Игнорирование особенностей влияния временной подвижной нагрузки

Для мостов, предназначенных под временную автомобильную вертикальную нагрузку Н-30 по нормам 1962 г., и мостов с расчетной нагрузкой А-11 по нормам 1984 (1991) г., в ЦНИИСе были проведены сопоставления уровней этих нагрузок в зависимости от длины пролета (табл. 2.1, рис. 2.7).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что расчетная нагрузка 1984 (1991) г. превышает нагрузку Н-30 на величину до 30% от расчетной. Это превышение имеет место для пролетов длиной до 50 м.

Наиболее неблагоприятный из многоосных тяжелых экипажей 7-осный автопоезд АК-176 (полная масса 176 тс, колесная база 30 м) также оказывает наиболее негативное воздействие на пролеты длиной

Увеличение нагрузки А-11 на пролеты по сравнению с нагрузкой Н-30

Рис. 2.7. График превышения нагрузок А11 (нормы 1984 г.) по сравнению с нагрузками Н-30 (нормы 1962 г.) в зависимости от длины пролета

до 50 м. Нагрузка от этого экипажа превышает нагрузку НК-80 и для разрезных балочных пролетных строений соответствует НК-100.

Среди рядовых многоосных нагрузок наиболее невыгодной является 7-осный экипаж с полной массой 64,5 т и колесной базой

19,5 м. Нагрузка от него в соответствии с нагрузкой А-11 показана в табл. 2.2 и на рис. 2.8.

Соответствие 7-осной тележки нагрузке АК при положении линии влияния

Рис. 2.8. Нагрузка от 7-осного экипажа (полная масса 64,5 т, колесная база 19,5 м) в соответствии с АК в зависимости от длины пролета

Из рис. 2.8 видно, что наиболее значительная перегрузка пролетов (от А-14 до А-16) имеет место при длине их от 15 до 63 м.

Исследования, проведенные в ЦНИИСе, свидетельствуют о том, что коэффициент перегрузки для временных автомобильных нагрузок является функцией длины загружения и резко снижается при длине пролетов, превышающей 50 м (рис. 2.9).

На пролетах длиной от 11,36 до 32,96 м воздействие сверхтяжелых нагрузок от автопоездов массой 138 т (давление на ось 34 т) и массой 156 т (давление на ось 30 т) превышает воздействие от нормативной нагрузки: на опору — до 57%, по моменту в середине пролета — до

Рис. 2.9. Зависимость коэффициента перегрузки от длины пролета

50%, по поперечной силе — до 74%. Полученные значения корреспондируются с данными обследований, которые проводились на 56 мостах.

Превышение нагрузок ощущают и автомобильные дороги, рассматриваемые здесь в качестве подходов к мосту.

В соответствии со СНиП 2.05.02—85 «Автомобильные дороги» и «Изменениями № 5» к нему для дорог I—II категорий определена нагрузка 115 кН, для дорог III—IVкатегорий — 100 кН. Фактические нагрузки превышают расчетные. Наибольшую частоту имеет перегруз на 40% (45% случаев). Поэтому для предотвращения преждевременного разрушения дорожной одежды все настойчивее звучат требования увеличения класса расчетной нагрузки.

На основании указанных результатов исследований можно сделать вывод, что наиболее неблагоприятное влияние временных подвижных нагрузок ощущается при длине пролетов до 50 м. В этой зоне имеет место превышение фактических нагрузок, воздействующих на мост, по сравнению с нормативными нагрузками.

К вертикальным динамическим нагрузкам относятся в основном временные подвижные и сейсмические.

Динамическое воздействие экипажей связано с их инерционными свойствами, ударами колес на неровностях проезжей части, колебаниями надрессорной части экипажей, а также их ускорениями и торможениями.

Масса малого пролета соизмерима с массой движущихся экипажей. Жесткость малых пролетов относительно малая. Оба эти параметра: масса и жесткость, а также их соотношение, наряду с коэффициентом демпфирования и вынуждающей силой, определяют процесс колебаний пролетного строения.

Колебания пролетных строений малых мостов характеризуются высокими амплитудами, ростом частоты и увеличением инерционных нагрузок, что приводит в конечном счете к сокращению срока службы сооружений.

Учет динамических воздействий в действующем нормативном документе предусмотрен весьма грубо, без учета реальных физических процессов, сопровождающих работу пролетных строений — с помощью системы динамических коэффициентов. Длина пролетов, «перекрываемая» этими коэффициентами, составляет для железобетонных пролетных строений около 50 м (рис. 2.10). Максимальная величина этого коэффициента составляет 1,3. На основании последних исследований, проведенных в ЦНИИСе, предлагается поднять этот коэффициент до 1,4, а при расчете на местную нагрузку — до 1,5.

Рис. 2.10. Схема распределения динамического коэффициента для железобетонных автодорожных пролетных строений в соответствии со СНиП 2.05.03-84

Отрицательное воздействие колебаний наиболее полно определяется ускорением. Исследование этого параметра проведено применительно к разным конструкциям и разной длине пролетных строений (рис. 2.10 и 2.11). Результаты исследований свидетельствуют о том, что величины ускорений резко снижаются на пролетах длиной до 50 м. Те же закономерности характерны для частоты колебаний. Результаты исследований лаборатории вибродинамических испытаний ОАО ЦНИИС свидетельствуют о том, что динамические воздействия на мосты наиболее неблагоприятны для железобетонных пролетных строений длиной до 25 м и металлических — до 50 м.

Рис. 2.11. Ускорения сталежелезобетонных и металлических (а) и железобетонных (б) пролетных строений

Сейсмостойкость мостов связана в основном с решением проблемы перемещений мостовых элементов и снижения нагрузок на опоры. При этом важную роль играют диссипативные силы (силы сопротивления), которые определяют скорости, ускорения, величину перемещений и т.д. сооружений и их частей при их движении. Эти силы приводят к затуханию свободных колебательных процессов.

