МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная служба дорожного хозяйства

МЕТОДИКА
РАСЧЕТНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА
СЛУЖБЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

УТВЕРЖДЕНО

18.04.2001 г.

распоряжением № 79-р

Министерства

транспорта РФ

МОСКВА 2002

Настоящая методика позволяет определять расчетом или принимать предельные сроки службы железобетонных пролетных строений на разных этапах их функционирования.

При анализе технико-экономических показателей мостов или установлении приоритета капитальных вложений в будущие сооружения, срок службы этих сооружений принимается по нормативным показателям, полученным статистическим путем на основании обработанных данных о фактическом состоянии (износе) более чем 3000 пролетных строений.

На стадии проектирования рассчитывается проектный срок службы моста с конкретными характеристиками материалов для пролетных строений. При определении проектного срока службы учитывается ориентация сооружения, интенсивность движения на проектируемом участке, климатический район, принятые характеристики бетона и арматуры и размеры сечений. Представляется возможным проектирование сооружения с любым заданным сроком службы.

На стадии строительства определяется прогнозируемый срок службы реально построенного пролетного строения с учетом реальных параметров материалов, дефектов изготовления конструкций и отступлений от требуемой технологии. Расчеты выполняются по предельным состояниям, оговоренным в СНиП 2.05.03-84^*, используя фактические прочностные характеристики материалов и учитывая величины дополнительных напряжений в бетоне, обусловленных технологическими отступлениями.

Остаточный ресурс эксплуатируемого пролетного строения определяется перерасчетом конструкции на основании фактических и прогнозируемых характеристик материалов. Приводится функция деградации материалов, позволяющая определять их характеристики для любого периода, t_i.

Методика расчетного прогнозирования срока службы учитывает требования действующего СНиП 2.05.03-84^* по расчету железобетонных пролетных строений автодорожных мостов. Методика включает лишь часть, хотя и большую, расчетных моделей, для которых СНиПом определяются конкретные требования.

Приведенные расчетные модели и критерии отказа дают максимальное представление о процессе накопления повреждений в материалах и конструкциях и отражают результаты исследований материалов и конструкций, а также результаты исследований, проведенных большим числом специалистов в области надежности, долговечности и оценки состояния мостовых сооружений. Данная Методика в основном касается балочных конструкций, хотя может быть использована, с определенными уточнениями, для прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений иных статических схем или конструкций, железобетонных опор, железобетонной плиты сталежелезобетонных пролетных строений.

Методика предназначена для использования проектными и научно-исследовательскими организациями, а также органами управления эксплуатацией мостовых сооружений.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Обширная информация о характере возникновения и накопления повреждений в железобетонных мостовых конструкциях делает возможным классификацию и разделение всех факторов, определяющих уровень сопротивляемости элементов конструкции, на две группы: - производственные факторы и факторы окружающей среды.

К производственным факторам относятся:

·       качество конструктивных решений;

·       уровень и качество изготовления и монтажа конструкций;

·       гравитационные силы и силы трения, возникающие как от временной, так и от постоянной нагрузки;

·       инерционные, центробежные усилия от временной нагрузки и др.

К факторам окружающей среды относятся:

·       сейсмические силы, характер и режим их воздействия;

·       физико-химические процессы, протекающие в материалах при изготовлении и эксплуатации;

·       климатические воздействия;

·       агрессивность воздушной и водной среды и др.

Допущенные при изготовлении и монтаже дефекты и повреждения, развиваясь в процессе эксплуатации, снижают работоспособность конструкции. Постепенное «старение» железобетонной конструкции и потеря ею нормируемых качеств, вследствие необратимого накопления разного рода повреждений, проявляется в деградации структуры, снижении прочности бетона и образовании разного рода трещин. Начало и развитие этого процесса обусловлено большим, трудно обозримым количеством комбинаций воздействия вышеперечисленных факторов на элементы сооружения. Важнейшими из них являются: многократно повторяющиеся воздействия временных нагрузок, «отжимающих» (снижающих) запас релаксационных пластических свойств бетона, попеременное замораживание и оттаивание водонасыщенных зон конструкции, сезонные и суточные перепады температур воздуха, разного рода процессы коррозии, протекающие в бетоне вследствие карбонизации, капиллярной усадки, выщелачивания агрессивной влагой (с солями) цементного раствора и др.

Ухудшение эксплуатационных качеств конструкции проявляется также в снижении прочности бетона и уменьшении площади поперечных сечений бетонных элементов и арматурной стали в результате повреждения коррозией. Развитие таких повреждений, помимо прямого снижения несущей способности, может привести к потере сцепления арматуры с бетоном и, соответственно, к изменению расчетной статической схемы конструкции, увеличению прогибов и опасному дополнительному раскрытию трещин. Такой медленно протекающий процесс деградации, снижающий работоспособность конструктивных элементов сооружения, поддается наблюдению, расчетной оценке и может быть приостановлен. Расчетную работоспособность конструкции можно восстановить путем ремонта и усиления.

В настоящее время, в соответствии с нормами (СНиП, ГОСТ), методика контроля предупреждения усталостных процессов регламентирована только расчетом на выносливость, причем, по очень примитивной, далекой от реальной жизни сооружения модели воздействий временных нагрузок. Эта модель односторонне и приблизительно отражает процесс потери конструкцией ее свойств за условный период времени (порядка 80 - 100 лет). Представляется, что на достигнутом уровне понимания и проработки проблемы долговечности строительных материалов и конструкции, предлагаемая методология расчетного контроля срока службы, являясь интегральным инструментом оценки долговечности, способна значительно лучше оценить эффективность работы конструкции под всеми видами нагрузок и воздействий в течение установленного или требуемого времени ее эксплуатации.

