Л.И.ИОСИЛЕВСКИЙ, д-р техн. наук, проф., Проблемы надежности железобетонных мостовых конструкций
Обеспечение надежности и долговечности строительных сооружений, в частности, мостовых - первоочередная задача. Уровень нормируемой оптимальной надежности обусловлен требованиями как безопасной эксплуатации, так и социальной ответственности перед обществом.
Очевидно, что необходимый уровень надежности сооружения не может быть обеспечен только в рамках требований норм проектирования: нормы лишь устанавливают минимальный уровень надежности и долговечности сооружения; проект закладывает в конкретную конструкцию нормативную надежность; в процессе строительства требуется реализовать это важнейшее качество, а службам эксплуатации сохранять и поддерживать в течение нормируемого срока службы заложенные в проекте долговечность и необходимый уровень работоспособности.
Однако первым документом, во многом определяющим длительную надежную эксплуатацию, являются государственные нормы проектирования (СНиПы и ГОСТы). В них устанавливаются четыре важнейших условия: расчетные нагрузки и воздействия, прочностные и деформативные характеристики материалов, расчетные схемы и минимальный уровень надежности по всем прогнозируемым расчетом предельным состояниям.
Бесспорно, что нормируемые рекомендации, основанные на этих требованиях, должны давать не только однозначный (детерминированный) предел какого-либо параметра, но и устанавливать необходимый уровень надежности данного параметра, т.е. любое детерминированное утверждение (требование) должно быть обязательно подкреплено (обосновано) информацией об уровне вероятностно-статистической обеспеченности (или вероятности реализации) этих утверждений. Без такой вероятностной поддержки (оценки) детерминированных, по существу взятых интуитивно из ряда неустойчивых статистических совокупностей разного рода нагрузок, воздействий и прочности материалов, расчетные величины теряют необходимую информативность и убедительность.
Вакуум статистической информативности вынуждает составителей норм формировать требования, выполнение которых, как показал опыт, иногда приводит либо к преждевременной потере необходимых эксплуатационных качеств сооружения, либо к перерасходу материалов.
Более чем десятилетний опыт работы с действующим нормативным документом СНиП 2.05.03.-84, а также анализ особенностей проектирования по нормам Западных стран, позволяют сформулировать принципиальные подходы и конкретные рекомендации, направленные на совершенствование нормативных требований к проектированию железобетонных мостовых сооружений.
Основные принципы вероятностного подхода к формированию норм:
1. Принципиально (в стратегическом смысле) следует сделать все возможное, чтобы все установленные нормами требования к нагрузкам, материалам и правилам расчета, структура системы коэффициентов условий работы и надежности имели вероятностностатистическое обоснование, были бы достаточно понятны и убедительны для пользователей (проектировщиков, строителей, эксплуатационников), несущих ответственность за надежность и экономичность создаваемых и эксплуатируемых сооружений.
2. Из всех вероятностно-статистических совокупностей обращающихся и перспективных нагрузок выделить два уровня расчетных нагрузок: рабочих (регулярно обращающихся, охватывающих 95% всей статистической совокупности) и редко обращающихся (тяжелых нагрузок, охватывающих оставшиеся 5% нагрузок).
3. Расчетные сопротивления материалов, необходимые коэффициенты условий работы и надежности должны быть адекватны и коррелироваться с принятыми соответствующими уровнями нагрузок, их повторяемости так, чтобы нормируемая надежность против наступления возможных (предсказуемых нормами) предельных состояний была выдержана.
4. Расчетные модели распределения внутренних напряжений в сечениях конструкции и их деформаций, отраженные на рисунке, должны также иметь вероятностное обоснование и быть адекватными уровням соответствующих нагрузок и прочностным возможностям материалов.
5. Указанные требования приводят к важному выводу: определяющую роль в выборе основных параметров конструкции и назначении необходимого количества материалов играют расчеты в эксплуатационной стадии под реально обращающимися и перспективными нагрузками.
Со стратегических позиций нормируемые расчеты на прочность по модели предельного равновесия органически не вписываются в концепции контроля железобетонных конструкций в эксплуатационной стадии, они контролируют работу элементов в практически никогда не реализуемой ситуации и носят характер оценки предельных (интегральных) возможностей сечений конструкции. Такой расчет следовало бы оставить в инженерной практике, но придать ему иной смысл - он реализуется только раз в жизни конструкции, когда выполняются испытания опытного образца с доведением его до разрушения. Необходимость в таком перерасчете может возникнуть в аварийной ситуации: когда потребуется выявить ее причины и установить фактическую прочность материалов в момент аварии. Но делать расчет по модели предельного равновесия под эксплуатационными нагрузками - значит вводить в заблуждение инженера о возможных в эксплуатации условиях работы конструкций.
