Мониторинг напряженно-деформированного состояния мостовых переездов на водопроводящих каналах

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4(08), 2012 г., [110-124] УДК 626.843

М. А. Бандурин

МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОСТОВЫХ ПЕРЕЕЗДОВ НА ВОДОПРОВОДЯЩИХ КАНАЛАХ

Приводятся результаты моделирования технического состояния длительно эксплуатируемых мостовых переездов через водопроводящие каналы. В результате эксперимента была построена твердотельная модель несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние железобетонных несущих элементов при различных сочетаниях нагрузок. В результате проведенных численных экспериментов были выделены зоны образования дефектов и повреждений на несущих элементах мостовых переездов через водопроводящие каналы. Эти зоны могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что позволяет упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования и определения точек, в которых необходимо производить измерения прочности бетона при проведении натурных обследований. В связи с этим произведено моделирование дефектов на колонне в виде образования пустот и разуплотнений железобетона с размерами диаметром от 50 мм до 100 мм. Установлен интенсивный порог опасности образования пустот и разуплотнений железобетона, начиная с диаметра 100 мм.

Ключевые слова: гидротехнические сооружения, водопроводящие каналы, мостовые переезды, эксплуатационный мониторинг, моделирование, техническое состояние, твердотельная модель, порог опасности, пустоты, разуплотнения.

M. A. Bandurin

MONITORING THE STRESS-STRAIN STATE OF BRIDGE CROSSINGS ON CONVEYANCE CANALS

Modelling results of technical state of long-operated bridge crossings across conveyance canals are given in the article. As a result of the experiment a solid-state model for bearing elements of a bridge crossing across conveyance canals was constructed. The stress-strain state of ferroconcrete bearing elements under various load combinations is considered. As a result of numerical experiments carried out zones of forming defects and damages on bearing elements of bridge crossings across conveyance canals were marked out. These zones may have characteristic damages of the same type that makes it possible to regulate the process of laying georadar sounding profiles and defining points in which it is necessary to measure concrete strength when conducting inspections on location. In this connection modeling defects on a column by way of formation voids and ferroconcrete unseals with diameters from 50 mm to 100 mm was carried out. Intensive danger threshold for forming voids and ferroconcrete unseals beginning from 100 mm diameter was fixed.

Keywords: hydraulic structures, conveyance canals, bridge crossings, operation monitoring, modeling, technical state, solid-state model, danger threshold, voids, unseals.

Инструментальные обследования водопроводящих сооружений субъектов РФ показали, что в ряде случаев их эффективность, эксплуата-

ционные качества и надежность оказываются недостаточными, что связано это с нарушениями нормального выполнения функции водообеспечения системами, отказами в их работе. Наиболее частыми являются дефекты внутреннего характера, приводящие к нарушению нормального функционирования водопроводящих сооружений.

Только в Ростовской области на балансе Ростовмелиоводхоза числятся более 48 мостовых переездов, которые являются составной частью автомобильной дороги и представляют собой комплекс сложных и дорогостоящих сооружений. Их нужно рассматривать не только как транспортные, но и как гидротехнические сооружения, а, следовательно, размеры и форма в значительной степени обосновываются гидрологическими, гидравлическими и русловыми расчетами (рисунок 1) [1].

Рисунок 1 - Общий вид мостового переезда через Право-Егорлыкский канал

Преобладающими аварийными дефектами являются полное разрушение, образование дефектов, нарушающих нормальную работу конструкции, нарушение стыковых соединений, а также разрушение зон опирания замковой части. Опасными дефектами, вызывающими ухудшение эксплуатационных свойств в элементах конструкции, становятся образующиеся

трещины, размеры которых превышают предельно допустимые значения, отслоение защитного слоя бетона, коррозия бетона арматуры в виде высо-лов и ржавых потеков [2].