Итак, методология расчетного контроля долговечности искусственных сооружений, в сочетании с грамотной и целенаправленной диагностикой позволяет:

- «перевооружить» всю систему эксплуатации мостов, для которой в настоящее время содержание, характер ремонта, межремонтные сроки, режим пропуска нагрузок устанавливаются на основании субъективных экспертных оценок опасных состояний;

- упорядочить экономические оценки мероприятий по поддержанию безопасного уровня эксплуатации мостов;

- планировать очередность и виды ремонтных работ, обеспечивая разумное распределение финансовых и материальных ресурсов в условиях жестких ограничений и малых возможностей служб эксплуатации.

Ожидаемая технико-экономическая эффективность предлагаемого подхода к расчетной оценке сроков службы железобетонных конструкций видится в следующем:

1. С определенной вероятностью может быть дана количественная оценка времени безопасной эксплуатации конструкции.

2. Опираясь на научно обоснованный анализ фактических данных о реальном поведении конструкции, возможен прогноз момента наступления разного рода отказов конструкции под нагрузками.

3. Пользуясь расчетным прогнозом (с учетом фактического состояния), можно оценивать запасы прочности и надежности для любого момента времени.

4. В период эксплуатации можно контролировать напряженное состояние и развитие деструктивных процессов, предупреждая аварийное состояние конструкции.

5. Открывается возможность корректировки и уточнения срока службы в ситуациях, когда изменяется режим эксплуатации сооружения (величина и цикличность временных нагрузок, динамические параметры и др.), а также обоснованно допускаемого увеличения интенсивности временных нагрузок, повышения скорости движения, но с учетом состояния конструкции по диагностическим данным, с расчетом и установкой уменьшенного, по сравнению с проектным, срока службы, т.е. обоснованного регулирования долговечности сооружения.

6. Предоставляется возможность обоснованного планирования сроков профилактических работ, а также межремонтных сроков.

7. Возможно определение режимов дальнейшей эксплуатации конструкции и прогноза ее срока службы после ремонта и реконструкции.

Во избежание чрезмерных ожиданий успеха от реализации предлагаемой Методики, следует понимать, что при существующем уровне знаний поведения железобетонных конструкций в эксплуатации, достоверность длительного (до 100 лет) прогноза срока службы таких капитальных сооружений, как мосты, еще недостаточно высока. Здесь необходим целенаправленный и значительно больший объем информации о поведении мостовых сооружений в эксплуатации, чем, например, при оценке ресурса меньших механизмов. В последнем случае ресурс до наработки до отказа на порядок меньше, а информации о времени фактического износа меньших механизмов неизмеримо больше. Ожидать реального успеха от реализации предлагаемой Методики можно лишь при условии, что будут созданы и освоены автоматизированные расчетные комплексы, действующие совместно с банком данных, содержащим необходимый объем статистической информации о многочисленных видах «заболеваний» железобетонных мостовых конструкций в процессе эксплуатации.

Учитывая изложенное, «Росавтодор» поручил трем научным коллективам подготовить расчетную методику, которая давала бы возможность максимально приблизиться к поставленным целям и достичь упомянутых результатов. Настоящая Методика предполагает, что все необходимые расчеты будут выполняться с использованием расчетных комплексов, учитывающих различные исходные статистические параметры сооружений и позволяющих вести вычисления в диалоговом режиме. Разработчики располагают такими программами к ПЭВМ, построенными на базе требований СНиП 2.05.03.84^* [1], которые могут оказать помощь в создании аналогичных комплексов в проектных организациях и дирекциях автомобильных дорог.

В разработке методики участвовали научные коллективы:

РОСДОРНИИ	Руководитель темы, координация работ - Канд. техн. наук	Шестериков В. И. (глава 2; пункты 1.1 - 1.3; 3.4 - 3.7; 4.1; 4.2; 4.4; 5.1; 5.5; подпункты 5.2.1; 5.2.2; 5.2.4; 5.2.5)
МИИТ	Д-р техн. наук, профессор	Иосилевский Л. И. (введение, пункты - 1.1; 1.4; 5.3; 5.4; 5.6)
	Д-р техн. наук, профессор	Носарев А. В. (пункт 5.6)
	Д-р техн. наук, профессор	Алмазов В. О. (пункты 3.1; 4.2)
	Д-р техн. наук, профессор	Чирков В. П. (пункт 4.3. подпункт 5.2.3)
ЦНИИС	Канд. техн. наук	Цернант А. А. (глава I, участие)
	Канд. техн. наук	Антропова Е. А. (пункт 3.3, подпункты 3.5.2; 5.2.3)
	Д-р техн. наук, профессор	Пассек В. В. (пункт 3.2)

Кроме того, при подготовке отдельных глав, определении состава документа и разработке базовых материалов принимали участие: д-р экон. наук, профессор Дингес Э. В (МАДИ), канд. техн. наук Улупов А. С. (МИИТ), канд. техн. наук Васильев А. И., Егорушкин Ю. М., Заковенко В. В., канд. экон. наук Бегун И. А. (ЦНИИС), канд. техн. наук Мусатов С. А. (РОСДОРНИИ).

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ, НА КОТОРЫХ БАЗИРУЕТСЯ МЕТОДИКА

1.1. Стратегия эксплуатации мостов

Мостовое сооружение, а следовательно, и пролетное строение за свою жизнь проходит три важнейших этапа эксплуатации.

