, строить функцию D(t).

Следует отметить, что приведенные выше соображения действительны как для оценки проектной долговечности по выносливости, так и для оценки ресурса долговечности эксплуатируемых сооружений.

46

8. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙ И ПОВРЕЖДЕНИЙ

Как известно, расчеты строительных конструкций производятся с учетом изменчивости характеристик прочности материалов, величин постоянных и временных нагрузок, а также условий работы конструкции, характеризующих-

ся изменчивостью внешней среды.

Казалось бы, что введение в расчеты дифференцированного коэффици-

ента запаса (коэффициенты однородности, перегрузки и условий работы), учи-

тывающего весь комплекс факторов, от которых зависит прочность конструк-

ции, должно гарантировать безопасность ее работы в заданных эксплуатаци-

онных условиях.

Тем не менее, как показывает практика возведения и эксплуатации зда-

ний и сооружений с древнейших времен и до наших дней, периодически воз-

никают повреждения, а иногда и аварии элементов или конструкций, вызван-

ные различными случайными причинами, которые не могут быть учтены рас-

четами прочности и устойчивости.

По результатам изучения аварий и повреждений различных строитель-

ных конструкций, приведенным в трудах российских и иностранных авторов,

может быть предложена примерная классификация причин их возникновения.

Погрешности проектирования

Дефектность инженерно-геологических изысканий на участке строи-

тельства. Включение в проект новых инженерных решений без достаточной экспериментальной проверки их надежности. Несоответствие расчетной моде-

ли действительным условиям работы элементов и конструкций. Несовершен-

ство конструктивных решений. Невыполнение требований ремонтопри-

годности конструкции. Грубые ошибки в расчетах прочности и устойчивости.

Грубые ошибки в чертежах.

Погрешности производства

Недопустимые отступления от проектных решений. Низкое качество ис-

ходных материалов. Несовершенство технологических процессов производ-

47

ства. Низкая квалификация инженерно-технического персонала и рабочих.

Нарушение строительных норм и правил (СНиП) и специальных технических условий (ТУ) на производство строительных и монтажных работ. Превышение монтажных нагрузок. Недостаточное обеспечение устойчивости элементов и пространственной жесткости конструкций в процессе монтажа. Невыполнение требований производства работ при строительстве в зимнее время, на проса-

дочных грунтах, в районах вечной мерзлоты и подверженных сейсмическим воздействиям. Неправильное проектирование организации работ или произ-

водство работ без проекта организации строительства. Плохая организация или отсутствие производственного контроля качества, авторского и техниче-

ского надзора за строительством.

Погрешности эксплуатации

Ввод в эксплуатацию объектов с существенными недоделками. Значи-

тельное превышение эксплуатационных нагрузок по сравнению с расчетными.

Несвоевременное проведение профилактических ремонтов и защитных меро-

приятий. Коррозия, гниение и старение материала элементов строительных конструкций и узлов их сопряжений.

Особые причины Стихийные бедствия: землетрясения, наводнения, ливни и штормы, си-

ла которых превышает нагрузки, предусмотренные нормативными документа-

ми. Аварии технологического оборудования, сопровождающиеся сильными динамическими воздействиями на строительные конструкции взрывных волн,

ударов, вибрации. Военные действия.

Аварии, или внезапные отказы возникают неожиданно, в короткий про-

межуток времени, как следствие перехода элементов или конструкций в пре-

дельное состояние, исключающее возможность их дальнейшей эксплуатации.

Повреждения, или постепенные отказы нарастают непрерывно в ре-

зультате износа материала в течение длительного промежутка времени и также могут привести к переходу элемента или конструкции в предельное состояние.

48

Иногда имеет место совместное действие внезапных и постепенных от-

казов. Так, например, конструкция, находящаяся длительное время в эксплуа-

тации, ослабленная вследствие старения или износа материала, может под-

вергнуться неожиданному воздействию увеличенных против проекта техноло-

гических, ветровых, снеговых или каких-либо других нагрузок.

Возникновение отказа, обусловленное потерей прочности или жесткости конструкции, сопровождается наступлением одного из недопустимых пре-

дельных состояний. Внезапные отказы характеризуются хрупким разрушени-

ем материала, возникновением недопустимых для данной конструкции упру-

гих или остаточных деформаций.

49

9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ

Проектирование несущих и ограждающих конструкций зданий и соору-

жений с учетом их надежности является непременным условием решения про-

блемы управления качеством строительства.

Принятая в большинстве случаев методика расчета прочности и устой-

чивости элементов и конструкций без количественной оценки их надежности не позволяет решить поставленную задачу. Действительная надежность объек-

тов существенно зависит от множества случайных факторов, не всегда учиты-

ваемых расчетом в полной мере, и поэтому не может быть с достаточной точ-

ностью оценена заранее. Она выявляется лишь в процессе возведения или экс-

плуатации строительных объектов и должна фиксироваться такой, какой она в данном случае получилась.

Такая система не свободна от досадных неожиданностей. Примером мо-

гут служить некоторые жилые дома, в которых стыковые сопряжения оказа-

лись значительно менее долговечными, чем основные несущие и ограждаю-

щие конструкции. Возникла необходимость усиления стыков в сложных усло-

виях, что связано с существенными материальными затратами на ремонт зда-

ний, а иногда и с перерывами в их эксплуатации. Эти затраты могли бы быть минимальными, если бы проект был составлен с учетом требований ремонто-

пригодности, и их могло совсем не быть, если бы конструктивные элементы и стыковые сопряжения были запроектированы с примерно равной степенью долговечности.

Очевидно, что существующие методы проектирования должны быть усовершенствованы активным участием инженеров-проектировщиков в обес-

печении надежности элементов и конструкций путем установления расчетных характеристик теоретической надежности на основе учета статистических па-

раметров качества, соответствующих выбранной производственной базе.

При таких методах проектирования и производства могут быть созданы условия, позволяющие управлять качеством строительства с учетом техниче-

50