СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ ПО ИХ ПРОГИБАМ
METHOD FOR DETERMINING THE TECHNICAL CONDITION OF REINFORCED CONCRETE BEAMS OF SUPERSTRUCTURES OF OPERATED MOTOR ROAD BRIDGES BY DEFLECTIONS THEREOF

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и определения уровня технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов при воздействии на них постоянных и временных нагрузок.
Известно, что в конструкциях эксплуатируемых железобетонных балок мостов с течением времени возникают разного рода дефекты и повреждения, свидетельствующие о постепенной деградации бетона и арматуры, снижении надежности, грузоподъемности и общего уровня технического состояния, что в конечном счете приводит к функциональным ограничениям вплоть до полной невозможности использовать транспортный объект по назначению. Одной из основных характеристик, свидетельствующей о надежности, и находящейся в прямой зависимости от уровня технического состояния железобетонной балки, является ее прогиб.
Прогибы подразделяются на упругие (вызванные воздействием временной нагрузки), неупругие (провисание от постоянной нагрузки) и суммарные.
В соответствии с теорией надежности [1] и нормативной документацией [2-4], по результатам оценки технического состояния по отдельным критериям оценки (грузоподъемность, безопасность, долговечность, пропускная способность, ремонтопригодность и др.) назначается общая балльная оценка технического состояния сооружения. Упомянутыми документами предусмотрена пятибалльная система оценок технического состояния по каждому из рассматриваемых показателей. Соответствие общей балльной оценки технического состояния мостового сооружения по видам технического состояния приведено в Таблице 1.
Ни в одном из нормативных документов или исследований научного характера не встречается зависимостей между величиной определяемых прогибов железобетонных балок автодорожных мостов (упругих, неупругих и суммарных) и уровнем технического состояния данных конструкций.
Так, в Своде Правил [5] нормируются лишь максимальные суммарные прогибы (1/400 длины пролета) и алгебраическая разность сопрягаемых уклонов продольного профиля, а в ОДМ [6] приведена градация категорий состояния только для упругих прогибов.
На основании выполненных авторами расчетов и моделирований, а также с учетом [1-6] нами предлагается следующая зависимость между категорией состояния (балльной оценкой) конструкции и величинами упругих, неупругих и суммарных прогибов - см. Таблица 2.
К настоящему моменту известны различные способы определения прогибов конструкций.
Так, в изобретении по авторскому свидетельству № 336507 от 21.04.1972 г. «Способ измерения прогибов конструкций» [7] описан способ, включающий фотографирование с одной стороны указателей, закрепленных на испытываемой конструкции, и измерение перемещений указателей, зафиксированных на фотографиях. Описанный способ не имеет достаточной точности, требуемой для балок автодорожных мостов и градуированной по категориям в соответствии с Таблица 2; кроме того, способ весьма трудоемок, т.к. в процессе фотосъемки требуется непрерывно изменять фокусное расстояние объектива и поочередно фотографировать указатели, устанавливая фокусное расстояние объектива равным произведению заданного масштаба съемки на расстояние объектива до указателя.
Изобретение к патенту № RU 2250444 С2 от 20.04.2005 г. «Способ мониторинга мостового перехода в процессе его эксплуатации» [8] содержит способ мониторинга мостового перехода в процессе его эксплуатации, включающий визуальный контроль с выявлением видимых дефектов и инструментальный контроль путем периодических измерений параметров прогибов пролетных строений моста до начала эксплуатации и во время эксплуатации, сравнение параметров, оценку состояния моста по результатам сравнения. Дополнительно к прогибам измеряют целый набор параметров (напряженно-деформированное состояние, амплитуды и частоты колебаний, осадки опор и др.). Оценку состояния моста осуществляют по итогам сравнения значений каждого измеренного параметра до начала эксплуатации и в процессе эксплуатации с соответствующими расчетными пороговыми значениями, при этом измерения ведут не реже 2-х раз в год. Недостатком способа, на наш взгляд, является его крайне значительная продолжительность и высокая трудоемкость, т.к. определение расчетных пороговых значений по каждому из критериев оценки для каждого моста - длительный по времени и сложный процесс. По сути, предложенное изобретение мало чем отличается от стандартного обследования, нормируемого документом [2].
Аналогичные недостатки (высокая трудоемкость, необходимость формировать пороговые значения) содержатся и в патенте на изобретение № RU 2672532 С2 от 15.11.2018 г. «Способ мониторинга технического состояния строительных объектов и система мониторинга технического состояния строительных объектов» [9], с той лишь разницей, что оценку состояния конструкций подразумевается производить не визуально, а с помощью блоков датчиков, регистрации измерений, аналитической обработки, вместе составляющих описываемую в изобретении систему мониторинга.