Первый этап, когда построенное сооружение эксплуатируется какое-то время без снижения надежности. За этот период протекают основные длительные деформации (усадка и ползучесть), возрастает прочность бетона, нормально функционирует система водоотвода и не нарушается изоляция у деформационных швов, водоотводных трубок, стоек ограждений и тротуаров. Вероятность безотказной работы пролетного строения сохраняется на уровне (согласно СНиП 2.05.03-84^* [1]) Р_(t) = 0,9986 (индекс надежности равен 3,0). В течение указанного периода за мостом осуществляется лишь уход¹. Продолжительность этого периода зависит от качества изготовления и монтажа конструкций, и для пролетных строений он составляет, как правило, от 5 до 15 лет (рис. 1.1, точка А).

¹ Перечень работ по содержанию и ремонту пролетных строений и мостовых сооружений в целом приведен в классификации ремонтных работ [2]. Основные положения, касающиеся этих работ, даны в Приложении 1.

Рис. 1.1. График снижения надежности (Н) сооружения:

Т₀ - период приработки; Т_р - работоспособность; Т_сл - предельный срок службы.

Второй этап эксплуатации характеризуется появлением и развитием дефектов, изменением свойств бетона и коррозией арматуры. Появляются отказы в элементах, срок службы которых ниже, чем несущих конструкций пролетных строений (покрытие, деформационные швы, изоляция...). Дефекты и отказы влияют на несущую способность балок пролетных строений и распределение временной нагрузки между ними. Мост продолжает эксплуатироваться в прежнем режиме, т.е. без каких-либо ограничений, хотя надежность пролетных строений постепенно снижается. Продолжительность второго этапа определяется временем, за которое вероятность безотказной работы балок пролетного строения снижается с 0,9986 до 0,9, т.е. индекс надежности уменьшается с 3,0 до 1,282 (» 1,3). В этот период за мостом ведется уход и проводятся плановые профилактические работы в рамках работ по содержанию.

Продление указанного этапа возможно при проведении планово-предупредительных работ (ППР) - см. рис. 1.1, линия «а» - «б».

Снижение индекса надежности с 3,0 до 1,3 в течение второго этапа (см. рис. 1.1, точка Б) означает, что дальнейшая эксплуатация моста по первоначальной схеме невозможна и что мост должен быть закрыт на ремонт или реконструкцию, поскольку работоспособность пролетных строений исчерпана. Если выполнение ремонта задерживается и по каким-то причинам он должен быть перенесен на более поздний срок, то временно, до проведения ремонта, дальнейшая эксплуатация моста возможна лишь при изменении условий нагружения сооружения, т.е. при введении ограничений по массе временной нагрузки.

Третий этап эксплуатации сооружения характеризуется двумя факторами:

·       наличием в конструкциях, и в первую очередь в пролетных строениях, дефектов, снижающих их несущую способность и грузоподъемность моста в целом;

·       введением ограничений по массе транспортного средства, которое может безопасно двигаться по мосту в неконтролируемом режиме, и периодическим последующим снижением массы транспортного средства с целью обеспечения требуемой надежности.

Продолжительность третьего этапа (см. рис. 1.1, участок Б - В) определяется временем, необходимым для достижения сооружением такого состояния, когда, при максимально возможных ограничениях по временной нагрузке, вероятность безотказной работы пролетных строений снова достигает р = 0,90.

На третьем этапе эксплуатации моста обязательно должен быть выполнен его ремонт, не дожидаясь наступления момента В (см. рис. 1.1), или предпринята серия ремонтных мероприятий (определяется экономическими расчетами), включая планово-предупредительные работы, цель которых отодвинуть момент ремонта или восстановления за счет изменения темпов деградации материалов.

1.2. Пороговые уровни (уровни надежности и критерий невозможности эксплуатации)

Уровни надежности определяются стратегией эксплуатации. В Методике рассматриваются два основных уровня надежности - Н₁ и Н₂ (см. рис. 1.1).

Уровень Н₁ характеризуется значением вероятности безотказной работы пролетных строений, Р = 0,90, в условиях действия проектных нагрузок. Этому уровню соответствует временной отрезок Т_р, называемый работоспособным периодом (условно, работоспособностью) и определяемый для проектируемых, строящихся или недавно построенных сооружений. При достижении уровня Н₁ снижается грузоподъемность пролетных строений или выполняется ремонт.

Уровень Н₂ характеризуется значением вероятности безотказной работы пролетных строений, Р = 0,50, в условиях действия проектных нагрузок. Этому уровню соответствует предельный износ пролетного строения, а его дальнейшая эксплуатация недопустима даже при пониженной эксплуатационной нагрузке. Первое снижение допустимой нагрузки происходит в возрасте пролетных строений до Т_р. Последующие снижения нагрузки возможны на участке Б - В (Б^* - В^*), что может продлить период эксплуатации до достижения уровня Н₂.

Критерием невозможности эксплуатации сооружения, установленным современными потребительскими требованиями к автодорожным мостам (пропускать безопасно по мосту движущиеся по дорогам транспортные средства), является показатель грузоподъемности:

Q ³ 18 т для автомобильной нагрузки в неконтролируемом режиме движения;

Q ³ 20 т для автомобильной нагрузки в потоке по полосе движения (регулируемый режим);

Q ³ 32 т для одиночной нагрузки.

1.3. Принцип расчетности

Пролетные строения автодорожных мостов, запроектированные в полном соответствии с требованиями СНиП 2.05.03-84^*, имеют нормативные сроки службы.

Проектный срок службы пролетных строений проектируемых конкретных мостов определяется расчетным путем с учетом:

q      - принятой конструкции мостового полотна и, в первую очередь, системы водоотвода и гидроизоляции;

q      - предполагаемого уровня напряжений в бетоне и арматуре на стадии эксплуатации;

q      - географического положения объекта (климатический район).

