Методы оценки технико-эксплуатационных показателей железобетонных мостовых сооружений Санкт-Петербурга

получить строго уравненные координаты всех связующих точек с оценкой их точности.

Библиографический список

1. Наземное лазерное сканирование: дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов. Приборы и технологии / А. И. Науменко // Мат. Всерос. совещ.-семин. с междунар. участ. - Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2005. - С. 130131.

2. Разработка и исследование методики прокладки сканерных ходов / Д. В. Комиссаров, А. В. Комиссаров // Геодезия и картография. - 2008. - №4. - С. 14 -

16.

3. Определение градиентным методом элементов взаимосвязи между трехмерными системами координат / В. А. Коугия, Н. В. Канашин // Известия Вузов: геодезия и аэрофотосъемка. - 2008. - №2. - С. 22 - 28.

4. Инженерная геодезия / Под ред. СИ. Матвеева. - М.: УМК МПС России, 1999. - 455 с. - ISBN 5-89035-019-6.

Статья поступила в редакцию 25.03.2009;

представлена к публикации членом редколлегии В. В. Сапожниковым.

УДК 625.745.12

Э. С. Карапетов, А. А. Белый

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Обеспечение должных уровней надежности и функциональности железобетонных мостовых сооружений является приоритетной задачей в системе управления их эксплуатацией. Для грамотной работы такой системы прежде всего необходимо сформулировать критерии и методы оценки технического состояния подобных конструкций. На примере мостового парка Санкт-Петербурга дано представление о существующем уровне содержания, и сформулированы предложения по его совершенствованию.

технико-эксплуатационный показатель, методы оценки, абсолютные и относительные характеристики.

Введение

Санкт-Петербург обладает уникальным мостовым парком, характеризующимся как эстетическими, так и техническими особенностями, признанными во всем мире. В его состав входит

множество самых разнообразных по материалу и статическим схемам конструкций. Срок службы многих из них сопоставим с возрастом самого города.

Все это предопределяет необходимость специальных подходов к управлению их техническим состоянием [1,9].

Одним из элементов системы управления эксплуатацией мостовых сооружений города является оценка уровня их технического состояния. Для этого требуется установить критерии и методы оценки.

1 Объект исследования. Техническое состояние. Факторы и воздействия

Современное мостовое хозяйство города характеризуется наличием большого количества железобетонных мостов и путепроводов - около половины от всех эксплуатируемых искусственных сооружений, что предопределило выбор подобных конструкций в качестве объекта исследования. Среди них имеются как старые сооружения постройки начала XX века, так и относительно новые сооружения постройки середины и конца XX столетия. Оценки надежности и функциональности таких мостовых сооружений должны быть установлены особенно ответственно, с учетом всех неблагоприятных воздействий городской среды Санкт-Петербурга.

С этой целью, в частности, был проведён анализ факторов, негативно влияющих на техническое состояние эксплуатируемых железобетонных мостов [2,8].

Выявлено существенное влияние природно-климатических и техногенных факторов на физическое состояние элементов эксплуатируемых сооружений. Повышенная влажность воздуха, большое число циклов замораживания и оттаивания элементов железобетонных конструкций вместе с соленостью морской атмосферы создают предпосылки для появления и развития значительных дефектов в сооружениях. Интенсивность движения и весовые характеристики транспортных нагрузок, обращающихся на городских магистралях мегаполисов (в частности, Санкт-Петербурга), значительно превышают аналогичные характеристики движения и веса транспортных средств, обращающихся на улицах и дорогах малых городов. В связи с этим дефекты и повреждения, обусловленные воздействием эксплуатационных нагрузок, появляются значительно раньше и развиваются более интенсивно.

Материалы проведенного анализа состояния железобетонных мостов и путепроводов показали, что в общем плане число сооружений с неудовлетворительным техническим состоянием, эксплуатируемых в Санкт-Петербурге, превышает более чем в 2 раза число аналогичных сооружений в среднем по России [1,2,3,9].

В этой связи практический интерес представляют вопросы разработки научно-обоснованной методики учета обозначенных факторов, оказывающих влияние на долговечность железобетонных мостовых сооружений, в процессе управления их техническим состоянием, с учетом специфики эксплуатации подобных конструкций на дорогах и улицах Санкт-Петербурга.

