Оценка безопасности мостов с учётом динамического фактора надёжности

УДК 624.21.093.004

С. В. Чижов, Э. Т. Яхшиев, Л. К. Дьяченко

ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ МОСТОВ С УЧЁТОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ФАКТОРА НАДЁЖНОСТИ

Дата поступления: 25.04.2016 Решение о публикации: 10.05.2016

Цель: Разработать и научно обосновать алгоритм и содержание процедуры оценки безопасности мостовых сооружений с учётом динамического фактора надёжности для включения результатов в методику «Проектирования и строительства дисперсно-армированных пролётных строений на высокоскоростных железнодорожных магистралях Республики Узбекистан». Методы исследования: Использовались системный анализ мостового сооружения, включающий полный перечень возможных взаимообусловленных состояний элементов моста под сочетаниями нагрузок и воздействий; методы математического моделирования; метод сопоставления аналогий. Результаты: Определены значимые факторы, влияющие на надёжность в условиях динамических нагрузок и воздействий, для их включения в методику оценки безопасности мостов на высокоскоростных железнодорожных магистралях. Практическая значимость: Решение данной прикладной задачи позволит перейти к разработке серии типовых дисперсно-армированных пролётных строений с целью их использования под высокоскоростное движение в соответствии с государственной программой модернизации железных дорог Узбекистана.

Безопасность, надёжность, динамические нагрузки, воздействия, дисперсно-армированное пролётное строение, высокоскоростная магистраль, системный анализ, трещиностойкость, отказ.

Sergey V. Chizhov, Cand. Eng., assistant professor; *Elbek T. Yakhshiev, postgraduate student, elbek-8420@mail.ru; Leonid K. Dyachenko, assistant lecturer (Petersburg State Transport University) SAFETY ASSESSMENT OF BRIDGES WITH CONSIDERATION FOR DYNAMIC RELIABILITY FACTOR

Objective: The study seeks to develop and scientifically justify an algorithm and contents of a procedure for safety assessment of bridges with consideration of dynamic reliability factor to incorporate the results into the methodological guide "Design and construction of dispersed-reinforced superstructures on high-speed railway lines of the Republic of Uzbekistan". Methods: Systemic analysis of bridge structures was applied, including the full range of potential interrelated conditions of bridge elements under different combinations of loads and impacts, ensuring the required reliability of a bridge and reducing the likelihood of a system failure. Methods of mathematical simulation and mapping analogies were used. Results: Significant factors influencing reliability under dynamic loads and impacts were identified to be incorporated into the methodology of safety assessment of bridges on high-speed railway lines. Practical importance: The solution of this applied problem allows to start developing a series of models of particulate-reinforced spans to be used for high-speed traffic in accordance with the state programme of modernization of Uzbekistan railways.

Safety, reliability, dynamic loads, impact, particulate-reinforced superstructure, high-speed railway, systemic analysis, fracture resistance, failure.

Актуальность работы обусловлена тем, в современных условиях требует решить ком-что проектирование и строительство мостов плекс научно-прикладных задач для обеспе-

чения надёжной работы таких сооружений. Это становится невозможным без выявления и оценки всего перечня рисков, возникающих в период эксплуатации моста и влияющих на его безопасность. В связи с развитием сети высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСЖДМ) в различных геологических, климатических условиях требуются объективная оценка и обоснование технических характеристик конструктивных элементов мостов с учётом значимых факторов надёжности. Для мостов на ВСЖДМ таким фактором является динамический фактор надёжности, обусловленный нагрузками от подвижного состава, сейсмических воздействий, ветра.

Безопасная работа конструкций мостовых сооружений в течение всего срока службы предполагает выявление и оценку всех факторов риска, приводящих к снижению надёжности сооружений. Как правило, требования к мостам, идентичным по функциональному назначению, конструктивным особенностям, технологии возведения обобщаются в виде отраслевых нормативных документов, утверждаемых на государственном уровне. Использование новых функциональных, конструктивных, технологических решений требует разработки нормативных требований, обеспечивающих их безопасную эксплуатацию.

