3016

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

летных строений, на основе вероятности возникновения усталостных трещин и оценки последствий, возникающих в результате такого вида неисправностей. Так же необходимо выяснить распределение наработки на отказ элементов пролетных строений, имеющих усталостные трещины. Поэтому нам нужно знать не только распределение времени от начала эксплуатации до появления трещин, но и распределение времени до отказа пролетного строения с трещиной. В общем виде уровень риска определяется произведением R = PC, где Р – вероятность события, С – последствия. Если уровень риска и последствия недопустимы, необходимо принять меры по снижению уровня риска [5].

Меры по снижению риска направлены на устранение повреждений, чтобы впоследствии повреждения не перешли в отказ. Как правило это своевременный ремонт пролетных строений с повреждениями либо усиление поврежденных элементов пролетных строений. Существует несколько традиционных методов ремонта. К ним относятся засверливание конца трещины, постановка высокопрочного болта, постановка накладок, заваривание трещины. В качестве альтернативного метода ремонта предлагается применение пайки.

Существует классификация трещин в зависимости от их характера и местоположения. Встречаются трещиныв сварных швах и в основном металле.

Причинами появления трещин в сварных швах Т1, Т3-Т6 являются большие концентрации напряжений и остаточные напряжения в сварных швах. Концентрация напряжений возникает в так называемых концентраторах напряжений, которыми являются отверстия под заклепки, высокопрочные болты, сварные швы – то есть места соединения элементов конструкций. В процессе эксплуатации в таких местах возникает механический износ, и появляются остаточные напряжения. При повторяющихся нагрузках остаточные напряжения накапливаются, появляются микротрещины.

Суммируясь с напряжениями от временной нагрузки, возникают большие напряжения по сравнению с расчетными [3]. Следовательно, в этих местах микротрещины развиваются, и образуется большая трещина. Вследствие чего происходит, например, ослабление заклепочного соединения. Это является дефектом – если его своевременно устранить, то можно избежать проблем. Но если произойдет ослабление нескольких заклепок (вследствие появления

131

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

трещин) в соединении, произойдет наступление отказа и последствия будут более серьезными.

Среди трещин в основном металле конструкций одними из наиболее опасныхявляются трещины Т-9 и Т-10 (рис. 2).

Рис. 2. Трещина Т-9

Главной причиной возникновения таких трещин является наличие высоких циклических напряжений, связанных со стесненным изгибом стенки балки из ее плоскости и поперечными колебаниями неподкрепленного участка стенки балки [3] (рис. 3). Они являются опасными, потому что при их существенном развитии неподкрепленный участок становится слабым, соответственно может возникнуть местная потеря устойчивости и более неблагоприятные последствия.

Рис. 3. Изгиб стенки балки из ее плоскости

Одним из важных вопросов является локализация трещины. Целью локализации трещины является устранение концентратора

132

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

напряжений – то есть вершины трещины. Это достигается путем засверливания конца трещины и постановкой в это место высокопрочного болта. Этот метод достаточно действенный, но существует вероятность возникновения новой трещины, ведь отверстие является концентратором напряжений, пусть и не таким серьезным, как вершина трещины. Что касается постановки накладок, то здесь главный вопрос в прикреплении накладок к основному металлу. Как правило, они крепятся на болтах, либо привариваются. Но, опять же, отверстия под болты являются концентраторами напряжений. Дефекты, допущенные при сварке – еще большие концентраторы напряжений (поэтому использование сварки для усиления и ремонта пролетных строений на железной дороге без специального разрешения запрещено). Соответственно и заваривание трещины не представляется возможным.

Стоит выделить альтернативный метод ремонта – с помощью пайки. Были проведены ранее и сейчас продолжаются исследования возможности применения пайки как метода ремонта. Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод о том, что данный метод может быть применен в реальности и будет наиболее эффективен по сравнению с существующими методами ремонта.

Изменение напряжений в элементах металлических пролетных строений железнодорожных мостов представляет собой случайный процесс, характеристики которого зависят как от типа подвижных нагрузок, которые в течение времени могут меняться, так и от параметров линий влияния элементов. Поэтому оценка усталостной долговечности и надежности элементов представляется достаточно трудоемкой задачей, для решениякоторой требуется установить закономерности появления усталостных трещин, накопив необходимые статистические данные и изучив влияние на надежность различных факторов [3].