В основу разрабатываемой методики был положен «трехступенчатый» подход к оценке технического состояния эксплуатируемых железобетонных мостов и путепроводов Санкт-Петербурга.

Первый этап - предварительный, обобщенный анализ общего числа подобного рода сооружений. Число сооружений, подвергнутых анализу -около 300. Данный этап, или «ступень», позволяет дать общую картину технического состояния эксплуатируемых железобетонных мостов и путепроводов, получить интересующие характеристики всего парка мостовых сооружений в целом.

Второй этап - подробный, детальный анализ наиболее значимых петербургских железобетонных мостовых сооружений. Число сооружений, подвергнутых анализу - 30. Критерием отбора из общего числа служили как архитектурные и исторические «заслуги», так и эксплуатационные особенности и проблемы, возникавшие за годы их существования.

Третий этап - наиболее подробный анализ состояния железобетонных сооружений. Выбранные сооружения - мост Александра Невского через Неву, Кронштадтский путепровод и Невский путепровод. Проведение анализа состояния конкретных сооружений на третьем этапе определилось необходимостью оценки данных, полученных на предыдущем втором этапе, и рассмотрения их во времени. Материалы исследований, выполненных на третьем этапе, были положены в основу разрабатываемой методики оценки технико-эксплуатационных факторов, определяющих надежность и функциональность железобетонных мостовых сооружений Санкт-Петербурга.

2 Критерии оценки технического состояния

Проблемами содержания эксплуатируемых мостовых сооружений и исследованиями их надежности с учетом воздействий факторов различного происхождения занималось большое количество ученых.

Многими современными исследователями дается разная формулировка основных критериев, по которым следует оценивать уровень технического состояния эксплуатируемого мостового сооружения.

В рамках настоящего исследования были предложены следующие технико-эксплуатационные показатели (ТЭП), по которым следует оценивать уровень технического состояния сооружений в Санкт-Петербурге: «безопасность и комфортность движения», «долговечность»,

«грузоподъемность», «пропускная способность», «внешний вид», «ремонтопригодность».

Данные критерии основаны на результатах анализа методических отраслевых документов, а также современных научных разработок. Основные источники, подвергнутые анализу, приведены в [5-7,11-13].

Таким образом, в предложенных ТЭП отражены наиболее необходимые функции, которым должно соответствовать сооружение.

Согласно [10], «Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования». В состав надежности данный документ [10] относит следующие показатели: «безотказность», «долговечность»,

«ремонтопригодность» и «сохраняемость». В работах современных исследователей под термином «безотказность» зачастую подразумевается критерий «безопасность движения». Действительно, согласно [10], «Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки», т.е. фактически для мостовых сооружений безотказность работы и заключается в обеспечении заданного уровня безопасного пропуска по ним транспортной нагрузки.

В силу того, что ТЭП «грузоподъемность», «пропускная способность» и «архитектурная выразительность» не входят в понятие «надежность», предлагается для их обозначения ввести термин «функциональность», т.е. способность выполнять требуемые функции.

В итоге, оценку технического состояния эксплуатируемых железобетонных мостовых сооружений Санкт-Петербурга предлагается производить по шести обозначенным критериям, или ТЭП, отражающим заданные уровни надежности и функциональности данных конструкций.

3 Методы оценки технико-эксплуатационных показателей

Под методами оценки следует понимать систему характеристик (в словесной, символьной или числовой форме), отражающих количественную и качественную составляющие дефекта, степень развития повреждения.

Оценить сооружение по тому или иному ТЭП можно двумя способами.

Первый из них является оценкой в абсолютных характеристиках, когда дефект в элементе сооружения описывается в единицах оценки самого ТЭП. Для предложенных критериев данные об этом методе оценки представлены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1. Оценка технико-эксплуатационных показателей мостовых сооружений в

абсолютных характеристиках

ТЭП Абсолютные характеристики

Грузоподъемность Классы сооружения и нагрузки

Безопасность и комфортность движения Безотказность работы сооружения, безопасная (комфортная) скорость

Долговечность Остаточный срок службы сооружения

Пропускная способность Стеснение габарита проезда, снижение скорости проезда

Ремонтопригодность Стоимость (экономическая целесообразность) восстановления элемента или устранения дефекта