Можно сделать вывод, что нарушения стыковых соединений сборных элементов, разрывы и проломы стенок в различных зонах, трещины, сдвижка и просадка элементов относительно друг друга приводят к нарушению нормальной работы мостовых переездов. Отсюда возникают такие проблемы, как потеря дефицитной поливной воды, подъем уровня грунтовых вод, заболачивание и засоление орошаемых земель. Решение данных проблем должно быть основано на обязательном учете требований надежности при проектировании, строительстве и эксплуатации.

При проектировании мостового перехода необходимо решать одновременно следующие задачи:

- создать оптимальные условия для перевозки грузов и пассажиров автомобильным транспортом;

- обеспечить возможность надежной работы мостового перехода в течение длительного срока его службы в условиях непостоянства речного стока, природных русловых деформаций, нарушения мостовым переходом естественного режима реки;

- получить экономически обоснованное проектное решение, которому соответствует минимальная величина строительных и эксплуатационных затрат;

- свести к минимуму неблагоприятное воздействие на окружающую

среду.

Оценка технического состояния мостовых переездов водопроводящих сооружений проводится в зимний период, что не позволяет реально оценить показатели безопасности. В большинстве случаев выводы строятся на данных визуальных обследований и небольшом объеме инструментальных измерений.

Параметрами, подвергающимися неразрушающему контролю в бетонах, являются прочность, величина защитного слоя, влажность, морозоустойчивость, влагонепроницаемость и ряд других. При производстве железобетонных изделий также контролируют натяжение арматуры и величину вибрации при уплотнении бетонной смеси. Но основным контролируемым параметром для бетонов является прочность на сжатие [3].

На долговечность железобетонной конструкции существенное влияние оказывает величина защитного слоя бетона и наличие на нем дефектов - раковин, пор, трещин и т.д. Защитный слой предохраняет арматуру от доступа влаги, кислорода, агрессивных веществ и газов. Арматурные стержни, имеющие небольшой защитный слой или значительные дефекты в нем, подвергаются коррозии в первую очередь [4].

Рисунок 2 - Конструктивная схема мостового переезда с профилями георадарного зондирования

Целью исследований приборами неразрушающего контроля было обнаружение возможных дефектов бетона мостовых переездов и определение состояния арматурных стержней (рисунок 2). Данные натурные исследования производились с помощью георадара ОКО-2 с АБ-400, который сертифицирован по международной системе качества К0-9001, имеет гигиенический сертификат и сертификат соответствия, электронного изме-

рителя прочности бетона ИПС-МГ4.01 и ультразвукового эхо-импульсного толщиномера А1209 [5].

Исследовались приборами неразрушающего контроля мостовые переезды Нижне-Донской и Право-Егорлыкской оросительных систем.

На рисунке 3 представлен фрагмент профиля № 11, согласно таблицы 1, георадарного зондирования, пройденный поперек течения воды по мостовому переезду. При интерпретации радарограммы были определены мощности бетонного покрытия и состояние подплитного пространства.

Рисунок 3 - Фрагмент профиля № 11 георадарного зондирования

по оси мостового переезда

Таблица 1 - Результаты измерений прочности бетона на мостовом переезде прибором ИПС-МГ4.01

№ профиля Rсж, МПа Класс бетона B Изделие Примечание

11 43,2 B 35 Железобетонная плита Разрушающийся

12 60,1 B 50 Железобетонная плита Неразрушающийся

13 52,7 B 45 Железобетонная плита Неразрушающийся

14 41,2 В 30 Железобетонная плита Разрушающийся

15 53,4 В 45 Железобетонная плита Неразрушающийся

16 51,9 В 45 Железобетонная плита Неразрушающийся

17 60,4 В 50 Железобетонная плита Неразрушающийся

На радарограмме в верхней части разреза в районе 0-3 м и 6-9 м выделяются две отражающие границы. Они соответствуют подошве армобе-тонных плит и границе раздела воздух-грунт. Толщина армобетонных плит 9-10 см, мощность воздушной прослойки от 0 до 10 см. Ниже залегает слой основного тела насыпи вперемешку с намытыми породами.

