3016

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

На следующем этапе происходит экскавация второго участка котлована, установка продольных поясов обвязки свай и подкосов.

В продольном поясе обвязки возникают изгибающие моменты (рис. 7), а в подкосах продольные силы (рис. 8)

Рис. 7. Эпюра изгибающих моментов в продольном поясе обвязки

Рис. 8. Эпюра продольных сил в подкосах

Анализируя рис. 7 и рис. 8 можно качественно подтвердить включение в работу всех ограждающей конструкции продольного пояса обвязки и подкосов. Этот момент очень важен для моделирования процесса строительства методом конечных элементов. Получая эпюры внутренних усилий с численной модели можно производить прогнозные расчеты продольных поясов и подкосов на стадии мониторинга. Необходимо заметить, что проектирование ограждающих конструкций котлована численными методами можно с использованием адекватных моделей грунтового массива и материалов ограждающих конструкций. В данной работе подобные исследования не проводились.

Сравнение горизонтальных перемещений верха свай на втором этапе представлено на рис. 9.

141

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 9. График величин горизонтальных перемещений

На рис. 9 синий график – зависимость горизонтальных перемещений верха ограждающих конструкций трехмерной модели от порядкового номера свай, красный график – зависимость геодезических измерений перемещений верха ограждающих конструкций от порядкового номера свай. Максимальное расхождение 20 мм, что допустимо для подобных расчетов. Численные значения получились несколько больше измеренных, но не выходящие за предельные перемещения, назначенные в проекте (максимальное перемещение 37 мм, предельное перемещение по проекту – 40 мм).

В заключение проделанной работы можно сделать следующие выводы:

–анализируя результаты изменения НДС массива подтверждается, что существенное влияние на результаты оказывает правильная аппроксимация и детализация сетки КЭ и технология строительства сооружения;

–сопоставление фактических напряжений в свае с численноаналитическими составляет менее 10 %, что говорит о соответствии созданной численной модели и условий взаимодействия системы «грунт – ограждающая конструкция»;

–определение НДС конструкций грунтового массива при производстве строительно-монтажных работ высокоответственных зданий и сооружений необходимо производить в трехмерной постановке с учетом влияния температурного воздействия;

–геомониторинг позволяет анализировать и контролировать соответствие фактических значений НДС проектным решениям на стадии строительства и эксплуатации объекта.

142

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рассмотренная методика может быть использована в полном объеме при сооружении котлованов станций метрополитена мелкого заложения, рамповых участков подводных тоннелей и транспортных тоннелей, сооружаемых в городских условиях.

Библиографический список

1.СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М.: Минрегион России, 2011. 178 с.

2.Градостроительный кодекс РФ (ГрК РФ 2015).

3.Федеральный закон Российской Федерации от 30 декабря 2009 г.

№384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

4.Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. М.: Недра, 1982. 270 с.

5.Болдырев Г.Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты: Учеб. Пособие. Пенза, 2009. 412 с.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. Г.Н. Полянкин

С.Ю. Поляков

(аспирант кафедры «Мосты»)

К вопросу увеличения долговечности дорожного покрытия на ортотропной плите мостовых сооружений

В нормативной базе Российской Федерации имеется значительное количество работ, регламентирующихпроектирование и расчетнесущих конструкций искусственных сооружений, к которым относится и ортотропная плита проезжей части мостовых переходов. Одно из первых упоминаний об ортотропных плитах в отечественнойспециализированнойлитературе датируется 1968 г., когда в свет вышли «Рекомендации по проектированию стальных ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов» /1/, рассматривавшие следующие вопросы:

•конструирование;

•определение усилий при работе плиты между главными балками;

•определение усилий при работе плиты совместно с главными балками;

•проверка по прочности.

143

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Содержание данных рекомендаций было использовано при составлении СНиП 2.05.03-84 [2]. При этом вопросам требуемой жесткости конструкции в данных документах уделено незначительное внимание, а проблемы устройства дорожной одежды на ортотропной плите вообще не нашли своего отражения.

Но и сейчас, даже спустя более 30 лет с момента выпуска [2], практическинет изданий, нормирующихрасчет дорожной одежды применительно к мостовымпереходам, обобщающих результаты исследований и фактический опыт эксплуатации покрытий наискусственных сооружениях.

Между тем, необходимость разработки таких рекомендаций и нормочевидна. В данный момент асфальтобетонное покрытие на мостовых сооружениях укладывают, исходя из тех же соображений, что и на обычных автомобильных дорогах, несмотря на то, что проектный и фактический сроки их службы, как правило, различаются в несколько раз.

