Совершенствование проектирования деформационных швов автодорожных мостов с учетом особенностей эксплуатации

Актуальность темы

.

На протяжении последних десятилетий деформационные швы (ДШ) автодорожных мостов оставались, и остаются по сей день, одними из наименее надежных конструктивных элементов мостовых сооружений. Неисправности ДТП могут приводить к существенным повреждениям конструкций моста: пролетных строений, опор, опорных частей, подферменников, опор, мостового полотна — словом, всех основных элементов мостового сооружения. Кроме того, от состояния ДТП непосредственно зависит степень безопасности движения по мосту, как транспорта, так и пешеходов.

За рубежом уже достаточно давно ДТП проектируются на основании тщательно проработанных и научно обоснованных методов расчета, а изготавливаются с жесткими допусками из качественных и долговечных материалов, отвечающих высоким требованиям по прочности и выносливости. По сложности конструкции, характеру работы и специфике изготовления зарубежные ДШ мостовых сооружений относятся больше к механизмам, нежели к строительным конструкциям.

В России до последнего времени бытовал подход к ДТП как к вспомогательным конструкциям, проектированием и изготовлением ДШ зачастую приходилось заниматься самим мостостроительным организациям, применяя для расчета ДШ общие подходы к расчету элементов мостов. Не было выпущено ни одного нормативного документа, определяющего порядок проектирования (расчета) и изготовления ДШ. Все перечисленное привело к тому, что на российских мостах ДШ редко служат более 20 лет, а в среднем — выходят из строя в течение 6−8 летпостоянные протечки сквозь ДШ на протяжении всего срока эксплуатации приводят к снижению срока службы моста.

В последние годы в России намечается тенденция к выработке качественно иного подхода к проектированию и эксплуатации мостовых сооружений, связанного с повышением внимания к таким элементам моста, как ДШ, опорные части и т. д. и к переоценке их роли в составе мостовых сооружений. Возникла необходимость отчетливого понимания специфики работы ДШ в мостовом сооружении, выработки требований к этим устройствам, создания руководств по проектированию и изготовлению ДШ. Однако пробел в этой области оказался настолько значительным, что единственным выходом на период его восполнения стало применение для отечественных мостов зарубежных конструкций ДШ. Это породило новую проблему. Российский инженер-мостовик буквально потерялся среди многообразия хлынувших с зарубежных рынков конструкций, не в силах даже выбрать, в отсутствие объективной информации, конструкцию ДШ для применения. Нередки случаи, когда на отечественных мостах применяются ДТП, эксплуатация которых запрещена в ряде зарубежных стран национальными нормами. И дело даже не в том, что зарубежные ДШ не всегда оказываются действительно качественными констг> рукциями, а в том, что даже качественные ДШ часто применяются не по назначению — в недопустимых для данной конструкции условиях эксплуатации.

Парк ДШ на отечественных мостах изношен и морально устарел, что влечет за собой необходимость замены этих конструкций новыми, более совершенными и эффективными. Вместе с тем, в нашей стране только зарождаются традиции обоснованного проектирования и назначения для применения конструкций ДШ, в связи с чем возникает проблема анализа применимости современных ДШ в различных условиях, разработки методов их проектирования и расчета с учетом реальных условий эксплуатации. Эти обстоятельства и определяют актуальность диссертационной работы.

Цель диссертационной работы: выполнить систематизацию и анализ информации о достоинствах, недостатках, областях применения ДШ различной конструкции с целью отбора наиболее надежных и рациональных конструктивных решений ДШразработать методику обоснованного выбора конструкции ДШ для заданных условий эксплуатации, разработать методику расчета ДТП, которые в ближайшем будущем будут наиболее востребованными для применения в отечественных мостовых сооружениях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— систематизация и анализ информации о существующих конструкциях ДТП, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах;

— разработка и обоснование новой классификации ДТП, в основу которой положены более актуальные принципы деления ДТП на типы и дальнейшей внутренней группировки на подтипы;

— разработка методики выбора ДТП для применения в зависимости от различных факторов, влияющих на выбор ДШ, с учетом их возможного изменения на этапе эксплуатации ДТП;

— выявление сценариев разрушения, обоснование деформационной модели щебеночно-мастичного (ЩМ) материала заполнения штрабы щебеночно-мастичного деформационного шва (ЩМДШ), выбор расчетной схемы ЩМД11Т и формулировка основных расчетных случаев, характерных для этого ДТП;

— разработка методики компьютерного расчета ЩМДШ, учитывающей поведение ЩМ материала при разных температурах и схемах нагружения;