Такие параметры целесообразно нормировать с применением аппарата теории надёжности [2, 8, 10]. При этом установление в нормативных документах предельных значений параметров, характеризующих состояние конструкции, обусловливающих её переход в неработоспособное состояние, может учитывать показатель кумулятивного риска наступления отказа [1].

Развитие сети высокоскоростных железных дорог требует разработки проектных решений, учитывающих региональные особенности, поскольку они в значительной мере обусловливают разнообразие требований, предъявляемых к искусственным сооружениям [7].

Методы исследования

Научно-исследовательская работа на кафедре «Мосты» ПГУПС выявила факторы риска и позволила выработать практические мероприятия для обеспечения надёжности железобетонных пролётных строений мостов в сети ВСЖДМ Узбекистана.

По результатам обследования конструкций установлено, что отказ железобетонных пролётных строений мостов на ВСЖДМ связан с прогрессирующим характером развития трещин при действии динамических нагрузок. Из-за таких дефектов невозможно обеспечить заданный эксплуатационный режим по скорости движения поездов до V = 300 км/ч. Из-за особенностей железобетона такие дефекты развиваются в процессе эксплуатации [9, 12].

Длительные наблюдения за характером развития трещин в эксплуатируемых железобетонных пролётных строениях на кафедре «Мосты» ПГУПС и в «Институте сейсмостойкости Узбекистана» позволили выявить значимые факторы, оказывающие динамическое воздействие на мостовые сооружения в Узбекистане:

• от подвижного состава Х1;

• сейсмические Х2;

• ветровые нагрузки Х3.

В связи с переходом на высокоскоростное движение поездов в Узбекистане разрабатывается перспективная конструкция дисперсно-армированного железобетонного пролётного строения, которая будет принята в качестве базовой для создания линейки типовых пролётов разной длины. В связи с этим возникла необходимость исследовать нормативную обеспеченность требований, связанных с динамическим фактором надёжности такой конструкции. Конструкцию пролётного строения разрабатывали при участии специалистов проектной организации ООО «КИЦ СМТ».

Данное пролетное строение - двухпутное с безбалластным мостовым полотном, изготавливается из предварительно напряженно-

го дисперсно-армированного железобетона с применением металлической фибры (рис. 1).

Результаты исследований

В ходе расчётного обоснования конструкции определён критерий отказа, связанный с возможностью образования и с шириной раскрытия трещин а для таких пролётных строений в условиях существенных динамических воздействий. В результате расчёта для дисперсно-армированного пролётного строения Ь = 66 м получена предельно возможная величина раскрытия нормальной к продольной оси пролётного строения трещины а = 0,011 мм. Результаты расчётного обо-

снования использованы в качестве одного из параметров ограничения S. в случае возникновения отказа в дисперсно-армированным железобетонном пролётном строении на ВСЖДМ Узбекистана.

В качестве второго параметра ограничения использован показатель нормативного значения ширины раскрытия трещины для пролётного строения из обычного железобетона а = 0,3 мм. В этом случае вероятность безотказной работы пролётного строения с учётом значения кумулятивного риска возникновения отказа по заданному параметру величины раскрытия трещины и используемого в качестве параметра ограничения будет иметь вид

PS < [s.]} > PH = 1 -VH,

Рис. 1. Фасад и поперечное сечение коробчатого железобетонного пролетного строения

расчётным пролётом 66 м

где РН - нормативное значение вероятности безотказной работы пролётного строения; VH - предельное значение кумулятивного риска (вероятность превышения значением Б. значения [Б], определяющее жёсткость требования ограничению параметра Б); Б. = а -параметр ширины раскрытия трещины, по которому производится ограничение; [Б] = = а = 0,011 мм - предельное значения этого 1-го параметра.