Прогнозируемый срок службы пролетных строений мостов в возрасте не более Т₀, рассчитывается, в соответствии со СНиП, на основании фактического начального резерва и с учетом таких фактических данных, как:

Ø     - состояние бетона и арматуры конструкций, полученных с завода;

Ø     - отступления, допущенные при строительстве;

Ø     - интенсивность и состав движения и изменение этих данных во времени;

Ø     - постоянная нагрузка.

Расчеты выполняются по всем моделям отказа, приведенным в СНиПе для плит и балок. Используются фактические статистические данные о материалах и нагрузках для вероятностных моделей износа конструкций. При обследовании и диагностике мостов на стадиях строительства собирается информация об основных статистических параметрах, достаточная по содержанию и представительная по объему, для реализации основной цели расчета: определения сроков службы мостов с учетом фактических дефектов и повреждений (деградации) бетона и арматуры, изменения геометрических размеров.

Для расчетов используются апробированные методики определения влияния различных дефектов на несущую способность элементов и грузоподъемность пролетного строения.

Остаточный ресурс или остаточный срок службы эксплуатируемого пролетного строения определяется периодом эксплуатации до достижения предельного износа. Момент наступления предельного износа (момент невозможности дальнейшей эксплуатации) устанавливается на основании графика снижения грузоподъемности, построенного по результатам перерасчета конструкции.

При перерасчете конструкции учитывается:

¨     - деградация бетона и арматуры (изменение прочности сечения);

¨     - прогноз изменения характеристик бетона на момент t_i -прогноз изменения прочности на сжатие и площади сечения;

¨     - прогноз изменения характеристик арматуры на момент t₁ - прогноз изменения сечения, обусловленного коррозией;

¨     - деградация напрягаемой арматуры определяется комплексным показателем - снижением величины предварительного обжатия бетона, с учетом коррозии, неравномерности натяжения, проскальзывания или обрыва проволок;

¨     - снижение поперечной жесткости пролетного строения, оценивается состоянием диафрагм или бетона омоноличивания.

1.4. Расчетные модели отказов (износа)

Деградация свойств материалов в железобетонной конструкции вызывается неблагоприятной комбинацией воздействий статически и динамически действующих внешних гравитационных сил и внутренних самоуравновешивающихся полей напряжений. Последние вызваны попеременным замораживанием и оттаиванием воды в порах водонасыщенных участков бетона, капиллярной усадкой, давлением на бетон изнутри продуктов коррозии арматуры, суточным перепадом температур воздуха, солнечной радиацией и другими факторами.

Деградация структуры бетона железобетонных пролетных строений, его износ зависят главным образом от комбинации силовых полей в бетоне. Поэтому принятая в действующих нормативных документах методика оценки надежности в форме сопоставления комбинации суммарных напряжений (Ss_i) с предельными значениями прочности, изменяющейся во времени, может быть использована и в оценке ресурса (долговечности) конструкции.

Главным в сопоставлении напряжений с прочностными возможностями материалов, обычно используемых при проектировании, является то, что сами величины напряжений, как и надежность, изменяются во времени вследствие деструктивных процессов в бетоне, изменений деформативных свойств конструктивных элементов, нарушений связей этих элементов между собой и др.

При расчетном прогнозировании рассматриваются следующие модели отказов (износа):

·       - износ многократно сжимаемого бетона в результате предельного поперечного растяжения с образованием и развитием продольно-ориентированных трещин, оцениваемых критическим коэффициентом, m [3], или износ, определяемый развитием микротрещин и сдвигов в бетоне, контролируемых коэффициентом критических напряжений К_1с [4 - 6];

·       - износ водонасыщенного бетона в результате разрыва внутренних связей в процессе попеременного замораживания и оттаивания влаги в порах бетона при колебании температур воздуха [7];

·       - износ вследствие деградации структуры бетона плит проезжей части пролетных строений, вызванной фильтрацией и выщелачиванием агрессивной влагой (с солями) цементного раствора, а также в результате возросшего воздействия временной нагрузки в результате разрушения асфальтобетонного покрытия [8];

·       - потеря карбонизированным защитным слоем бетона своих защитных свойств [9];

·       - износ оголенной арматуры в результате ее коррозии [10];

·       - отказ, вызванный образованием горизонтальных трещин в зонах сопряжения плиты с ребром с последующим отсечением плиты от ребра, и, соответственно, с резким уменьшением геометрических характеристик рабочих сечений и снижением грузоподъемности конструкции [11];

·       - разрушение вертикальной арматуры (хомутов) из-за резкого возрастания напряжений в ситуации, когда в стенках возникают наклонные трещины, пересекающие вертикальные хомуты и наклонную преднапряженную арматуру [12].

Отказы возникают в различных комбинациях и сочетаниях. Вероятность их реализации в разных конструкциях различна. Практически все предсказуемые износы относятся к категориям медленно протекающих, постепенных отказов. Они могут быть своевременно обнаружены и приостановлены или устранены в результате ремонта.

Таким образом, ресурс пролетного строения в процессе эксплуатации может быть снижен или исчерпан в результате воздействия следующих факторов или их сочетаний (рис. 1.2):

Рис. 1.2. Контролируемые расчетом виды повреждения пролетного строения.

1 - разрушения арматуры и бетона плиты; 2 - разрушения продольного шва омоноличивания; 3 - разрыва хомутов в наклонном сечении; 4 - разрушения арматуры в середине пролета; 5 -разрыва хомутов по продольной трещине в месте примыкания плиты к ребру главной балки; 6 - разрушения бетона сжатой зоны в середине пролета; 7 - разрыва диафрагм.