Среди разновидностей сил сопротивления можно выделить геометрическое рассеивание энергии вследствие ее излучения упругими волнами, возникающими в процессе колебаний в грунте. Эта составляющая диссипативных сил может быть в большей степени реализована на малых мостах, чем на больших.

В случае жесткого объединения гибких опор с пролетным строением (с образованием рамы) сейсмические воздействия передаются от пролетного строения на насыпи и грунты основания. Демпфирующие свойства грунта, поданным И.О. Кузнецовой (характеристика демпфирования меняется от 0,1 до 1,0), значительно выше, чем опор (характеристика демпфирования — от 0,06 до 0,1). Здесь нижняя граница соответствует слабым колебаниям, а верхняя — интенсивным.

Ввиду незначительной протяженности малых мостов следует ожидать синхронного колебания опор, в то время как на больших мостах возможны взаимные смещения соседних опор. Малые мосты характеризуются относительно меньшими массами опор и пролетных строений.

Фрикционное взаимодействие малого моста и насыпи с учетом верхнего строения пути или плиты проезжей части, общей для моста и насыпи, также способствует улучшению сейсмоизоляции малого мостового сооружения.

Особенностью малых мостов является то, что они, в отличие от больших, визуально меньше выделяются либо совсем не выделяются на фоне дорожных обустройств. В городах и населенных пунктах они являются частью дорог и улиц. Внедренные в городскую ткань, они в полной мере ощущают особые проблемы, связанные с кризисом системы городского транспорта. На малых мостах не исключены обгоны автомашин с расположением крайнего ряда машин близ барьерного ограждения, а не у кромки полосы безопасности, никак не выделенной на проезжей части.

Отсюда вытекает вывод, что малые мосты следует рассчитывать на то число полос движения, которое вмещается в габарит проезда, без учета полос безопасности. Такое загружение наиболее полно соответствует реальной картине эксплуатации мостов. В результате этого учитывается фактических перегрузок пролетных строений и крайних стоек опор.

Организация трехполосного движения даже вне городов, на дорогах II категории, уже давно является объектом внимания исследований.

«Цена» вопроса значительна. Только федеральные автомобильные дороги проходят через 2386 населенных пункта общей протяженностью 4,5 тыс. км, что составляет 10% от общей протяженности федеральных дорог.

Расчеты показали, что при загружении пролета длиной 12 м с габаритом Г— 11,5 двумя полосами движения в соответствии с прил. 1, табл. 1 СНиП 2.05.03—84 определяющей нагрузкой является НК-80, а при загружении пролета тремя полосами движения, без учета полос безопасности — All. Нагрузка от А11 превышает нагрузку от НК-80 на 24-28%.

Традиционная схема моста предполагает передачу горизонтальных продольных тормозных нагрузок на один из устоев, на котором установлены неподвижные опорные части. Эти нагрузки определяют геометрические параметры устоя. Другой устой из условий симметрии устраивают аналогично.

Продольные тормозные нагрузки относительно более неблагоприятны для малых мостов, чем для больших. Максимальная горизонтальная продольная автомобильная нагрузка при наличии, например, двух полос движения в каждую сторону в соответствии с [2] составляет 27,5 тс. Эта нагрузка собирается на участке длиной до 31,2 м и не возрастает с увеличением пролета, а с его уменьшением пропорционально снижается. Она передается на тормозную опору. Практика показывает, что именно горизонтальные нагрузки определяют параметры устоев малых мостов в отличие от больших мостов, параметры устоев которых определяются вертикальными нагрузками.

Действующие нормативные документы не учитывают, что часть тормозных нагрузок, воздействующих на малые мосты, воспринимается насыпями.

При расчете опор больших мостов определяющими являются именно поперечные горизонтальные силы.

На малых мостах поперечные горизонтальные силы значительно меньше, чем на больших. Полностью отсутствуют такие поперечные нагрузки как ледовая и от навала судов, пренебрежимо малой является ветровая нагрузка. Поэтому при расчетах опор малых мостов поперечными горизонтальными нагрузками можно, как правило, пренебречь.

Вследствие разного масштаба мостовых сооружений следует ожидать, что вертикальные нагрузки, передаваемые от опор малых мостов на грунты основания, будут существенно меньшими, чем от опор больших мостов.

Графически это показано на рис. 2.12. На нем изображены расчетные вертикальные автодорожные и железнодорожные нагрузки, передаваемые опорами на грунты основания в зависимости от длины пролетов. Мосты приняты в однопролетном варианте, устои — диванного типа. Нагрузки определены на основе информации типовых и индивидуальных проектов, а также дополнительных расчетных проработок.

Рис. 2.12. Вертикальное давление устоев на грунты основания

Несущая способность грунта характеризуется критической нагрузкой, которая вызывает микросдвиги в локальных областях. Зависимость между деформациями и напряжениями принимается линейной. В практике строительства критическое (допускаемое) давление на дресвяные, щебенистые и гравийно-галечниковые грунты принято в пределах от 2 до 6 кгс/см², на пески пылеватые насыщенные водой и средней крупности — от 1,5 до 3,0, на супеси насыщенные водой и сухие — от 1 до 2.

На рис. 2.12 зона давления в диапазоне от 1 до 2 кгс/см² выделена штриховкой. Этой зоне соответствуют автодорожные мосты с длиной пролетов от 30—40 до 70 м и более и железнодорожные мосты с длиной пролетов от 12—14 до 26—34 м.

Принятое допускаемое давление соответствует давлению, которое имеет место по подошве насыпи высотой от 5,5 до 11 м.