Согласно нормативной документации, расчетный срок службы асфальтобетонного покрытия на автомобильных дорогах составляет 15-20 лет [3]. Однако в покрытии около 30 % больших и средних мостов трещины появляются уже после первого года эксплуатации, а срок службы без существенных капитальных вложений часто не превышает и 5 лет [4]. Следовательно, дорожную одежду на искусственных сооружениях следует устраивать не аналогично таковой на автомобильных дорогах, а с учетом специфических особенностей фактическогохарактера работы мостовых переходов.

Для установления причин столь малой долговечности покрытия необходимо определить наиболее часто встречающиеся дефекты ездового полотна мостов Российской Федерации, а для эффективного предотвращения их возникновения – выявить предпосылки к их появлению.

В результате ознакомления с работами по данной тематике и состоянием покрытия ряда мостовых сооружений были выявленысамые распространенные дефекты дорожной одежды, а именно – регулярные продольные и поперечные трещины. Их характер явно указывает нам на чрезмерные вертикальные перемещения ортотропной плиты, однако она запроектирована с учетом требований действующей в РФ на момент постройки сооружений нормативной

144

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

документации касательножесткостиэтого элемента. Но тогда почемутрещины в покрытии возникали, несмотря на соответствие конструкции требованиям по деформативности?

Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить, какие ограничения накладывают специализированные издания на жесткость ортотропной плиты. В настоящее времяСП 35.13330.2011 [5] регламентирует несколько таких критериев:

1)конструктивный, устанавливающий минимальную толщину элементов ортотропной плиты (листа настила – 14 мм, полосовых продольных ребер – 12 мм);

2)расчетный, определяемый по формуле в зависимости от шага расстановки и поперечного сечения продольных ребер, а также давления от колеса.

Нодело в том, что установлены они применительно к конструкциям только ортотропной плиты, а неплиты совместно с полотном дорожной одежды.

Для увеличения локальной жесткости конструкций проезжей части конкретные шаги предпринимаются уже довольно давно. Один из них – это установление минимально необходимой толщины листа настила ортотропной плиты, равной 12 мм, с введением в действие [2]. Однако величина подвижной нагрузки, фактически обращающейся на автомобильных дорогах, непрерывно растет, и [5] регламентировал данную величину равной уже 14 мм, поскольку при современном уровне воздействия транспортных средствжесткость конструкции с толщиной листа настила 12 мм стала недостаточной. В подтверждение этому можно привести мост через р. Иртыш на южном обходе города Омска, где толщина листа настила, равная 12 мм, с ростом фактической подвижной нагрузки стала одной из причин чрезмерных деформаций асфальтобетонного покрытия, и, как следствие, его быстрого износа и выхода из строя.

Внастоящее время уже возводятся мосты с толщиной листа настила, равной 16 мм и, вдобавок к этому, с продольными ребрами коробчатого поперечного сечения (мост через р. Туру в г. Тюмень).

Действительно, устройство продольных ребер коробчатого сечения – это еще один способ увеличения локальной жесткости ортотропных плит. Логично было бы предположить, что это приведет к недопущению возникновения трещин за счет уменьшения деформативности листа настила, однако опыт говорит об обратном.

145

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Пример тому – искусственные сооружения на кольцевой автомобильной дороге г. Санкт-Петербурга, где трещины в покрытии дорожной одеждывозникли и при продольных ребрах коробчатого сечения ортотропной плиты [6].

Как следует из вышеприведенных примеров, проблема чрезмерной деформативности ортотропной плиты относительно ездового полотна есть и требует решения, однако закрепленные в нормативной документации ограничения по деформациям элементов проезжей части применительно к асфальтобетонному покрытию в нормах Российской Федерации пока отсутствуют. Из этого следуетнеобходимость разработки критериев достаточной жесткости ортотропной плиты (применительно к дорожной одежде) в зависимости именно от совокупности ее различных параметров (толщины листа настила, поперечного сечения и шага расстановки продольных ребер, шага поперечных балок), а не пересмотр размеров конструктивных элементов без их взаимосвязи друг с другом.

Обозначим и вторую проблему, также приводящую к уменьшению срока службы ездового полотна– дорожные покрытия на мостах укладываются из тех же соображений, что и на обычных автомобильных дорогах, хотя характер работы асфальтобетона в этих случаях различается кардинально.