На рисунке 4 представлена радарограмма, полученная по тому же профилю № 11. Области с интенсивным затемнением соответствуют участкам среды с большей энергией отраженного сигнала по сравнения со светлыми областями. Область с низкой энергией отраженного сигнала соответствует более однородной среде, чем область с высокой энергией отраженного сигнала. На рисунке 4 видно, что в районе 0-3 м и 6-9 м неоднородность среды доходит до глубины 40 см.

Рисунок 4 - Фрагмент профиля № 11 георадарного зондирования по оси мостового переезда с выделенными пустотами

На рисунке 5 представлен фрагмент профиля № 14, согласно таблицы 1, георадарного зондирования по длине быка мостового переезда с выделенной арматурой и зоной соприкосновения с водой. На радарограмме в верхней части разреза выделяются отражения от арматурных стержней. Ниже залегает слой с отражениями от различных пустот и разуплотнений.

Рисунок 5 - Фрагмент профиля № 14 георадарного зондирования по длине быка мостового переезда с выделенной арматурой и зоной

соприкосновения с водой

На рисунке 6 показан фрагмент профиля № 15 георадарного зондирования по ширине быка мостового переезда с выделенной арматурой и зоной соприкосновения с водой. На радарограмме в верхней части разреза выделяются отражения от поперечных арматурных стержней. Ниже залегает слой с отражениями от многочисленных локальных объектов.

Рисунок 6 - Фрагмент профиля № 15 георадарного зондирования по ширине быка мостового переезда с выделенной арматурой и зоной

соприкосновения с водой

При обследовании мостового переезда (таблица 1) установлено, что опоры имеют характерные разрушения защитного бетона, оголения арматурной сетки в местах контакта с водой (RcyK = 35,4 МПа, класс бетона В 30), по верху борта (R^ = 43,2 МПа, класс бетона В 35). Исследование колонн показало отслоение бетона, его коррозию в зоне опирания на фундаментную плиту (R^ = 39,4 МПа класс бетона В 30).

В процессе эксплуатации под воздействием агрессивных факторов внешней среды происходит изменение свойств конструкций водопроводящих сооружений. Несвоевременно выявленные и устраненные дефекты нередко перерастают в серьезные конструктивные нарушения. Моделировать техническое состояние мостовых переездов предлагается с применением программного комплекса SCAD в сочетании с исследованием технического состояния их конструкции по внешним признакам [5].

В результате эксперимента была построена твердотельная модель

несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние железобетонных несущих элементов при различных сочетаниях нагрузок.

Число элементов и число узлов ансамбля соответственно составило 479021 и 32901. Кодирование исходной информации осуществлялось в терминах метода приращений с учетом фрагментального представления несущих элементов мостового переезда в виде объектов простой геометрической формы, выполненных из железобетона марки В 45.

В постановке численного расчета несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы без образования дефектов преследовалась цель установления адекватности твердотельной модели напряженно-деформированного состояния.

При проведении натурного эксперимента наибольшие значения нор-

5 2

мальных напряжений при полном загружении составили 102,4-10 Н/м ,

5 2

в численном расчете при моделировании - 98,7-10 Н/м , что составляет разницу менее 7 % и подчеркивает адекватность твердотельной модели напряженно-деформированного состояния [6].

Сравнения эпюр перемещений несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы по вертикали, по горизонтали вдоль и поперек несущих элементов выявило незначительные внутренние изменения. Наиболее интересна эпюра перемещений по вертикали (рисунок 7), на которой показано изменение положения горизонтальных элементов вследствие приложенных нагрузок, а также смещения оголовков колонн. Данные результаты свидетельствует о наличии большого запаса прочности именно горизонтальных элементов [7].