Воздействие окружающей среды в комбинации с другими воздействиями сказываются, прежде всего, на прочности бетона и, соответственно, на перегруппировке напряжений в сечении. Зная эти два важнейших параметра в разные моменты технической диагностики и прогнозируя процесс изменения этих параметров в будущем, можно предвидеть (в доверительных интервалах) время, когда следует принимать решения о ремонте или замене конструктивного элемента.

ГЛАВА 2. НОРМАТИВНЫЕ СРОКИ СЛУЖБЫ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

Нормативные сроки службы используются при выполнении технико-экономического обоснования инвестиций в строительство мостов [13]. При этом, в рассматриваемых стратегиях учитываются периодичность проведения профилактических работ, время реализации ППР и ремонта, момент замены пролетных строений (срок службы) [14]. Кроме того, нормативные сроки могут применяться при разработке проекта эксплуатации мостового сооружения [15].

2.1. Классификация элементов

2.1.1. Нормативные сроки службы определяются для следующих элементов и участков железобетонных пролетных строений - на момент достижения ими предельного износа:

·       - фасадная поверхность конструкций;

·       - крайние блоки;

·       - средние блоки;

·       - плита проезжей части;

·       - диафрагмы или другие связи, продольные швы омоноличивания (на момент превращения связи в шарнирную).

2.1.2. Нормативные сроки службы для типовых конструкций, объединяются в четыре группы:

I - железобетонные плиточные пролетные строения с пустотными плитами и напрягаемой арматурой;

II - то же, сплошного сечения;

III - железобетонные ребристые пролетные строения с обычной арматурой; монолитные или сборные, с диафрагмами или без диафрагм;

IV - то же, с предварительно-напряженной арматурой.

2.1.3. Период приработки конструкций, Т₀, принимается в зависимости от компоновки элементов мостового полотна двух видов:

А - современная компоновка, предусматривающая, что -

Ø     проезжая часть имеет требуемые продольные и поперечные уклоны и обратный уклон поверхности тротуара от края до оси водоотводных трубок;

Ø     тротуары монолитные, полученные омоноличиванием пространства между карнизом и цоколем ограждения;

Ø     гидроизоляция уложена без разрывов по всей ширине и усилена в зоне расположения закладных деталей под стойки ограждения;

Ø     деформационные швы герметичны (рис. 2.1, а);

Б - компоновка, использовавшаяся в типовых проектах до 1980 г. и встречающаяся на эксплуатируемых сооружениях, в которой:

q      проезжая часть имеет двускатный профиль с достаточным поперечным уклоном;

q      сборные тротуарные блоки уложены на выравнивающий слой;

q      гидроизоляция доведена только до тротуаров;

q      карнизы отсутствуют; деформационные швы герметичны (рис. 2.1, б).

Рис. 2.1. Компоновка элементов мостового полотна:

А - гидроизоляция на всю ширину; Б - гидроизоляция только между тротуарами.

2.2. Нормативный срок службы

2.2.7. Нормативный срок службы определяется временем достижения предельного физического износа, значения которого приведены для железобетонных пролетных строений в таблицах 2.1, 2.2, 2.3. Функция износа соответствует функции отказа из теории надежности (рис. 2.2 и формула (2.1)).

                                               (2.1)

где е - натуральное число;

t_i - временной параметр (годы);

Т₀ - период приработки;

l - показатель функции износа, отражающий качество конструкций после изготовления и монтажа, качество содержания по принятой стратегии эксплуатации, реальные транспортные и природно-климатические условия функционирования объекта (средняя статистическая величина, полученная для каждого элемента и пролетного строения в целом по результатам обследования более 1000 мостов [15, 16]).

Рис. 2.2. Условный нормативный график долговечности.

Таблица 2.1

Нормы износа пролетных строений автодорожных мостов

Нормативным сроком службы предусматривается, что, в случае потери работоспособности, выполняется ремонт пролетного строения или опоры, после чего конструкция вновь эксплуатируется.

Работоспособность конструкций и элементов (Т_р) определяется моментом достижения допустимого износа (см. табл. 2.1), который требует проведения ремонтных работ (см. рис. 2.2, [И]).

При нормировании износа и периода работоспособного состояния (работоспособность) было учтено, что на сооружении проводятся работы по постоянному уходу, ежегодные затраты на которые составляют не менее 0,5 % от стоимости строительства объекта, и профилактические работы, периодичностью 3 - 5 лет. Увеличение затрат на содержание и снижение периодичности профилактических работ способствуют увеличению периода эксплуатации до потери сооружением работоспособного состояния и увеличению сроков службы по сравнению с нормативными.

Параметры долговечности (l, Т₀, Т₁, Т_р и Т_пред.) для различных элементов и конструкций пролетных строений приведены в таблицах 2.4 - 2.8.

Таблица 2.2

Нормативные сроки ремонта и перестройки железобетонных пролетных строений при условии выполнения работ по уходу и профилактике (для условий регионов, кроме «Юга»)

Таблица 2.3

Нормативные сроки ремонта и перестройки железобетонных пролетных строений при условии выполнения работ по уходу и профилактике (для условий Южного региона)

Таблица 2.4

Параметры долговечности элементов железобетонных ребристых пролетных строений с обычной арматурой

Примечание. Здесь и далее Т^* - справочные данные (не нормируются) для случая отсутствия ухода и профилактики.