Расчетные модели к анализу нелинейной работы сечения железобетонной преднаприженной балочной конструкции, последовательно проходящей при стадии: а, б не а — в расчетах на выносливость и трещиностойкость — упрагая работа материалов полным сечением или с выключенной растянутой зоной; б — в расчетах на прочность —упругопластическая работа бетона в сжатой зоне, упругая работа арматуры, растянутая зона бетона выключена из работы (поперечная трещина); в — аварийные расчеты по модели предельного равновесия
6. Многолетние наблюдения [6; 7] выявили недостаточную надежность и долговечность плит проезжей части автодорожных мостов и плит балластного корыта железнодорожных мостов. Причины создавшейся очень серьезной ситуации: исключительно неблагоприятное сочетание воздействий на бетон влаги с солями в условиях попеременного замораживания воды в порах бетона, высокого уровня многократно повторяемых динамических нагрузок. Ситуация усугубляется отсутствием в нормативных документах специальных (существенно повышенных) требований к качеству бетона плит, их конструкции, материалам гидроизоляции. Условия расчета на надежность и долговечность плит проезжей части должны быть ужесточены по сравнению с другими элементами пролетных строений.
Исходные требования к расчетным моделям изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных конструкций.
На основании анализа накопленного опыта многолетних расчетно-теоретических и опытноэкспериментальных исследований, выполненных в МИИТе [7-9], а также опыта проектирования и эксплуатации мостовых сооружений предлагаются для обсуждения расчетные модели, представленные на рисунке.
Характерные особенности предлагаемого подхода к расчетным моделям.
1. Расчетные модели, определяющие надежность работы материалов в поперечных сечениях, расход и рациональное (экономное) распределение бетона и арматуры в конструкции должны прежде всего обеспечить надежную многолетнюю ее работу под эксплуатационными нагрузками двух уровней: уровень рабочих, часто обращающихся нагрузок, охватывающий 95% всей статистической совокупности обращающихся нагрузок и уровень чрезвычайных нагрузок оставшихся неконтролируемых 5% тяжелых редко обращающихся нагрузок, а также учитывающий возможные перспективные нагрузки).
2. Для правильной оценки напряженно-деформированного состояния чрезвычайно важны модели распределения напряжений в арматуре и бетоне в поперечных сечениях:
- первому уровню нагрузок (многократно повторных) отвечает упругое распределение напряжений с сохранением при деформировании плоских сечений. В расчетах могут быть использованы геометрические характеристики сечений упругих систем (A, I,W, S);
- второму уровню нагрузок отвечает упругая или упругопластическая работа бетона в сечениях и упругая работа арматуры с сохранением плоских сечений при деформировании. Положение оси “нулевых деформаций” при повороте сечений в преднапряженных конструкциях.
Зона(Т)-упругая работа материалов Зона б-переходная зона, упруго-пластическая работа материалов пластическая работа предельное равновесие от положения “нейтральной оси” (центра тяжести сечения) и определяется соотношением моментов и нормальных сил, действующих в сечениях /рис. 16/.
Вычисление расчетных параметров в условиях упругопластической работы поперечных сечений до последнего времени было чрезвычайно затруднено, т.к. практически такие расчеты могут быть произведены лишь итерационными методами ( путем многоразового перебора вариантов до выполнения условий равновесия сил в сечениях). В настоящее время расчеты легко выполняются с помощью достаточно простых программ на любых компьютерах.
Такое напряженно-деформированное состояние в поперечных сечениях принципиально отличается от принятого в действующем СНиП 2.05.03.-84 очень условного, не соответствующего уровню расчетных усилий, распределению внутренних сил по модели предельного равновесия.
Предлагаемый подход восстанавливает методическое единство расчетов стальных и железобетонных мостовых конструкций: расчеты на выносливость - в упругой стадии, в расчетах на прочность - в упруго-пластической стадии.
Как показали многочисленные стендовые испытания железобетонных преднапряженных балочных конструкций [7], так называемое предельное равновесие достигается перед разрушением лишь при предельных моментах, превышающих вычисленные по СНиП расчетные моменты на прочность, в 1,5-2,0 раза. Следовательно испытаниями с доведением нагрузок лишь до расчетных по СНиП нельзя проверить ни несущую способность, ни фактическую прочность материалов при “коллективной” работе арматуры и бетона в сечении под расчетными нагрузками на прочность.
Третья расчетная модель рис. 1 в должна дать оценку предельных возможностей конструкции, необходимость в которых, правда редко, но может проявиться в нестандартных (не нормируемых) аварийных ситуациях, главным образом, в процессе строительства или эксплуатации сооружения. В прежних послевоенных нормах (ТУПМ-47) такие расчеты предусматривались - расчеты по разрушающим нагрузкам. Близкие по смыслу такие же расчеты сохранились в действующих нормах Западных стран (США, Великобритании, Германии и др.) [1-4]. Оценка предельных возможностей конструкции позволит инженеру во-первых, достаточно наглядно контролировать реальный (интегральный) уровень запаса (надежности) создаваемой или проверяемой в эксплуатации конструкции и, во-вторых, проверить прямыми испытаниями с доведением конструкции до разрушения правильность принятых в расчетах прочностных и деформационных характеристик материалов, учесть эффект их коллективной работы в составе реальной конструкции (по сравнению с индивидуальной работой отдельных призм и арматурных стержней) в процессе деформирования конструкции под испытательными нагрузками. Эффективность такой коллективной работы арматуры и бетона может быть выявлена только в процессе стендовых испытаний опытных конструкций, позволяющих проследить за перераспределением напряжений в сечениях в упругопластической стадии работы материалов.