Определенные трудности вызывает оценка ТЭП - «внешний вид» - в абсолютных характеристиках, т.к. эстетическое восприятие того или иного объекта при наличии или отсутствии дефектов, степень данного восприятия, для каждого человека индивидуально, и данный вопрос следует отнести скорее к проблемам философского характера. Однако общие закономерности в этой сфере можно отследить. Большинство исследователей при оценке ими технического состояния сооружения описывают и влияние описываемых дефектов на его внешний вид. Таким образом, оценку ТЭП - «внешний вид» - в абсолютных характеристиках можно дать либо биполярно, т.е. представить как положительное или отрицательное влияние на внешнее состояние конструкции, либо более дифференцировано, описывая формулировками «сильное влияние», «среднее влияние», «малое влияние» и т. д.

Как видно, исходя из вышесказанного, метод оценки в абсолютных характеристиках является трудоемким способом оценки технического состояния эксплуатируемого сооружения. Однако он позволяет дать детальные количественные показатели в абсолютных единицах измерения, что особенно важно при определении объемов ремонтных работ и требуемых финансовых затрат.

Второй метод является способом оценки в относительных характеристиках. Для этого вводится система баллов, классов, степеней, коэффициентов и т.п. В зависимости от количественной и качественной составляющей обнаруживаемого дефекта, ему (дефекту) присваивается определенная категория по каждому ТЭП. Данный метод оценки реализован во многих нормативных документах [11-13], и также получил развитие в работах многих исследователей [5-7].

Таким образом, с учетом уникальности и специфики условий эксплуатации сооружений в Санкт-Петербурге, предлагается индивидуальный подход для оценки технического состояния

железобетонных мостов и путепроводов города в относительных характеристиках, о чем будет сказано далее (см. п. 4).

Нельзя не заметить, что существует четкая взаимосвязь между данными двумя методами оценки технического состояния эксплуатируемых сооружений. Эта связь представлена, например, в работе [5]. Само распределение по установленным категориям уже является их определенной взаимосвязью, т. к. именно после определения некоторых абсолютных характеристик (например, ширина раскрытия трещины, или величина скола бетона) устанавливается категория дефекта (относительная характеристика).

В отношении области применения каждого из методов можно сказать следующее. Если для отдельного сооружения предпочтительной является оценка по абсолютным характеристикам, с детальной количественной составляющей по каждому ТЭП, то весь парк мостовых сооружений логично оценивать по относительным характеристикам, выраженным в категориях или баллах, для возможности отображения общей картины в регионе в целом.

4 Оценка технического состояния Петербургских железобетонных мостовых сооружений

Очевидно, что в данном случае следует говорить о предпочтительности оценки в относительных характеристиках, т.к. число сооружений, подвергнутых исследованию, составляет 300 единиц. И оценка всего парка сооружений с индивидуальным подходом к каждому из них, которым является оценка технического состояния в абсолютных характеристиках, весьма затруднительна и трудоемка.

В настоящее время при оценке технического состояния сооружений в относительных характеристиках используют инструкцию ВСН 4-81(90) [11]. Это давно известный и хорошо зарекомендовавший себя документ. Однако он предусматривает оценивать состояние сооружений лишь по трем показателям: «грузоподъемность», «безопасность» и

«долговечность». На наш взгляд, этого недостаточно.

В прошлом году был издан и рекомендован к применению отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.4.001-2008 [13]. В этом документе присутствует такой необходимый показатель, как ремонтопригодность, который учитывает техническую возможность или экономическую целесообразность устранения дефекта, необходимость проектной проработки для его устранения, сложность ремонта элемента или конструкции.

В «Инструкции...» [11] каждому дефекту присваивается та или иная категория по оцениваемому показателю. По каждому показателю устанавливается три категории. Состояние сооружения определяется: при наличии мелких неисправностей - 1-ой категорией; при наличии

повреждений, требующих соответствующих ремонтных работ - 2-ой категорией; при наличии существенных повреждений, нарушающих нормальную эксплуатацию и требующие незамедлительной замены элементов - 3-ей категорией.

В результате проведенного обобщенного анализа предлагается число категорий установить равным 5. Наименование категорий - в соответствии с [13].