Таблица 2.5

Параметры долговечности элементов железобетонных ребристых пролетных строений с предварительно-напряженной арматурой для условий «Центра» и «Севера»

Таблица 2.6

Параметры долговечности элементов железобетонных плитных пролетных строений для условий «Центра» и «Севера»

Таблица 2.7

Параметры долговечности элементов железобетонных ребристых пролетных строений с обычной арматурой для условий «Юга»

Таблица 2.8

Параметры долговечности элементов железобетонных ребристых пролетных строений с предварительно-напряженной арматурой для условий «Юга»

Таблица 2.9

Параметры долговечности элементов железобетонных плитных пролетных строений для условий «Юга» (гидроизоляция по всей ширине моста)

2.2.2. Накопление повреждений в конструкциях графически представлено на рисунках 2.3 - 2.9.

На приведенных рисунках область накопления повреждений разделена на 3 участка:

И £ И₁ - участок, в пределах которого требуются затраты лишь на содержание (надзор, уход и профилактика);

И₁ £ И £ [И] - участок, в пределах которого выполняются работы по мелкому ремонту (ППР - ремонт элементов);

[И] £ И £ И_пред. - участок, в пределах которого требуются затраты на ремонт всего пролетного строения (усиление, замена отдельных элементов, полное восстановление).

Рис. 2.3. График долговечности железобетонных ребристых пролетных строений с обычной арматурой для условий «Центра» и «Севера» (табл. 2.4, пп. 1 и 2):

1 и 3 - сборные диафрагменные, на дорогах I - II категорий, с гидроизоляцией, соответственно, в пределах габарита (l = 0,015) и по всей ширине (l = 0,0125);

2 и 4 - сборные диафрагменные, на дорогах III - IV категорий, с гидроизоляцией, соответственно, в пределах габарита (l = 0,012) и по всей ширине (l = 0,01).

Рис. 2.4. График долговечности железобетонных ребристых пролетных строений с обычной арматурой для условий «Центра» и «Севера» (табл. 2.4, пп. 3 и 4):

1 и 2 - сборные бездиафрагменные пролетные строения, соответственно, на дорогах III - IV категорий (l = 0,009) и на дорогах I - II категорий (l = 0,01);

3 - монолитные ребристые пролетные строения (l =0,009).

Рис. 2.5. График долговечности железобетонных ребристых пролетных строений с предварительно напряженной арматурой для условий «Центра» и «Севера» (см. табл. 2.5):

сборные диафрагменные:

1 и 2 - на дорогах III - IV категорий с гидроизоляцией по всей ширине и в пределах габарита, соответственно (l = 0,0085);

3 и 4 - на дорогах I - II категорий по всей ширине и в пределах габарита, соответственно (l = 0,008);

5 - сборные бездиафрагменные на дорогах I - IV категорий с гидроизоляцией по всей ширине (l = 0,007).

Рис. 2.6. График долговечности железобетонных плитных пролетных строений с гидроизоляцией по всей ширине для условий «Центра» и «Севера» (см. табл. 2.6):

сборные диафрагменные:

1 и 2 - сборные пустотные плиты с обычной арматурой:

соответственно, на дорогах III - IV категорий (l = 0,0012);

и на дорогах I - II категорий (l = 0,015);

3 - монолитные сборные плиты сплошного сечения с обычной арматурой (l = 0,01);

4 и 5 - сборные пустотные плиты с напрягаемой арматурой:

соответственно, на дорогах III - IV категорий (l = 0,01) и на дорогах I - II категорий (l = 0,013).

Рис. 2.7. График долговечности железобетонных ребристых пролетных строений с обычной арматурой для условий «Юга» (см. табл. 2.7):

1 и 2 - сборные диафрагменные на дорогах III и IV категорий:

с гидроизоляцией, соответственно, по всей ширине и в пределах габарита (l = 0,01);

3 и 4 - сборные диафрагменные на дорогах I и II категорий:

соответственно, с гидроизоляцией по всей ширине (l = 0,012) и в пределах габарита (l =0,013);

5 - сборные бездиафрагменные (l = 0,0085);

6 - монолитные диафрагменные (l = 0,009).

Рис. 2.8. График долговечности железобетонных, ребристых сборных пролетных строений с предварительно-напряженной арматурой для условий «Юга» (см. табл. 2.8):

1 и 2 - соответственно, диафрагменные пролетные строения с гидроизоляцией в пределах габарита (l = 0,007) и бездиафрагменные пролетные строения с гидроизоляцией по всей ширине (l = 0,006).

Рис. 2.9. График долговечности железобетонных плитных пролетных строений с гидроизоляцией по всей ширине моста для условий «Юга» (см. табл. 2.9):

1 и 2 - с пустотными сборными плитами, соответственно, на дорогах III - IV категорий (l = 0,001) и I - II категорий (l = 0,013);

3 - со сборными плитами сплошного сечения, монолитные пролетные строения (l = 0,009).

Графики и таблицы составлены для конструкций, расположенных в трех климатических зонах (регионах), границами которых являются административные границы, в частности:

Ø     регион, условно названный «Юг», в который входят административные субъекты юга европейской части России (области Саратовская, Белгородская, Воронежская, Волгоградская), а также Приморский край и Сахалинская область;

Ø     регион, условно названный «Центр», - области Мурманская, Вологодская, Свердловская, Пермская, Кировская, республика Карелия, а также субъекты РФ на Дальнем Востоке и юге Сибири - Камчатская область, Еврейский автономный округ. Хабаровский край, Амурская область, республика Хакасия, республика Алтай, республика Тыва, Новосибирская область, Омская область. Тюменская область (южнее Ханты-Мансийского автономного округа).

Ø     регион, условно названный «Север», в который входят административные субъекты, расположенные севернее региона «Центр».