Существующие способы расчета предусматривают моделирование укладки дорожной одежды на упругое основание, что в случае с ортотропной плитой не совсем верно отражает фактическую работу конструкции. Характер деформирования ортотропной плиты зависит от многих параметров (форма продольных ребер, их геометрические характеристики и расстояние между ними, шаг поперечных балок и т.д.). При воздействии подвижной нагрузки в ортотропной плите возникают локальные прогибы листа настилакак между стенками продольных ребер, так и между поперечными балками, и дорожная одежда также деформируетсясоответствующим образом.

Долговечность дорожной одежды определяется усталостной сопротивляемостью материала, поскольку повторяющееся воздействие транспортных средств приводит к появлению усталостных явлений, к которым относятся и трещины в покрытии. В асфальтобетоне в этом случае под действием переменных напряжений происходит процесс постепенного накопления остаточных деформаций, приводящий к изменению свойств материала, образованию и

146

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

развитию повреждений. Однако механизмы разрушения покрытия на автомобильной дороге и мостовом сооружении отличаются друг от друга. В результате исследований установлено, что васфальтобетонной дорожной одежде, уложенной на земляное полотно, усталостное разрушение возникает в ее нижней части, и появившаяся трещина прорастает снизу вверх, а в слое покрытия, уложенного на ортотропную плиту, растягивающие напряжения возникают вего верхней части, и развитие трещины происходит сверху вниз [4].

Дорожная одежда на ортотропной плите находится в сложном напряженном состоянии, которое зависит как от воздействия колесной нагрузки, так и от деформаций самой ортотропной плиты и главных несущих элементов. При этом при расчете мостовых сооружений асфальтобетонное покрытие рассматривается только в качестве внешней нагрузки. При проектировании элементов моста, в том числе и ортотропной плиты, это разумное предположение, учитывая как возможное нарушение сцепления ездового полотна с нижележащей конструкцией, так и неупругую работу дорожной одежды при высоких положительных температурах (при отрицательных же включение покрытия в совместную работу идет в запас прочности). Разработанные же в России методики расчета ездового полотна в большинстве своем сводятся к использованию плоских расчетных схем. К примеру, может рассматриваться работа продольного ребра с дорожной одеждой между поперечными балками, хотя работы зарубежных ученых свидетельствуют о том, что для дорожной одежды более критична работа поперек пролетного строения.

Таким образом, существующие в России методики расчета дорожной одежды, основанные на упрощенных расчетных схемах, можно использовать только при приближенной оценке напряженного состояния дорожной одежды. При более детальной оценке ее работы необходим учет податливости как элементов проезжей части, так и стенок главных балок пролетного строения.

Поэтому помимо определения критериев минимально необходимой жесткости ортотропной плиты необходима разработка новых методик расчета покрытий применительно к условиям эксплуатации в составе конструкций мостового сооружения, учитывающих их совместную работу.

Обратимся теперь к зарубежному опыту, который показывает, что вполне реально добиться срока службы асфальтобетонного покрытия в 15, 20, и даже 30 лет без капитального ремонта. И причин

147

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

такой значительной разнице с отечественной практикой несколько.

Во-первых, в иностранной нормативной документации имеются требования по жесткости к конструкциям ортотропной плиты. Например, в странах ЕС введены требования минимальной изгибной жесткости для продольных ребер ортотропной плиты в виде графика, позволяющего оценить требуемую жесткость сечения продольного ребра [7]. Причем в зоне главной балки минимальная жесткость предполагается большей, чем в зоне между главными балками.

ВСША и Канаде введено ограничение не по требуемой жесткости продольных ребер, а по деформациям пролета ортотропной плиты. Прогиб между поперечными балками ограничен величиной от 1/1000 пролета в Канаде [8] до 1/1200 пролета в США [9], причем

вКанаде имеется требование максимальной разницы перемещений соседних продольных ребер, равное 2,5 мм. Отметим, что данные значения прогибов с течением времени значительно ужесточились – согласно первоначальным требованиям, величина прогиба составляла 1/300 пролета.

Столь значительный срок службы дорожной одежды за рубежом достигается и в результате использования специально проектируемых составов асфальтобетонных смесей, которые не применяются для дорожных покрытий на земляном полотне. При этом предъявляемые к ним требования учитывают максимальную и минимальную температуру эксплуатации, динамические напряжения асфальтобетона, его пластические и упругие свойства, а проектирование их состава ведется по специальной методике. Например, во Франции был разработан способ проведения испытаний дорожной одежды на усталость, позволяющий оценить ее поведение и исследовать особенности ее деформирования на ортотропной плите проезжей части [4]. Образец выдерживал испытание, а смесь считалась пригодной для использования в дорожной одежде на металлической плите проезжей части, если не происходило отслаивания гидроизоляции от металла, а трещина в асфальтобетонном слое не прорастала на глубину более 35 мм. То есть в этом случае за критерий выбора приемлемого состава асфальтобетона принимались параметры, характеризующие усталостную долговечность дорожной одежды.