Многочисленными испытаниями и расчетными исследованиями [7-9] выявлен и оценен эффект такой “коллективной” работы арматуры и бетона в составе поперечных сечений конструкции. Этот эффект выражен как смещением в сторону увеличения средних значений прочности в 1,25-1,4 раза, так и заметным изменением самого характера статистических распределений - резко снижается разброс прочности (и особенно ощутимо для арматуры), что отражает коэффициент вариации, который снижается до величины порядка V=0,03-0,05 (по сравнению с нормируемой величиной V„=0,135) [6, 8, 9].
Если сохранить нормируемую надежность (в расчетах на прочность U=0,998 и в расчетах на трещиностойкость U=0,95) и учесть эффект коллективной работы материалов в сечениях, то для широкого класса железобетонных преднапряженных цельноизготавливаемых конструкций расчетные сопротивления арматуры и бетона могут быть совершенно безопасно подняты на 15-20% по сравнению с принятыми в действующих СНиП 2.05.03.-84*. В частности, для пучков из проволочной арматуры класса B-II высокая 3* стандартная надежность (U=0,998) обеспечивается при расчетных сопротивлениях на прочность в эксплуатационной стадии, т.е. в упругой и упруго-пластической работе сечений под перспективной или чрезвычайной нагрузками:
Значения расчетных сопротивлений, соответствующих уровню надежности расчетных сечений по моделям рисунка, представлены в таблице.
Особенности проектирования плит проезжей части.
Бетон плит проезжей части пролетных строений мостов по условиям работы значительно отличается от того, что испытывают стенки и нижние пояса балок. Верхние плиты испытывают непосредственное воздействие динамических эффектов нагрузок, чередующиеся атмосферные воздействия, усугубляемые агрессивным воздействием химикатов, применяемых при снегоуборке.
В отечественной практике плиты, как правило, не преднапряженные, т.е. расчетом допускается образование трещин, что ухудшает сложные условия работы плиты. Гидроизоляция недолговечна, протечки (с солями) способствуют дефектам, повреждениям, деградации структуры и снижению прочности бетона.
С целью повышения надежности и долговечности верхних плит предлагается.
В расчетах ввести дополнительный коэффициент условий работы mv , к расчетным моментам и поперечным силам от временных нагрузок, принимаемый mv=l,2 для бетона при расчете на нагрузки АК и yv=l,l при расчете на НК-80.
Впредь до накопления и анализа более обширного опыта и исследований такой коэффициент может обеспечить большую надежность и долговечность плит при трудно моделируемых расчетных схемах и нагрузках на плиты проезжей части.
Бетон принимать с повышенной морозостойкостью F400 водонепроницаемостью W8. Предпочитать устройство монолитных железобетонных плит по сборным балкам. Рекомендовать вместо оклеенных гидроизоляций применять модифицированные бетоны.
Обычно применяемые одноребристые балки вынуждают работать плиты в особенно сложных условиях при отсутствии диафрагм. Следует рассмотреть возможность применения коробчатых сечений балок или устройство при длинах более 15м одной диафрагмы посередине.
Представленные в статье предложения требуют детального обсуждения. Их реализация откроет возможности повысить технико-экономические показатели и конкурентоспособность железобетонных мостовых конструкций, благодаря следующим ответственным решениям:
- корректировке расчетных сопротивлений арматуры и бетона и их увязке с нормируемыми уровнями надежности против прогнозируемых предельных состояний;
- переходу к расчетному контролю железобетонных конструкций в эксплуатационной стадии под нагрузками двух уровней (рабочими и чрезвычайными);
Изложенные предложения открывают перспективы сравнительно безболезненного для экономики страны “вхождения мостового хозяйства России в Европейский Союз”, в списке новых будущих стандартов которого более реальные очертания приобретают разработки “Еврокода”.
В статье рассмотрен лишь один аспект надежности железобетонных мостовых конструкций, связанный с нормами на проектирование и их эксплуатацию. Необходим анализ некоторых других проблем надежности и долговечности этих конструкций. Среди них, прежде всего, прямые расчетные оценки ресурса (сроков службы) в вероятностной постановке с учетом физического состояния конструкций в эксплуатации и прогнозом износа (старения) материалов во времени [6].
Бетон и железобетон, 1999 №1