Чтобы научится прогнозировать появление трещин, необходимо, основываясь на данных статистики, получить функцию распределения наработки до отказа. Проанализировав данные о трещинах, зафиксированных в пролетных строениях тех или иных типовых проектов, и построив кривые распределения, можно уже при вводе в эксплуатацию пролетных строений, предсказать появление трещин в определенное время с заданной вероятностью. Но при этом нужно учесть, что условия эксплуатации пролетных строений,

133

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

такие как грузонапряженность участка пути или характеристики цикла напряжений в элементе, могут меняться. И тогда статистическая модель может не дать адекватного результата. Кроме того, случаев возникновения отказа по причине появления трещин практически нет. Поэтому наряду со статистическими моделями нужно разрабатывать теоретические, позволяющие оценить надежность конструкции при отсутствии или недостатке статистики.

Существует классический подход к решению данного вопроса. Основным условием безотказной работы элемента моста с учетом повреждений представляется в виде:

где v – расчетное значение меры повреждения; vоп – значение меры повреждения, при котором обеспечена заданная надежность.

Значение vоп получаем на основе обработки данных усталостных разрушений (отказов) элементов реальных конструкций. При этом отказ рассматривается как предельное значение повреждения [3]. Данная зависимость позволяет нам говорить о некоторых предельных значениях тех или иных повреждений, при которых еще не наступает отказ.

Важным является вопрос оценки эффективности мер по снижению уровня риска. Чтобы понять, как снизится риск в результате выполнения работ по той или иной технологии, нужно знать, как изменится вероятность отказа после ремонта. Это тоже пока еще не решенная проблема. Для оценки эффективности необходимо сначала решить вопрос возможности применения того или иного метода ремонта в конкретной ситуации. Выполнение работ по ремонту влечет за собой различного рода затраты, соответственно необходимо их вычислить. Далее необходимо оценить вероятность возможного наступления отказа у отремонтированного элемента и оценить их показатели надежности. Отношение величины риска эксплуатации отремонтированного элемента к затратам даст нам представление об эффективности того или иного метода усиления.

Библиографический список

1.База данных АСУ ИССО

2.Бокарев С.А. Усольцев А.М. «О необходимости и методах ремонта стальных сварных пролетных строений железнодорожных мостов с трещинами типа т9 и т10». Новосибирск СГУПС, 2014. 7 с.

134

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

3.Осипов В.О. Долговечность металлических пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов. М.; Транспорт, 1982. 287 с.

4.Кирян В.И., Мамалыгин М.Г. Пути обеспечения нормативного ресурса пролетных строений мостов. Киев.: Транспорт, 2011.

5.Методические рекомендации по практическому применению ГОСТ

Р54505-2011 «Безопасность функциональная. Управление рисками на железнодорожном транспорте». М., 2012. 56 с.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. С.С. Прибытков

В.Ю. Погребняк

(факультет «Мосты и тоннели»),

А.О. Кузнецов

(аспирант кафедры «Тоннели и метрополитены»)

Анализ влияния временных конструкций котлованов на напряженно-деформированное состояние грунтовго массива и окружающей застройки

Строительство зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки вызывает ряд проблем, которые необходимо учесть на стадии проектирования. В пределах городских условий строительство подземных сооружений при экскавации котлованов, возведении транспортных тоннелей и метрополитенов и др. оказывают непосредственное влияние на здания окружающей застройки.

В г. Новосибирске становится актуальна проблема строительства зданий в условиях плотной городской застройки. Сооружение фундаментов, экскавация котлованов, возведение многоэтажных конструкций оказывает непосредственное воздействие на здания, попадающие в зону влияния.

Во избежание осадок фундаментов зданий, прилегающих к строительной площадке, необходимо проведение геомониторинга и дополнительных проектных расчетов по оценке влияния возводимых конструкций на существующие здания. Геомониторинг должен выполняться комплексными мероприятиями, включающими сопоставление расширенного поведения любой конструкции и грунтового массива.

Основанием для проведения исследования является строительство котлована под многоэтажный дом, расположенный в

135

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

непосредственной близости от жилых домов, а также данные, полученные из проведения сопутствующего геомониторинга.

Геомониторинг – это комплекс работ, основанный на натурных наблюдениях за поведением конструкций вновь возводимого или реконструируемого сооружения, его основания и конструкций сооружений окружающей застройки (согласно положениям СП 22.13330.2011 [1]). Геотехнический мониторинг осуществляется в период строительства и на начальном этапе эксплуатации вновь возводимых или реконструируемых объектов. Главной его целью является предупреждение возникновения аварийных ситуаций, связанных со строительством и эксплуатацией техногенных объектов, особенно повышенного уровня ответственности и располагающихся в зонах распространения неблагоприятных или опасных природных процессов.

Необходимость проведения геомониторинга с 2009 г. прописана в федеральном законе ФЗ № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [2]. Геомониторинг включает в себя две основные части: геодезический мониторинг и геофизический мониторинг. В ходе геодезического мониторинга контролируется стабильность геометрического положения элементов конструкций зданий и сооружений, а также вмещающих грунтов и соседних строений. Геофизический мониторинг включает в себя, как правило, контроль температурного и гидрологического режимов вмещающих грунтов, а также гидрологических объектов, попадающих в зону влияния контролируемого здания либо сооружения.