Широко распространенным способом измерения прогибов балки является использование различных прогибомеров, в общем случае заключающийся в том, что к испытываемой конструкции вместе, где требуется измерить прогиб, подвешивают груз. Далее, используя либо простейшие (элементарные) прогибомеры в виде планок или рычажные аналоги, либо воспользовавшись более современными моделями с редукторными кинематическими схемами (в основном применяются модели Аистова, Емельянова, Максимова), определяют величину прогиба балки. Общими недостатками этого способа являются высокая трудоемкость, низкая точность и сложность фиксации различных прогибов по отдельности (упругого, неупругого и суммарного).
Патент на изобретение № RU 2533343 С1 от 20.11.2014 г. «Способ измерения прогибов балок» [10] подразумевает использование для измерения прогиба рабочих и компенсационных тензорезисторов, наклеиваемых непосредственно на подготовленную поверхность верхнего и нижнего поясов балки в количестве от 3 до 5 штук в каждом поясе на участке длиной от 15 до 25 см. Датчики защищают от различных воздействий эпоксидной смолой, монтируют мостовые схемы («мост «Уитстона») для каждой пары тензорезисторов (рабочих и компенсационных) и соединяют провода от них с тензостанцией. Недостатком способа является высокая трудоемкость, косвенность измерений прогибов (сначала измеряются деформации, затем определяются напряжения, а потом прогибы) и длительность подготовительных работ.
Наиболее близким к заявленному способу измерений прогибов балок является метод геометрического нивелирования в соответствии с п. 6.3 ГОСТ [11]. Подробно метод описан в [12, сс. 63-66, 358-359]. Его выполняют с помощью нивелира, задающего горизонтальную линию визирования.
A
B
Схема геометрического нивелирования показана на Рисунок 1, где обозначено: А - точка первого стояния рейки; В - точка второго стояния рейки; а - высота оси прибора на рейке А; b - высота оси прибора на рейке В; h - разность между отрезками а и b; H - абсолютный уровень в точке А; H- абсолютный уровень в точке В; m - высота оси прибора относительно уровенной поверхности.
Сущность геометрического нивелирования заключается в следующем: нивелир устанавливают горизонтально, и по рейкам с делениями, стоящими на точках А и В, определяют превышение h как разность между отрезками а и b: h=а-b.
Данный метод является инструментом широкой области применения, наиболее распространенным и рекомендуемым применять в качестве основного метода измерения вертикальных перемещений сооружений [11, п. 6.3.1].
Основным недостатком, особенно в данном частном случае при определении технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов, можно назвать отсутствие граничных значений измерения (сформулирована лишь точность измерения в зависимости от классов точности измерения), что вызвано тем, что геометрическое нивелирование - это метод, а не конкретный способ или решение.
Технической задачей изобретения является разработка способа определения технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов по их прогибам, позволяющего четко и надежно идентифицировать конкретный уровень технического состояния конструкции в зависимости от измеренных упругих, неупругих и суммарных вертикальных деформаций объекта.
Указанная техническая задача решена за счет того, что определение технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов по их прогибам осуществляется при помощи нивелира и двух реек на основании метода геометрического нивелирования. Он отличается тем, что измерения регистрируются сначала при отсутствии временной нагрузки (определяются неупругие деформации от собственного веса), затем при ее наличии (определяются суммарные и упругие деформации от временной нагрузки); полученные данные сравниваются с заданными величинами, сформулированными авторами и приведенными в Таблица 2, в результате чего определяется категория технического состояния балки пролетного строения, делает вывод о возможности дальнейший эксплуатации и необходимых функциональных ограничениях.
Технология измерения прогибов показана на рисунке 2, где обозначено:
поз. а - этап проведения измерительных работ без временной нагрузки;
поз. б - этап проведения измерительных работ с временной нагрузкой;
поз. 1 - балка пролетного строения;
поз. 2 - высокоточный нивелир;
поз. 3 - геодезическая рейка с цифровым кодом в положении на краю балки;
поз. 4 - геодезическая рейка с цифровым кодом в положении в середине балки.
Суть способа определения технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых мостов по их прогибам состоит в следующем.
1. В стабильном месте не подверженном воздействию внешних факторов (деформации от транспорта, сильные порывы ветра, резкое изменение температуры окружающей среды, прямой солнечный свет, резкое охлаждение, ливень, град и т.п.) в районе измерений на расстоянии от 50 до 10 м до точки измерений устанавливается высокоточный нивелир 2.
2. В точке измерения мостового сооружения (а именно: ближайший конец балки 1) устанавливается геодезическая рейка 3.
1
3. Производится измерение на геодезическую рейку 3 нивелиром 2 и фиксируется значение высоты Н, которую видит в окуляр оператор (геодезист, специалист).
4. Геодезическая рейка 3 переставляется на противоположный конец балки 1.
2
5. Производится измерение на геодезическую рейку 3 нивелиром 2 и фиксируется значение высоты H, которую видит в окуляр оператор (геодезист, специалист).
6. Геодезическая рейка 3 переставляется в середину балки 7, тем самым образуется позиция 4.
3
7. Производится измерение на геодезическую рейку в позиции 4 нивелиром 2 и фиксируется значение высоты Н, которую видит в окуляр оператор (геодезист, специалист).
