Влияние усталостных повреждений в элементах объединения на общую надежность сталежелезобетонных пролетных строений

В работе [1] рассматриваются причины обрушения мостов. Значительная часть обрушений рассмотренных сооружений произошла из-за отказов различных элементов из-за усталостных разрушений. Говоря об элементах объединения стальной балки и железобетонной плиты в сталежелезобетонных мостах, следует упомянуть обрушение разрезного пролетного строения в 2015 в г. Вельск [2]: одна из вероятных причин - это отказ элементов объединения. В целом тема влияния выносливости элементов конструкций пролетных строений на общую надёжность исследована в достаточной мере, например в работах [3-5] приведены результаты исследований влияния выносливости главных несущих элементов на надежность пролетного строения. Во всех указанных работах рассматривался отказ элемента ввиду исчерпания его выносливости, который приводил к отказу всей системы по критерию первой группы предельных состояний. В то же время вопрос выносливости элементов объединения стальных балок и железобетонной плиты является малоизученным.

Кроме того, ремонт элементов объединения требует значительных трудозатрат и введение ограничений или полного прекращения движения по мостовому сооружению. Ввиду указанных факторов исследование зависимости надежности пролетных строений от усталостных разрушений элементов объединения является важной и актуальной проблемой.

Материалы и методы

На мостовые сооружения действуют временные вертикальные циклические нагрузки различной интенсивности, что приводит к усталостным повреждениям различных конструкций, в том числе элементов объединения в сталежелезобетонных пролетных строениях. Экспериментальное исследование [6] показало, что при высокой интенсивности движения тяжелых транспортных средств существуют значительные риски разрушения гибких штыревых упоров ввиду накопления ими усталостных повреждений. Согласно исследованию [7] сдвиговая жесткость гибких штыревых упоров снижается минимум в 2 раза при достижении показателя накопленных повреждений 0,2 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость между показателем жесткости и показателем использования ресурса

В исследовании [8] авторами был проведен анализ влияния отказов элементов объединения на эксплуатационную надежность сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов. В ходе работы было рассмотрено 5 пролетных строений, которые моделировались с исключением из работы различных групп упоров. В результате численного экспе- римента были получены значения провисаний пролетных строений от постоянных нагрузок при отказе элементов объединений над крайними опорами (сценарий A1 4), над промежуточными опорами (сценарий A2 4), над всеми опорами (сценарий A3 4), в пролетах (сценарий B4) и при отказе всех упоров (сценарий C4) (рис. 2).

Максимальные допилимтельные вертикальные перемещения (провисания, мм) от постоянных нагрузок

Рис. 2. Провисания в зависимости от сценария отказа упоров

В исследовании [9] определяется численная характеристика надежности сталежелезобетонной балки – индекс надежности β с учетом накопления усталостных повреждений в гибких штыревых упорах. Надежность рас- сматривается с точки зрения наступления предельного состояния I группы.

В результате численного эксперимента авторами была получена диаграмма зависимости значения индекса надежности от количества циклов нагружения балки (см. рис. 3).

При наработке в 54 миллиона циклов индекс надежности снизился до целевого показателя (согласно [10] для базового класса надежно- сти в течении 50 лет β ≥ 3,8) в результате усталостных повреждений гибких штыревых упоров.

Рис. 3. Зависимость индекса надежности β от числа циклов нагружения

Выводы

Анализируя рассмотренные исследования и эксперименты, можно сделать вывод о том, что элементы объединения железобетонной плиты и стальной балки получают значительные усталостные повреждения в ходе эксплуатации сталежелезобетонных пролетных строений из-за временных регулярно обращающихся тяжелых нагрузок. В результате указанных повреждений сдвиговая жесткость отдельных упоров сильно снижается, что приводит к снижению общей жесткости пролетных строений, провисаниям и увеличению прогибов от временных нагрузок.

Данное явление снижает эксплуатационную надежность мостовых сооружений. Кроме того, снижение жесткости элементов объ- единения приводит к увеличению напряжений в главных балках, снижению надежности по I группе предельных состояний и снижению грузоподъемности пролетных строений.

Ввиду высокой ответственности и стратегического значения для транспортной системы надежность является одним из важнейших свойств мостовых сооружений, поэтому еще на стадии проектировании сталежелезобетонных конструкций следует уделять внимание вопросам обеспечения выносливости элементов объединения на проектируемый срок эксплуатации во избежание значительного снижения общей надежности сооружений в результате накопления усталостных повреждений в упорах.