Перемещения по горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон опирания железобетонных балок, а перемещения по горизонтали несущих элементов показывают смещения крайних колонн и опертых на них железобетонных балок.

Рисунок 7 - Эпюра перемещений по вертикали несущих элементов

мостового переезда, без дефектов

Как показали результаты сравнения эпюр эквивалентного напряжения von Misеs (рисунок 8), наибольшие напряжения возникают по вертикали несущих элементов мостового переезда, а именно на крайних колонах и горизонтальных балках, опертых на них. Это свидетельствует о возникновении критических напряжений в крайних колонах, на четверть больших, чем в других колоннах мостового переезда.

Рисунок 8 - Эпюра эквивалентного напряжения von Mises по вертикали несущих элементов мостового переезда, без дефектов

Эпюры эквивалентного напряжения von Mises по горизонтали вдоль и поперек несущих элементов мостового переезда (рисунок 9) показывают также наибольшие напряжения, возникающие в зоне опирания колонны на фундамент, вызванные деформациями несущих элементов. Присутствуют также напряжения в горизонтальных железобетонных элементах.

Рисунок 9 - Эпюра эквивалентного напряжения von Mises по горизонтали вдоль несущих элементов мостового переезда,

без дефектов

Проведенное моделирование убедило в наличии существенного запаса прочности несущих железобетонных элементов мостового переезда.

На втором этапе было произведено моделирование несущих элементов мостового переезда с образованием дефектов и повреждений, а именно образование зон разрушений и разуплотнения железобетона на колонне. Наиболее характерным и опасным дефектом является потеря несущей способности одной из колонн мостового переезда, а именно крайней, как наиболее подверженной внешним воздействиям и испытывающей наибольшие эквивалентные напряжения von Misеs [8].

На эпюре перемещений по вертикали (рисунок 10) показано критическое изменение положения колонны и опирающихся на нее балок из-за

уменьшения ее несущей способности вследствие образования дефектов. Происходит критическое смещение оголовка колонны, вследствие чего происходит потеря устойчивости опирающихся на нее балок. Данные результаты свидетельствует о потери несущей способности именно вертикального элемента - колонны [9].

Рисунок 10 - Эпюра перемещений по вертикали элементов мостового переезда при потере несущей способности колонны из-за образования дефектов

Перемещения по горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон опирания железобетонных балок, а перемещения по горизонтали поперек несущих элементов показывают критическое смещение крайней колонны, которая тянет за собой и опертые на нее железобетонные балки [10].

При сравнении эпюр эквивалентного напряжения von Mises и перемещений (рисунок 11) наибольшие напряжения возникают по вертикали несущих элементов мостового переезда, а именно на оголовке крайней колоны и горизонтальных балках, опертых на нее. Данные результаты свидетельствуют о возникновении критических напряжений в местах опирания,

в два раза больших, чем в других колоннах мостового переезда, что приводит к разрушению рассматриваемых элементов и потере несущей способности всего сооружения.

Рисунок 11 - Эпюры перемещений по горизонтали поперек элементов мостового переезда при потере несущей способности колонны из-за образования дефектов

В дальнейшем произведено моделирование дефектов на колонне в виде образование пустот и разуплотнений железобетона с потерей несущей способности до половины ее площади. Размеры диаметра дефекта начинались от 50 мм до 100 мм. В ходе произведенных моделирований был установлен интенсивный порог опасности, начиная с диаметра 100 мм, происходит разрушение колонны. Получены эмпирические зависимости:

- группа 1 без дефектов:

GVЭ = 0,000311а2 + 0,0422а - 0,131; R2 = 0,97;

- группа 2 с потерей несущей способности:

GVЭ = 0,00148а2 + 0,0295а - 0,0479; R2 = 0,98, где а - математические постоянные;

Я2 - коэффициент корреляции.