— разработка и реализация на современном языке программирования расчетной программы, использующей методику расчета ЩМДШ;

— исследование с помощью разработанной компьютерной программы работы ЩМДШ и разработка по итогам исследования способов модификации конструктивного решения ЩМДШ для улучшения его работы и снижения стоимости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— проведены систематизация и анализ информации о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах на основе накопленного опыта эксплуатации;

— собраны и систематизированы по определенным приоритетам требования к конструкциям ДТП, к порядку их проектирования и эксплуатации;

— сформулирована, обоснована и предложена к использованию классификация ДШ, корректно разделяющая конструкции ДТП на типы;

— на основе анализа накопленного опыта выявлены типы и отдельные марки ДШ, наиболее совершенные с точки зрения потребительских свойств, а также выявлены наиболее востребованные для отечественного мостостроения типы ДШ;

— разработана методика выбора ДШ для применения в зависимости от различных факторов, влияющих на выбор ДШ, с учетом их возможного изменения на стадии эксплуатации;

— разработана расчетная модель и методика расчета ЩМДШ;

— разработана компьютерная программа, реализующая разработанную методику расчета ЩМДШ;

— с помощью разработанной программы исследовано поведение ЩМДШ в различных условиях;

— на основе анализа результатов компьютерного моделирования сформулирован ряд технических решений, позволяющих улучшить работу ЩМДШ.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— проведенный анализ конструктивных решений и опыта эксплуатации ДШ выявил наиболее перспективные конструкции ДШ, а также конструкции с неустранимыми недостатками, что позволит проектировщикам сконцентрировать свое внимание на совершенствовании удачных решений и избежать использования заведомо ненадежных;

— предложенная классификация /ЦП позволит инженеру четче представлять область применения и особенности конструкции ДТП по названию ее типа и подтипа, а также устраняет неточности и путаницу в классификации, используемой в настоящее время;

— разработана методика подбора ДТП, позволяющая обоснованно выбирать ДШ для применения в мостовом сооружении, что позволит значительно снизить процент применения ДШ не по назначению;

— разработана методика расчета ЩМДШ, учитывающая особенности поведения ЩМ материала заполнения ДШ;

— разработана программа расчета ЩМДШ, реализованная на современном языке программирования, что позволяет использовать эту программу в повседневной инженерной практике;

— с помощью указанной программы исследована работа ЩМДШ и на основании результатов численного моделирования предложен ряд технических решений, повышающих надежность ЩМДШ, при снижении их стоимости.

Реализация работы.

Результаты работы, изложенные в подготовленных в соавторстве монографии и учебном пособии, успешно используются организациями, связанными с проектированием и строительством мостовых сооружений, такими как ФГУП «Росдорнии», ОАО «Мостострой-11» и ОАО «Волгомост» при выборе ДТП для применения в мостовых сооружениях и анализе причин их повреждений. В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) и в ряде других вузов страны результаты работы используются преподавателями при подготовке к лекциям и практическим занятиям со студентами специальности 270 201 «Мосты и транспортные тоннели». Кроме того, автором работы совместно с И. Г. Овчинниковым и В. Н. Макаровым создан и поддерживается веб-сайт (адрес в Интернете: http://defshov.am-bridge.net/), посвященный ДТП и сопутствующим вопросам.

Достоверность результатов работы обеспечивается верификацией построенных моделей, сопоставлением результатов численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными, а также с некоторыми результатами численного моделирования, произведенного другими авторами. В части анализа конструктивных решений, достоинств и недостатков ДТП достоверность обеспечивается сопоставлением большого количества данных обследований ДТП, проведенных как в России, так и за рубежом различными специалистами.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II и IV Международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2003,2005гг.) — на студенческой научно-практической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли» (г. Саратов, 2004, 2006 гг.) — на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2004 г.), на Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2005 г.) — на семинаре «Совершенствование конструкторско-технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (г. Саратов, 2005 г.) — на Всероссийском семинаре «Повышение безопасности дорожного движения путем применения современных технических средств организации дорожного движения на дорогах и искусственных сооружениях с использованием новых технологий и материалов» (г. Саратов, 2005 г.) — на Международном научно-методическом межвузовском семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г. Могилев, 2005 г.) — на I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (г. Омск, 2006) — на Международном семинаре «Конструкции покрытий проезжей части мостовых сооружений с интенсивностью движения более 7−8 тысяч авт/сут. с учетом климатических условий г. Москвы» (г. Москва, 2006 г.) — на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2006 г.). Работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ в ноябре 2006 г., а также на расширенном заседании кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, в том числе в одной монографии и одном учебном пособии. Объем работы.