Поскольку вероятность безотказной работы связана с риском, образование трещин в железобетонном пролётном строении от динамических нагрузок и воздействий Х, Х, Х3 от подвижного состава, сейсмики и ветра, соответственно, является функцией случайных величин. Такая зависимость с учётом входного параметра вероятности безотказной работы и функции ограничения по ширине раскрытия трещин может быть исследована на оптимизационной математической модели вида

У(X ) = /(X ) ^ шах(шш);

У (X) = /(X,) < 0, у = 1...к, 1 = 1...п;

а™1 <а. <аШах,

где У(Х.) = РН - целевая функция вероятности безотказной работы дисперсно-армированного пролётного строения; У(Х) - функции ограничений, связанных с параметрами различных видов динамических воздействий Х1, Х2, Х3; а шш < а < а шах - двусторонние ограничения на переменные по ширине раскрытия нормаль-

ных к продольной оси трещин 0,011 < а < 0,3, где а = У(Х1; Х2; Х3).

Модель была построена с учётом статистических данных по результатам обследований, полученных на кафедре «Мосты и тоннели» ТАШИИТ (Ташкентский институт железнодорожного транспорта) и позволила установить вклад параметров Х., связанных с динамической работой конструкции пролётного строения, характерных для эксплуатационных условий ВСЖДМ Узбекистана, в формирование безотказной работы конструкции пролётного строения [3, 13].

Были установлены значения кумулятивного риска для входных параметров факторов надёжности по виду динамического воздействия (табл. 1).

Исследования на математической модели показали, что значимость факторов Х1,Х2, характеризующих воздействие от подвижного состава и сейсмических воздействий, соответственно, существенны для железобетонных пролётных строений, в то время как ветровая нагрузка не вызывает рисков, связанных с безопасной эксплуатацией мостов таких конструкций.

Проблема сейсмостойкости железобетонных мостов в условиях Узбекистана изучена в достаточной мере [4-6]. Результаты этих исследований были учтены при разработке нормативных документов по проектированию и строительству мостов в Узбекистане [14].

Вместе с тем, исследований в части динамического фактора надёжности, связанного с воздействием подвижного состава на конструкции мостов в Узбекистане, до настоящего времени не проводилось. Также отсутствуют

ТАБЛИЦА 1. Кумулятивный риск по виду динамического воздействия

Вид динамического воздействия, параметр Х. Средний показатель риска V. Нормативная обеспеченность в Узбекистане

Подвижной состав, Х1 0,7 Отсутствует

Сейсмика, Х2 0,9 ШНК 2.05.03-11

Ветровая нагрузка, Х3 0,1

нормативные документы, регламентирующие особенности проектирования и строительства таких конструкций с учётом указанного фактора. Исследования в области высокоскоростного движения поездов показывают актуальность его нормирования [11].

Поскольку фактор динамической надёжности, связанный с воздействием подвижного состава, зависит от характеристик как принятых к эксплуатации поездов, так и пролётного строения, на кафедре «Мосты» ПГУПС проведены исследования, позволяющие обосновать возможность применения динамической системы поезд - пролётное строение с учётом исходных данных, принятых на ВСЖДМ Узбекистана.

Динамическая система представляет собой эксплуатационные нагрузки от поезда типа Talgo AV-250, приложенные к расчётному

пролёту Ь = 66 м с заданными характеристиками пролётного строения.

Динамическая задача решалась методом неявного пошагового интегрирования по времени методом Ньюмарка [15]. В результате расчёта получены первая и вторая изгибные формы колебаний коробчатого железобетонного пролётного строения (рис. 2).

Динамические характеристики пролётного строения представлены в табл. 2.

В процессе исследования с помощью программного комплекса Sofistic также определены динамические коэффициенты ц1 для различных моделей нагрузки (табл. 3). Дисперсия значений динамических коэффициентов для различных моделей нагрузки по отношению к исходным параметрам расчётного поезда Та^о-250 Ай^уоЬ показывает эффективность принятых конструктивных реше-

Рис. 2. Первая (а) и вторая (б) собственные изгибные формы колебаний коробчатого железобетонного пролетного строения расчётным пролётом 66 м

ТАБЛИЦА 2. Динамические характеристики пролетного строения

б

Расчетная длина, м Жесткость, МН*, м2 Собственный погонный вес, кН/м Погонный вес мостового полотна (max/min), кН/м Частота собственных колебаний (max/min), Гц

66,0 462250 141,65 220,45/123,15 1,96/2,22

ТАБЛИЦА 3. Результаты динамических расчетов

Модель нагрузки Динамический коэффициент,

А1 1,304

А2 1,296

А3 1,299

А4 1,541

А5 1,728

А6 1,721

А7 1,594

А8 1,362

А9 1,335

А10 1,352

Talgo-250 «Afrosiyob» 1,232

ний с учётом фактора динамической надёжности.