Не останавливаясь подробно на описании принятых категорий, следует отметить, что категории «0» соответствуют несущественные дефекты; категории «1» - малозначительные; категории «2» -

значительные; категории «3» - опасные; категории «4» - критические. Схожая классификация дефектов по категориям встречается и в других технических документах и в современных научных разработках.

Исходя из уникальности мостового парка, требующего повышенного внимания и ухода, предлагается учитывать внешний вид сооружений при оценке их технического состояния.

«Внешний вид» как «архитектурная выразительность» принята в работах проф. А. И. Васильева [6], как одно из потребительских свойств. И им же доказывается, что для условий Санкт-Петербурга оно стоит наряду с основными функциональными показателями, по которым оцениваются мостовые сооружения [14]. Однако как оценить ТЭП - «внешний вид» - в относительных характеристиках, нигде не указано. Поэтому здесь предлагается следующий подход, который отражен в табл. 2.

В ряде работ из показателя «безопасность» выделена такая характеристика, как «пропускная способность».

Существующие наработки в этой области [6] предполагают оценивать ТЭП - «пропускная способность» - только в зависимости от габарита проезда. На наш взгляд, ТЭП «пропускная способность» следует оценивать исходя и из скорости движения непосредственно по мостовому сооружению, а категории устанавливать в зависимости от того, насколько она снижается по сравнению с магистралью, на которой оно расположено. Связь между габаритом проезда и скоростью движения по сооружению очевидна, что подтверждается, например, в работе [15], но далеко не всегда прямо пропорциональна.

Как результат, ниже предлагается обобщенная методика оценки ТЭП «пропускная способность», которая учитывает и стеснение габарита, и снижение скорости движения транспортного средства.

ТАБЛИЦА 2. Категории ТЭП - «внешний вид» в зависимости от расположения сооружения и местонахождения дефекта

«Значимость» (видимость) элемента Степень развития дефекта Сооружения, расположенные в центральной части города; на основных магистралях; имеющие большое значение для города Сооружения, находящиеся на магистралях, прилегающих к центру города Сооружения спальных районов города и пригородов

Элементы наибольшей видимости (фасады пролетных строений, видимые поверхности опор) Интенсивное развитие дефекта 4 3-4 3

Слабое развитие дефекта 3-4 3 2-3

Элементы средней видимости (карнизы, ребра пролетных строений, ригели опор) Интенсивное развитие дефекта 3 2 2

Слабое развитие дефекта 2-3 2 1

Элементы малой видимости (скрытые и внутренние поверхности) Интенсивное развитие дефекта 2 1 0

Слабое развитие дефекта 1 0 0

ТАБЛИЦА 3. Предлагаемая методика оценки ТЭП "пропускная способность"

Категория 0 1 2 3 4

Влияние на габарит проезда Не влияет Стеснение габарита проезда без уменьшения числа полос движения при уменьшении ширины полос безопасности более чем на 50% Сокращение числа полос движения Реверсивное движение по одной полосе Закрытие моста

Влияние на скорость проезда К>0,9 К= (0,65...0,9) К= (0,3...0,65) К= (0,15.0,3) К<0,15

Примечание. K = скорость проезда по сооружению/скорость въезда на сооружение.

Исходя из предложенных шести ТЭП была проведена детальная оценка состояния мостовых железобетонных сооружений, отнесенных ко

2-му этапу проводимых исследований.

Полученные результаты свидетельствуют, что:

• преобладающими факторами, снижающими уровень технического состояния мостового сооружения, являются влажностные воздействия (26,7%), ошибки, допущенные при проектировании (16,1%) и ошибки, допущенные при эксплуатации (23,6%) - рис. 1.

%

Зависимость дефектов сооружений от факторов

30.00

25.00

20.00

15.00

10.00 5,00

2670

23,56

4606

85

5,06

п.