ВРоссийской Федерации в нормативах не закреплено никаких конкретных рекомендаций по выбору типа и состава покрытия в

148

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

зависимости от типа мостового сооружения и параметров проезжей части, отсутствуют и рекомендуемые методики расчета дорожной одежды.

Сравнив российский и зарубежный опыт, становится ясно, почему дорожное покрытие за границей служит значительно дольше, чем в нашей стране. Обобщив вышесказанное, получается, что Россия сегодня идет по тому же пути и совершает те же ошибки, которые уже были преодолены западными странами несколько десятилетий назад.

Таким образом, можно сформулировать основные задачи исследования на данный момент:

–пространственное моделирование конструкций ортотропной плиты и дорожной одежды реальных сооружений с характерными ярко выраженными дефектами;

–определение напряжений в элементах дорожного покрытия, зависящих, к тому же, от множества различных факторов, и их сравнение с расчетным сопротивлением асфальтобетона в местах образования повреждений;

–выявление зависимости напряжений в дорожной одежде от величины прогиба листа настила между поперечными балками;

–разработка критериев достаточной жесткости конструкции ортотропной плиты в зависимости от совокупностиее параметров (толщины листа настила, поперечного сечения и шага расстановки продольных ребер, шага поперечных балок).

При моделировании конструкций необходимо определить фактические параметры транспортных средств, наиболее неблагоприятно воздействующих на сооружение, поскольку проектные нагрузки АК и НК не имеют четкой связи с реальными автомобилями, в результате многократного воздействия которых и возникают трещины в покрытии.

Фактические напряжения в асфальтобетоне зависят от множества различных факторов, таких так температура, и, соответственно, упругая или неупругая работа материала, наличие или отсутствие сцепления асфальтобетона в слоях или с нижележащим слоем, толщина листа настила ортотропной плиты и самого покрытия, а также тип покрытия (литой или уплотняемый асфальтобетон). В работе кандидата технических наук И.Д. Сахаровой «Совершенствование проектирования мостовых сооружений» [10] было рассмотрено изменение свойств асфальтобетона в зависимости от вышеуказанных

149

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

факторов, однако с учетом ограниченности применения ЭВМ в то время все расчеты были выполнены на упрощенных расчетных схемах, в полной мере не отражающих фактическую работу конструкции, следовательно, необходим переучет их влияния.

Подводя итоги, можно сделать следующий вывод: для повышения долговечности дорожных одежд необходимы определение критериев достаточной жесткости ортотропной плиты в зависимости от совокупности ее параметров и разработка новых методик расчета дорожных одежд. При этом для того, чтобы покрытия на мостовых сооружениях по долговечности приблизились к таковым на автомобильных дорогах, усилий одних мостостроителей недостаточно. Необходимы тесная совместная работа и взаимопонимание специалистов в области как мостовых конструкций, так и дорожной сферы.

Библиографический список

1.Рекомендации по проектированию стальных ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов. М., 1968. 17 с.

2.СНиП 2.05.03–84. Мосты и трубы. М., 1984. 283 с.

3.ОДН 218.046–01. Проектирование нежестких дорожных одежд. М., 2001. 61 с.

4.Овчинников И.Г., Макаров В.Н., Распоров О.Н. Проблема устройства

современных дорожных покрытий // Красная линия. Дороги. 2009. № 41. С. 34–37.

5.СП 35.13330.2011. Мостыитрубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* / ОАО «ЦНИИС». М.: ОАОЦПП, 2011. 340 с.

6.Телегин М.А. Методика расчета дорожной одежды на ортотропной плите стальных мостов // Дороги и мосты. № 26. С. 205–211.

7.Eurocode 1993-2. Design of Steel Structures. Part 2: Steel Bridges. 2006.

8.CAN/CSA-S6-00. Canadian Highway Bridge Design Code. A National Standard of Canada. 2000.

9.AASHTO LRFD. Bridge Design Specifications. SIUnitsThirdEdition. 2005.

10.Сахарова И.Д. Дорожная одежда на ортотропной плите пролетных строений мостов // Совершенствование проектирования мостовых сооружений. Государственное предприятие «РосдорНИИ» НИЦ «Мосты» ОАО ЦНИИС. Труды. Вып. № 12. М., 2002. С. 83–101.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. А.Н. Яшнов

150