В ходе расчётов определена зависимость изменения динамического коэффициента от скорости движения высокоскоростного поезда, принятого в качестве элемента динамической системы поезд - пролётное строение с учётом исходных данных ВСЖДМ Узбекистана (рис. 3).

Заключение

Исследование динамического фактора надёжности дисперсно-армированных пролётных строений на ВСЖДМ Узбекистана с учётом кумулятивного риска возникновения отказа показывает необходимость нормирования требований к системе поезд - пролётное строение и к методам определения динами-

Рис. 3. Графики изменения динамического коэффициента к временной нагрузке пролетного строения 66 м в зависимости от скорости движения поезда

ческих характеристик, определяемых в зависимости от скорости движения поезда и исходных параметров подвижного состава.

Динамические расчёты, проведённые в ходе исследования, подтверждают актуальность разработки и принятия на уровне республики нормативного акта, регламентирующего процессы проектирования искусственных сооружений, которые позволят повысить безопасность и надёжность мостов на ВСЖДМ Узбекистана.

Полученные в ходе исследования результаты обоснования характеристик пролётного строения позволяют рекомендовать его к использованию в сети ВСЖДМ Узбекистана.

Библиографический список

1. Авиром Л. С. Надёжность сборных зданий и сооружений / Л. С. Авиром. - Л. : Стройиздат, 1971. - 216 с.

2. Бегам Л. Г. Надёжность мостовых переходов через водотоки / Л. Г Бегам, В. Ш. Цыпин. - М. : Транспорт, 1984. - 252 с.

3. Бондарь Н. Г. Взаимодействие железнодорожных мостов с подвижным составом / Н. Г. Бондарь, Ю. Г. Козьмин, З. Г. Ройтбурд и др. / под ред. Н. Г. Бондаря. - М. : Транспорт, 1984. - 272 с.

4. Ботвинкин Н. Н. Руководство по сейсмостойкости сооружений / Н. Н. Ботвинкин // Ташкент : Средне-Азиатское отд. объед. гос. изд-ва, 1993. 160 с.

5. Кузнецова И. О. Использование упругого полупространства для моделирования оснований при оценке сейсмостойкости больших мостов / И. О. Кузнецова, А. М. Уздин, У. З. Шермухамедов, В. Хай-бинь // Вестн. гражданских инженеров. - 2010. -Вып. 3. - С. 91-95.

6. Рашидов Т. Р. Колебания сооружений, взаимодействующих с грунтом / Т. Р. Рашидов, Г. Х. Хожме-тов, Б. Н. Мардонов. - Ташкент : Фан, 1975. - 173 с.

7. Смирнов В. Н. Особенности высокоскоростного движения железнодорожных экспрессов по мостам / В. Н. Смирнов. - СПб., 2015. - 57 с.

8. Честной В. М. Железобетонные мосты : температура и надёжность / В. М. Честной. - М. : Транспорт, 1991. - 135 с.

9. Чижов С. В. К вопросу прогноза степени усадки бетона / С. В Чижов, С. А. Кузнецов // Мир дорог. - 2014. - № 77. - С. 20-21.

10. Чижов С. В. Надёжность тоннельных обделок из набрызгбетона, сооружаемых в протерозойских глинах : автореф. ... канд. техн. наук / С. В. Чижов. - СПб. : ПГУПС, 1998. - 25 с.

11. Чижов С. В. О требованиях к мостам при высокоскоростном движении / С. В. Чижов, Э. Т. Ях-шиев // Изв. ПГУПС. - 2014. - Вып. 4. - С. 87-91.

12. Чижов С. В. Прогнозирование процесса карбонизации бетона / С. В. Чижов, С. А. Кузнецов // Перспективы науки. - 2014. - № 11 (62). -С. 76-81.