6*46

п пп 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J

Пв Пс Пз Ти Твн Тпр Тст Тэ

Ряді 26,70 9,95 5,06 3,66 8,55 16,06 6,46 23,56

факторы

Т - техногенные факторы

Ти - интенсивность движения

Твн - величина временной нагрузки Тпр - ошибки проектирования Тст - ошибки строительства Тэ - ошибки эксплуатации

П - природно-климатические факторы

Пв - влажностные воздействия

Пз - многократное циклическое замораживание-

оттаивание

Пс - соленость среды

Рис. 1. Диаграмма зависимости дефектов сооружений от факторов

• наиболее подверженным среди элементов сооружения воздействиям перечисленных факторов при суммарной оценке по всем ТЭП является пролетное строение (45 % от общего числа дефектов); дефекты в опорах - в среднем в 19 %, на мостовом полотне - в 36 % случаев - рис. 2;

опора

19%

мостовое полотно

36%

пролетное

строение

45%

Рис. 2. Суммарное распределение дефектов по элементам сооружения

• в большинстве случаев один фактор влияет на 2 и более ТЭП - рис. 3;

і  2

3

4

Рис. 3. Влияние на количество ТЭП

• процентное отношение числа дефектов, воздействующих на ТЭП, варьируется от 19,72% («пропускная способность») до 100% («ремонтопригодность») - рис. 4.

Заключение

Таким образом, определены факторы, ухудшающие состояние эксплуатируемых сооружений Санкт-Петербурга; предложены и градуированы основные критерии для возможности оценки уровня технического состояния; получены зависимости между факторами и технико-эксплуатационными показателями (ТЭП).

Т ехнико-эксплуатационный показатель

Рис. 4. Процент числа дефектов, воздействующих на конкретный показатель от общего

числа дефектов

Сформулированы абсолютные и относительные методы оценки ТЭП.

На примере парка железобетонных мостов города представлена общая картина их технического состояния, оцененного по предложенным ТЭП.

Установлено, что оценка технического состояния железобетонных мостовых сооружений является одним из элементов системы управления их эксплуатацией.

Библиографический список

1. Эксплуатационное состояние железобетонных мостовых сооружений

Санкт-Петербурга / Э. С. Карапетов, А. А. Белый // Сб. трудов «125 лет в мостостроении». - СПб. : ПГУПС, 2008. - С. 62-68.

2. Об эксплуатации железобетонных мостов и путепроводов Санкт-Петербурга / А. А. Белый // Сб. материалов 61-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, ч. III. - СПб. : СПбГАСУ, 2008. - С.12-19.

3. Основные положения Концепции совершенствования и развития дорожного хозяйства Санкт-Петербурга до 2010 г. с прогнозом до 2015 г. // Санкт-Петербургские ведомости. - № 54. - 26.03.08.

4. Архивные материалы СПб ГУП «Мостотрест», 1980-2008.

5. Управление техническим состоянием искусственных сооружений железных дорог России на основе новых информационных технологий / С. А. Бокарев // МПС РФ. - Новосибирск : СГУПС, 2002.

6. Методология системного подхода к нормированию и натурным исследованиям автодорожных мостов / А. И. Васильев. - М. : ОАО «ЦНИИС», 2003.

7. Оценка и прогнозирование состояния мостов на автомобильных дорогах в системе управления их эксплуатацией / В. И. Шестериков. - М. : Гипродорнии, 2004.

8. Особенности содержания, ремонта и реконструкции мостовых сооружений на городских магистралях Санкт-Петербурга / А. В. Бенин, Э. С. Карапетов,

A. А. Белый // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития». - Екатеринбург : УрГУПС, 2008. - С. 12.

9. Вопросы оценки технико-эксплуатационных показателей мостовых сооружений Санкт-Петербурга / А. А. Белый, Э. С. Карапетов // Сб. материалов 66-й Научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов. - СПб. : СПбГАСУ, 2009. - С. 20-26.

10. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - Минск, 1990.

11. Инструкция по проведению осмотров мостов и труб на автомобильных дорогах ВСН 4-81(90) / Министерство автомобильных дорог РСФСР. - М., 1990.

12. Руководство по оценке транспортно-эксплуатационного состояния

мостовых конструкций ОДН 218.017-2003 / Министерство транспорта РФ; Росавтодор. - М., 2003.

13. Методические рекомендации по организации обследования и испытания мостовых сооружений на автомобильных дорогах ОДМ 218.4.001-2008 / Федеральное дорожное агентство (Росавтодор). - М., 2008.

14. Сервис и мониторинг дорожных сооружений / А. В. Вдовенко, С. Е. Бегун,

B. И. Кулиш. Министерство образования РФ. - Хабаровск, 2004.

Статья поступила в редакцию 14.05.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. П. Ледяевым.