Указанное административное деление по регионам близко к районированию по СНиП 23-0-1-99, а именно:

¨     «Центр» - районы IВ, IIВ, IIА;

¨     «Север» - IА, IБ, IГ и IД;

¨     «Юг» - IIIА, IIIБ и IIIВ.

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ^*

Рекомендациями настоящего раздела следует пользоваться в тех случаях, когда требуется определить время эксплуатации пролетных строений проектируемого моста до момента достижения ими допустимого снижения надежности (см. рис. 1.1, точка Б). При этом учитывается место расположения моста, конструкция мостового полотна, фактические климатические воздействия, планируемые интенсивность и состав движения. На этой стадии прогнозирование выполняют по результатам расчетов по первому предельному состоянию по прочности и выносливости балок и плиты. Используются критерии и требования СНиП [1] с учетом меняющихся характеристик бетона и арматуры во времени. Расчетными воздействиями являются постоянные нагрузки от запроектированного пролетного строения и временные нагрузки НК-80 и А-11 при расчете на прочность и А-11 при расчете на выносливость.

^*) Прогнозирование срока эксплуатации конструкции до потери их работоспособности (r - 0,90), т.е. до ремонта.

Определение работоспособного периода выполняется на основании анализа напряжений в арматуре и бетоне при расчете на прочность и из анализа накопления повреждений от многократных воздействий (эквивалентных циклов) при расчете на выносливость. Результата прогнозирования работоспособности пролетного строения должны явиться основой Проекта эксплуатации моста, поскольку они определяют момент проведения его ремонта или реконструкции [17].

3.1. Прогнозирование изменения прочности бетона

(модель деградации бетона с учетом его морозостойкости)

3.1.1. Снижение прочности бетона, R_вt и модуля упругости, E_вt в результате деградационных процессов в течение t_i лет эксплуатации, определяется по формулам:

                                                         (3.1)

                                                         (3.2)

R_в и Е_в - расчетное сопротивление и модуль упругости бетона согласно действующему СНиП 2.05.03-84.

,  - коэффициенты условий работы

                                          (3.3)

где

К_s - коэффициент, зависящий от агрессивности воды-среды;

К_s = 1,0 - при контакте бетона с пресной водой;

К_s = 1,25 - при контакте с морской или другой соленой водой;

К_t - коэффициент перехода от свойств куба к свойствам призмы (К_t = 1,675);

D_R; D_E - комплексы влияния на бетон циклов замораживания и оттаивания при заданной влажности (табл. 3.1);

w - комплекс влияния уровня напряженности на скорость изменения деструктивного процесса (табл. 3.2);

t_i - количество полных лет эксплуатации.

Комплексы D_R, D_E и w, представленные в таблицах 3.1 и 3.2, вычислены на вероятностной основе с обеспеченностью 0,95.

3.1.2. На деструктивные процессы, протекающие в бетоне конструкций, оказывают влияние вид и уровень напряженного состояния, степень водонасыщения бетона, агрессивность воды-среды, контактирующей с бетоном.

В расчетах учитываются:

а) изменение во времени исходных параметров свойств бетона (прочность и морозостойкость, степень водонасыщения бетона);

б) влияние среды, в частности, соленость воды-среды;

в) число переходов среды через льдообразующий рубеж (через 0°) и минимальная температура в каждом цикле;

г) уровень и вид напряженного состояния.

Одновременно учитываются два процесса, протекающие в бетоне:

·       - процесс набора прочности в течение 5 - 20 лет, предусмотренный СНиП 2.05.03-84, табл. 25 (в южном регионе для элементов, защищенных от внешних воздействий среды, может быть принят 5-летний срок набора прочности);

·       - процесс деструкции бетона при эксплуатации.

Таблица 3.1

Величины D_R и D_E для различных условий водонасыщения и морозостойкости (F)

Таблица 3.2

Величина w для различных условий влияния морозостойкости на напряженное состояние

Примечание. 1. s_min - сжимающие (растягивающие) напряжения, создаваемые постоянными нагрузками.

2. Промежуточные значения w следует определять линейной интерполяцией.

3.1.3. По результатам расчета строятся графики изменения прочности бетона для элементов сооружений, указанных в главе 2:

·       для плитных пролетных строений - фасадные поверхности, крайние плиты, средние плиты;

·       для ребристых пролетных строений - консоли плит, фасадные поверхности, крайние балки, средние балки, поперечные связи (диафрагмы или продольные швы омоноличивания).

Значения напряжений в бетоне, s_min, определяются с учетом воздействия на конструкцию температурных факторов, влияние которых рассматривается в п. 3.2.

Графики изменения прочности бетона строятся с учетом периода приработки, Т₀, в течение которого идет нарастание прочности бетона, (см. таблицы главы 2). Пример подобных графиков для пролетных строений с напрягаемой арматурой и компоновкой элементов мостового полотна по схеме «А» (см. рис. 2.1) для мостов на дорогах II категории Центрального региона России приведен на рис. 3.1. Принято, что нарастание прочности бетона, предусмотренное СНиП, протекает в течение периода Т₀, равного от 5 до 20 лет.

Рис. 3.1. Пример прогнозируемого снижения прочности бетона:

1 - фасадные поверхности; 2 - крайние балки; 3 - продольные швы омоноличивания; 4 - средние балки.

3.2. Напряжения в бетоне балок от резкого изменения температуры

3.2.1. В различных точках поперечного сечения балок от резких повышений или понижений температуры воздуха возникают нормальные растягивающие или сжимающие напряжения. Такие напряжения определяются в плите, в стенке и нижней части ребра. Значения напряжений учитываются в оценке напряженного состояния при расчетах на прочность и выносливость [19].