Диссертация объемом 201 страница машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 111 наименований, 9 приложений и включает 130 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Собрана, систематизирована и проанализирована информация о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах на основе отечественного и зарубежного опыта эксплуатации, что позволило выявить наиболее перспективные и устаревшие конструкции ДШ, очертить рациональную область их применения, а также систематизировать характерные дефекты с указанием причин их возникновения.

2. Оценка степени воздействия дефектов и повреждений ДШ на техническое состояние прочих элементов моста и на безопасность и комфортность движения транспорта через поврежденный ДШ показало сильное влияние наличия неисправностей ДШ на указанные параметры, выражающееся в снижении срока службы нижележащих конструктивных элементов мостов до 5070% при наличии протечек через ДШ, а также в снижении допускаемой из соображений безопасности скорости при повреждении поверхности проезда ДШ, которое может достигать 90% при увеличении динамического коэффициента более чем вдвое.

3. Разработка и обоснование новой классификации ДШ, позволили более корректно разделять конструкции ДШ на типы, устранив недостатки, имеющиеся в существующей ныне классификации ДШ.

4. Анализ особенностей эксплуатации, ремонта и учета потребности в ДШ, устанавливаемых в городских мостах с высокой интенсивностью движения позволил установить, что, несмотря на оперативность мер по обслуживанию и ремонту ДШ, которые можно обеспечить в черте города, преимуществ городское расположение ДШ, как считалось ранее, не дает. Напротив, в условиях города износ ДШ происходит значительно более интенсивно, нежели за городской чертой, в основном, вследствие быстрого образования колеи и выбоин в покрытии. Учитывая, что используемые для предотвращения указанных явлений меры малоэффективны, предложена принципиально новая концепция использования согласующих переходных зон между покрытием и конструкцией ДШ.

5. Оценка потребности в ДШ различных перемещений для мостовых сооружений страны, основанная на результатах исследований В. И. Шестерикова, позволила выявить наиболее востребованные конструкции ДТТТ с учетом прогноза развития ситуации на ближайшее будущее. Такими конструкциями по ряду параметров оказались ЩМДШ;

6. Большой процент примененных не по назначению конструкций ДШ на отечественных мостах показывает отсутствие у проектировщиков четких представлений об особенностях выбора ДТТТ для применения. В результате, даже качественные конструкции ДШ, примененные не по назначению, служат в 10−20 раз меньше их практически достижимого срока службы. Разработанная методика выбора ДТТТ для применения в зависимости от конкретных условий эксплуатации, воздействий и других факторов, влияющих на выбор ДТТТ, учитывающая возможное изменение этих параметров на этапе эксплуатации ДШ, позволит значительно снизить количество ошибок, связанных с необоснованным выбором ДТТТ для применения.

7. Для упрощения выбора ДТТТ согласно предложенной методике выбора, разработана структура базы данных по применяемым конструкциям ДШ, содержащая весь необходимый для использования методики набор сведений о каждой конструкции ДТТТ. Структура базы данных предложена расширенной и включающей ряд полей, необходимых впоследствии для использования базы данных в качестве базы знаний экспертной системы, предназначенной для автоматизированного выбора ДТТТ для применения.

8. Поскольку было выявлено, что наиболее востребованными конструкциями ДШ в ближайшем будущем станут ЩМДШ, была разработана методика расчета таких конструкций. Анализ сценариев разрушения и экспериментальных данных позволил выбрать и обосновать деформационную модель ЩМ материала заполнения штрабы ЩМДШ, выбрать и обосновать расчетную схему ЩМДШ, а также сформулировать основные расчетные случаи, характерные для этого ДТП. На основании полученных предпосылок была разработана методика компьютерного расчета ЩМДШ, учитывающая поведение ЩМ материала при различных температурах и схемах нагружения.

9. Для использования разработанной методики расчета ЩМДШ в инженерной практике, были разработаны структура, алгоритм и компьютерная программа расчета ЩМДШ.

10. Численное моделирование поведения ЩМДШ с помощью разработанной программы позволило предложить способы модификации конструктивного решения ЩМДШ для улучшения его работы и снижения стоимости.

11. В числе наиболее перспективных направлений совершенствования ДШ были выделены: разработка новых и развитие существующих методов проектирования ДТП различных типов, разработка методики определения перемещений торцов пролетных строений от действия различных факторов, разработка конструкций ДШ на основе отечественных материалов, широкое внедрение мониторинга поведения и состояния ДШ, а также ряд других мер, направленных на повышение информированности инженеров об особенностях работы и проектирования ДШ.