На улице 1905 г. в условиях плотной городской застройки возводился 26-этажный многоквартирный дом. Строящееся здание включает в себя многоэтажный жилой дом с подземной двухуровневой парковкой и заглубленную двухуровневую парковку. Высота жилого дома составляет 80 м, а заглубление его подземной части около 7 м.

14-этажный жилой дом с подвалом и техническим этажом, по адресу Новосибирск, улица 1905 г., 71, попадающий в зону влияния строящегося сооружения находиться в непосредственной близости от края котлована (минимальное расстояние от конструкций ограждения котлована 5 м). В рамках программы и проекта геотехнического мониторинга назначены контроль деформаций ограждения во

136

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

время строительства и оценка взаимного влияния возможных деформаций фундамента существующего и возводимого зданий.

Здaниe, пoпaдaющee в зoну влияния

Рис. 1. Местоположение многоквартирного дома на плане городской застройки

Для оценки возможных деформаций в критических точках буронабивных свай ограждения котлована, на объекте строительства использованы методы физического контроля отслеживаемых параметров. В точках ограждающей конструкции, где предполагается наличие экстремальных изгибающих моментов, установлено 3 замоноличиваемых струнных датчиков деформаций фирмы Soil Instruments Limited.

В ходе исследования составлены следующие задачи:

1.Численное моделирование напряженно-деформированного состояния (далее НДС) грунтового массива и конструкций в исследуемой области;

2.Оценка влияния экскавации котлована на работу ограждающих конструкций;

137

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

3. Сопоставление фактических значений напряжений и перемещений, возникающих в буронабивных сваях котлована, с расчетными и аналитическими значениями.

Поставленная задача решалась в трехмерной постановке. Для решения задачи использовался программный комплекс Midas GTS 2013 v.2.1. Midаs GTS – программный комплекс, предназначенный для выполнения сложных геотехнических расчетов, с учетом реологического поведения грунтового массива.

Расчеты для данного объекта исследований необходимо проводить именно в трехмерной постановке, чтобы в комплексе наблюдать за пространственным поведением НДС грунта окружающей застройки и работой ограждающих конструкций котлована.

Моделирование грунтового массива производилось с помощью объемных конечных элементов (далее КЭ), представлен идеальным упругопластическим материалом, работающим в соответствии с критерием Мора-Кулона (грунтовый массив с характеристиками, полученными из отчета об инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства объекта). Ограждение котлована в виде буронабивных свай моделировались объемными КЭ с упругим поведением материала. Продольные пояса обвязки и подкосы моделировались стержневыми элементами балочного типа с упругим поведением материала. Здание, попадающее в зону влияния строительства, было смоделировано в виде плиты и приложенной к нему равномерно распределенной нагрузкой от веса вышерасположенных этажей. Смоделированы следующие прогнозные случаи: два этапа экскавации котлована.

Рис. 2. Экскавация первого участка котлована

138

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

В результате экскавации первого участка котлована происходит деформация ограждающих конструкций, в сваях наблюдаются горизонтальные перемещения. Изополя полных перемещений ограждающих конструкций котлована представлены на рис. 3.

Рис. 3. Полные перемещения в сваях

На рис. 3 представлены полные перемещения ограждающих конструкций котлована. Так же на рис. выделен ряд свай напротив здания прилегающей территории, в которых возникают деформации, не смотря на то, что на данном участке экскавация еще не проводилась. Следовательно, в области между примыкающим зданием и котлованом возникает изменение НДС грунта. Изменение НДС свай было зафиксировано и по результатам интерпретации регистрируемых показателей струнных датчиков в ограждающих конструкциях.

Сравнение величины напряжений в струнных датчиках σф с численными значениями трехмерной модели σч представлены в формулах (1), (2).

где Δσ – изменение осевого напряжения в свае между моментом монтажа сваи и экскавации первого этапа котлована, МПа; Δσt – изменение осевого напряжения в свае от температурного воздействия, МПа.

139

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Разница между фактическими и численными значениями составляет 2,1 %, что подтверждает правильность составленной трехмерной модели.

Сравним величины горизонтальных перемещений свай, полученных в результате геодезических наблюдений на объекте строительства, с численными результатами.

Рис. 4. Горизонтальные перемещения верха свай на первом этапе (геодезические наблюдения)

Рис. 5. Перемещения верха свай (численная модель)

Как видно из рис. 4 и 5 величины горизонтальных перемещений свай совпадают, что еще раз подтверждает правильность принятой грунтовой модели.

Рис. 6. Второй этап экскавации

140