неупр
8. Вычисляются неупругие деформации (провисание балки) Δ по формуле:
1
9. На исходной позиции, вне влияния на мостовое сооружение, готовится грузовой автотранспорт с известной массой М=m. Масса определяется любым возможным способом с точностью, позволяющей соотнести ее с категориями, приведенными в [13, 14].
1
10. На мостовое сооружение с исходной позиции заезжает грузовой автотранспорт известной массой М=m и останавливается в расчетной точке (середина пролета). При большой длине автотранспорт устанавливается таким образом, чтобы центр тяжести автомобиля находился над серединой пролета. В поперечном сечении нагрузка (автотранспорт) устанавливается в наиневыгоднейшем положении по отношению к балке, для которой определяется техническое состояние.
4
11. После того как грузовой автотранспорт остановится в заданной точке, производится измерение на геодезическую рейку в позиции 4 нивелиром 2 и фиксируется значение высоты Н, которую видит в окуляр оператор (геодезист, специалист).
сумм
12. Вычисляются суммарные деформации балки Δ по формуле:
упр
13. Вычисляются упругие деформации балки Δ по формуле:
14. Зная изначальную длину балки L, вычисляют относительные величины прогибов каждого из видов деформаций как отношение абсолютных величин, полученных в формулах (1)-(3), к длине балки L.
15. Полученные относительные величины сопоставляются с данными, приведенными в Таблица 2, тем самым получаются категории технического состояния. В случае получения различных категорий для разных видов деформаций в качестве окончательной берется наивысшая (наихудшая) из полученных.
Таким образом, предлагаемый способ определения технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов по их прогибам позволяет:
• во-первых, достоверно оценить уровень технического состояния балки пролетного строения;
• во-вторых, выполнять работы используя широко распространенные методы геометрического нивелирования и соответствующее приборное оснащение, что приводит к существенному снижению временных и трудовых затрат.
Источники информации
1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1990. - 37 с.
2. ОДН 218.017-2003. Руководство по оценке транспортно-эксплуатационного состояния мостовых конструкций. - М.: Минтранс РФ, 2004 г. - 48 с.
3. ОДМ 218.4.001-2008. Методические рекомендации по организации обследования и испытания мостовых сооружений на автомобильных дорогах. - М.: Минтранс РФ, 2008. - 66 с.
4. ОДМ 218.3.014-2011. Методика оценки технического состояния мостовых сооружений на автомобильных дорогах.
5. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. М.: 2011.
6. ОДМ 218.3.042-2014. Рекомендации по определению параметров и назначению категорий дефектов при оценке технического состояния мостовых сооружений на автомобильных дорогах. М.: Росавтодор, 2015.
7. Авторское свидетельство № 336507 от 21.04.1972 г. Способ измерения прогибов конструкций.
8. Патент на изобретение № RU 2250444 С2 от 20.04.2005 г. Способ мониторинга мостового перехода в процессе его эксплуатации.
9. Патент на изобретение № RU 2672532 С2 от 15.11.2018 г. Способ мониторинга технического состояния строительных объектов и система мониторинга технического состояния строительных объектов.
10. Патент на изобретение № RU 2533343 С1 от 20.11.2014 г. Способ измерения прогибов балок.
11. ГОСТ 24846-2012 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений.
12. Инженерная геодезия: Учебник для вузов / Е.Б. Клюшин, М.И. Киселев, Д.Ш. Михелев, В.Д. Фельдман; под ред. Д.Ш. Михелева. - 4-е изд., испр. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 480 с.
13. Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2011 г. N 272 "Об утверждении Правил перевозок грузов автомобильным транспортом" (с изменениями и дополнениями).
14. Решение Комиссии Таможенного союза от 09.12.2011 N 877 (ред. от 21.06.2019) "О принятии технического регламента Таможенного союза "О безопасности колесных транспортных средств" (вместе с "TP ТС 018/2011. Технический регламент Таможенного союза. О безопасности колесных транспортных средств").
Краткое описание чертежей
Рисунок 1. Схема геометрического нивелирования.
A
B
Обозначения: А - точка первого стояния рейки; В - точка второго стояния рейки; а - высота оси прибора на рейке А; b - высота оси прибора на рейке В; h - разность между отрезками а и b; H - абсолютный уровень в точке А; H- абсолютный уровень в точке В; m - высота оси прибора относительно уровенной поверхности.
Рисунок 2. Способ определения технического состояния железобетонных балок пролетных строений эксплуатируемых мостов по их прогибам.
Обозначения:
поз. а - этап проведения измерительных работ без временной нагрузки;
поз. б - этап проведения измерительных работ с временной нагрузкой;
поз. 1 - балка пролетного строения;
поз. 2 - высокоточный нивелир;
поз. 3 - геодезическая рейка с цифровым кодом в положении на краю балки;
поз. 4 - геодезическая рейка с цифровым кодом в положении в середине балки.