В результате проведенных численных экспериментов были выделены зоны образования дефектов и повреждений на несущих элементах мостовых переездов через водопроводящие каналы, которые могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что позволяет упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования и определения точек, в которых необходимо производить измерения прочности бетона при проведении натурных обследований. В связи с этим произведено моделирование дефектов на колонне в виде образования пустот и разуплотнений железобетона с размерами диаметром от 50 мм до 100 мм. Установлен интенсивный порог опасности образования пустот и разуплотнений железобетона, начиная с диаметра 100 мм.

Выводы:

1 Национальный стандарт ГОСТ Р 22.1.12-2005 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования» позволяет сформулировать основные требования к мониторингу водопроводящих сооружений (каналы, акведуки, дюкеры, гидротехнические туннели, регуляторы водосбросы, водоспуски на магистральных каналах, мостовые переезды и т.д.) мелиоративных систем.

2 Качественный мониторинг водопроводящих сооружений с использованием инструментальных методик и численных методов позволяет оценить изменение напряженно-деформированного состояния при различных сочетаниях постоянных, временных, кратковременных и особых нагрузок.

3 Анализ неудовлетворительного состояния отдельных водопроводящих сооружений юга России свидетельствует о высоком количестве сооружений с неудовлетворительным и опасным уровнем безопасности. Это объясняется недостаточностью выполняемых ремонтных работ, нерегулярностью уходных работ, низкой квалификацией эксплуатационного персонала.

Список использованных источников

1 Сборник нормативно-методических документов, применяемых при декларировании безопасности гидротехнических сооружений / В. А. Воло-сухин [и др.]; под общ. ред. В. А. Волосухина // Академия безопасности ГТС. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. - Т. 1. - С. 385-397.

2 Бандурин, М. А. Обследование состояния оросительных лотковых каналов Азовской оросительной системы неразрушающими методами [Электронный ресурс] / М. А. Бандурин // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. -Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2006. - № 24. - С. 72-76.

3 Волосухин, В. А. Особенности применения моделирования аварийных мостовых переездов через водопроводящие каналы при проведении эксплуатационного мониторинга / В. А. Волосухин, М. А. Бандурин // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия Технические науки. - 2012. - № 5. - С. 82-86.

4 Бандурин, М. А. К вопросу о состоянии железобетона лотковых каналов Азовской оросительной системы [Электронный ресурс] / М. А. Бандурин // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2006. - № 24. - С. 82-86.

5 Бандурин, М. А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений / М. А. Бандурин // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия Технические науки. - 2005. - Прилож. № 1. - С. 141-147.

6 Бандурин, М. А. Моделирование напряженно-деформированного

состояния оросительного лотка-оболочки [Электронный ресурс] /

М. А. Бандурин // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2006. - № 24. - С. 76-81.

7 Бандурин, М. А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений / М. А. Бандурин // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 2. - С. 693-696.

8 Волосухин, В. A. Вопросы моделирования технического состояния водопроводящих каналов при проведении эксплуатационного мониторинга / В. А.Волосухин, М. А. Бандурин // Мониторинг. Наука и безопасность. - 2012. - № 1. - С. 70-74.

9 Способ проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния лотковых каналов оросительных систем: пат. 2368730 Рос. Федерация: МПК E 02 B 13/00 / Волосухин В. А., Бандурин М. А.; заявитель и патентообладатель Новочерк. гос. мелиор. акад. - № 2008100926/03, заявл. 09.01.08; опубл. 12.09.08, Бюл. № 28. - 7 с.

10 Бандурин, М. А. Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния Ташлинского дюкера на Право-Егорлыкском канале / М. А. Бандурин // Инженерный вестник Дона. -2012. - № 3. - С. 274-278.

Бандурин Михаил Александрович - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), доцент.

Контактный телефон: 8-904-347-88-01.

E-mail: chepura@mail.ru

Bandurin Mikhail Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Associate Professor.

Contact telephone number: 8-904-347-88-01.

E-mail: chepura@mail.ru