Последовательность определения напряжений следующая:

- сечения разбиваются на отдельные элементы;

- устанавливается приведенная толщина, d_i, элементов сечения;

- вычисляется условная расчетная температура, t_i, элементов сечения при резком понижении или повышении температуры воздуха;

- определяются напряжения, s_i, отдельных элементов сечения.

3.2.2. Разбивка сечения на отдельные элементы покачана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Расчетные эпюры напряжения

Каждое сечение условно разделяется на следующие элементы: железобетонная плита, ребро железобетонной балки, нижний пояс балки или участок в нижней части стенки высотой, равной толщине стенки (этот элемент существенно отличается по величине тепловой инерции от остальной части стенки).

Приведенная толщина элемента сечения рассчитывается по формуле:

                                                       (3.4)

где f_i - площадь поперечного сечения отдельного элемента (для плит проезжей части - с учетом толщины одежды), см²;

S_i - часть периметра поперечного сечения, контактирующая с наружным воздухом (учитывается поверхность покрытия проезжей части), см.

3.2.3. Условная расчетная температура, t_i, определяется по табл. 3.3 в соответствии с приведенной толщиной элемента сечения.

Таблица 3.3

Условная расчетная температура элемента сечения

3.2.4. Растягивающие напряжения определяются для середины ребра в предварительно-напряженных балках (рис. 3.2, точка «б») и для нижнего участка ребра в балках с обычной арматурой (см. рис. 3.2, точка «в»). Растягивающие напряжения рассчитывают по формуле:

                                            (3.5)

где  - показатель массивности элемента;

f_m и f_s - площадь поперечного сечения элемента наименьшей массивности (для которого определяется s) и площадь остальной части поперечного сечения (с учетом площади слоев одежды);

m - поправочный коэффициент, принимаемый равным 1,0 для s_в в сечении 1 и 2,5 - для s_в в сечении 2;

Е - модуль упругости бетона, для класса бетона, предусмотренного проектом;

Dt - разность между температурой элемента меньшей массивности и средней температурой, t_cp, остальных элементов сечения, определяемой по формуле:

                                                         (3.6)

где n - число элементов, имеющихся в сечении, кроме элемента с площадью f_m (для сечений на рис. 3.2 n = 2).

В остальных характерных точках сечения напряжения определяются в соответствии с переходными коэффициентами, указанными на рис. 3.2.

3.2.5. Расчетные температурные напряжения рассчитываются по формуле

                                              (3.7)

где s - напряжения в соответствии с рис. 3.2 и (3.5);

S_i - поправочные коэффициенты.

Каждое сечение определяется для двух сочетаний воздействия, в каждом из которых главным является либо резкое понижение, либо резкое повышение температуры воздуха. При этом учитывается значение S₁, равное, соответственно, + 1,3 и - 1,0.

Коэффициент S₂ учитывает особенность климатического района и принимается равным

S₂ = 0,0375 · А,                                                  (3.8)

где А - максимальная суточная амплитуда изменения температуры воздуха; принимается для соответствующего климатического района по СНиП 2.01.01-82 [3].

Коэффициент S₃ учитывает местоположение балки в сечении:

Ø     для средних балок - S₃ = 1,0;

Ø     для крайних - « - - S₃ = 1,25.

Коэффициент S₄ учитывает степень повторяемости различных напряжений и принимается равным 0,5; 1,0; 1,75; 3,0, соответственно, при повторяемости 50; 10; 1 раз в год и 1 раз в 50 лет (см. рис. 3.3).

3.2.6. Расчетные температурные напряжения учитываются:

v    при расчете плит (сжатые волокна в сечении плиты), добавляя значения s_р к напряжениям сжатия при К₄ = 0,5;

v    при проверке несущей способности балок по главным напряжениям, добавляя значения s_р к главным растягивающим или главным сжимающим напряжениям стенки при К₄ = 1,75;

v    при определении напряжений в сжатой зоне балок, добавляя значения s_р к напряжениям сжатия бетона в уровне плиты при К₄ = 2,5.

Рис. 3.3. Вероятность повторения расчетных напряжений, Р

3.3. Прогноз карбонизации бетона

На стадии разработки проекта темп карбонизации бетона принимается по нормативным значениям (табл. 3.4), установленным на основании статистических данных, полученных авторами на мостах общей сети автомобильных дорог.

Время карбонизации, Т_кб, защитного слоя бетона толщиной «а» определяется по формуле:

                                           (3.9)

где а - толщина принятого в проекте защитного слоя, мм;

К - нормативная скорость карбонизации, мм/год (табл. 3.4);

m₁ - коэффициент, зависящий от типа конструкции (от величины обжатия бетона):

m₁ = 0,6 - для пролетных строений с обычной арматурой;

m₁ = 1,0 - для предварительно-напряженных конструкций;

m₂ - коэффициент, зависящий от положения поверхностей:

m₂ = 2,0 - для средних поверхностей плит и балок;

m₂ = 1,0 - для фасадных поверхностей;

m₃ - коэффициент, зависящий от агрессивности воздушной среды и принимаемый равным 2,0; 1,3 и 1,0 при слабой, средней и высокой степенях агрессивности, соответственно;

m₄ - коэффициент, учитывающий наличие защитного покрытия на боковой и нижней поверхностях плит и балок [20]:

m₄ = 1,5 - при сроке службы защитного покрытия t_n = 3 - 7 лет;

m₄ = 3,0 - то же, t_n ³ 30 лет (при t_n < 3 лет m₄ = 1,0; при t_n от 7 до 30 лет - определяется интерполяцией).

Таблица 3.4

Нормативные значения карбонизации