13. Шермухамедов У. З. Гашение продольных сейсмических колебаний опор балочных мостов с сейсмоизолирующими опорными частями : автореф. ... канд. техн. наук / У. З. Шермухамедов. -М. : МИИТ, 2010. - 23 с.

14. ШНК 2.05.03-11* «Мосты и трубы».

15. EN 1991-2 (2003): Eurocode 1 : Actions on structures. P. 2 : Traffic loads on bridges.

References

1. Avirom L. S. Nadezhnost sbornykh zdaniy i sooruzheniy [Reliability of Fabricated Buildings and Structures]. Leningrad, Stroyizdat, 1971. 216 p.

2. Begam L. G. & Tsypin V.Sh. Nadezhnost mos-tovykh perekhodov cherez vodotoki [Reliability of Bridge Crossings across Waterways]. Moscow, Transport, 1984. 252 p.

3. Bondar N. G., Kozmin Yu. G., Roytburg Z. G. et al. Vzaimodeystviye zheleznodorozhnykh mostov s podvizhnym sostavom [Interaction between Railway Bridges and Rolling Stock]; ed. N. G. Bondar. Moscow, Transport, 1984. 272 p.

4. Botvinkin N. N. Rukovodstvo po seysmostoyko-sti sooruzheniy [A Manual in Seismic Resistance of Structures]. Tashkent, Sredne-Aziatskoye otdeleniye obyedinennogo gosizdatelstva, 1993. 160 p.

5. Kuznetsova I. O., Uzdin A. M., Shermukhame-dov U. Z. & Khaybin V. Vestnik grazhdanskikh inzhen-erov - Civil Eng. Newsletter, 2010, Is. 3, pp. 91-95.

6. Rashidov T. R., Khozhmetov G.Kh. & Mardon-ov B. Kolebaniya sooruzheniy, vzaimodeystvuyush-

chikh s gruntom [Vibrations of Structures Interacting with the Ground]. Tashkent, Fan, 1975. 173 p.

7. Smirnov V. N. Osobennosti vysokoskorostnogo dvizheniya zheleznodorozhnykh ekspressov po mostam [Specific Features of High-speed Movement of Express Trains across Bridges]. St. Petersburg, 2015. 57 p.

8. Chestnoy V. M. Zhelezobetonnyye mosty: temperatura i nadezhnost [Railway Bridges: Temperature and Reliability]. Moscow, Transport, 1991. 135 p.

9. Chizhov S. V. & Kuznetsov S.A. Mir dorog -World of Roads, 2014, no. 77, pp. 20-21.

10. Chizhov S. V. Nadezhnost tonnelnykh obde-lok iz nabryzgbetona, sooruzhayemykh v proterozo-yskikh glinakh [Reliability of Shotcrete Tunnel Linings Built in Proterozoic Clays]. St Petersburg, PGUPS, 1998. 25 p.

11. Chizhov S. V. & Yakhshiyev E. T. Izvestiya PGUPS - Proc. Petersburg Transp. Univ., 2014, Is. 4, pp. 87-91.

12. Chizhov S. V. & Kuznetsov S. A. Perspektivy nauki - Perspectives of Sci., 2014, no. 11 (62), pp. 76-81.

13. Shermukhamedov U. Z. Gasheniye prodolnykh seysmicheskikh kolebaniy opor balochnykh mostov s seysmoizoliruyushchimi opornymi chastyami [Suppression of Dilatational Seismic Vibrations of Beam Bridge Supports with Earthquake-isolating Substructures]. Moscow, MIIT, 2010. 23 p.

14. ShNK 2.05.03-11* Mosty i truby [Bridges and pipes].

15. EN 1991-2 (2003): Eurocode 1: Actions on structures. P. 2: Traffic loads on bridges.

ЧИЖОВ Сергей Владимирович - канд. техн. наук, доцент, sergchizh@yandex.ru; *ЯХШИЕВ Элбек Толипович - аспирант, elbek-8420@mail.ru; ДЬЯЧЕНКО Леонид Константинович - ассистент, leonid_dyachenko@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).