автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Метод оценки геодинамической безопасности железобетонных автодорожных мостов и технологии их мониторинга

На правах рукописи

Баранов Тимофей Михайлович

МЕТОД ОЦЕНКИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ МОНИТОРИНГА

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005557676

Иркутск-2014

005557676

Работа выполнена на кафедре «Мосты и транспортные тоннели» факультета «Строительства железных дорог» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Быкова Наталья Михайловна

Официальные оппоненты: Смирнов Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, профессор факультета «Мосты и тоннели» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «ПГУПС») Яшнов Андрей Николаевич

кандидат технических наук, доцент, доцент Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «СГУПС»)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский автомобилыю-дорожный

государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится «10» декабря 2014 года в 14 ч 00 м на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, д.191, ауд. 224. E-mail: Lys@stu.ru, тел. +7(383)328-04-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайтах ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», www.stu.ru

Отзывы на диссертацию и автореферат диссертации с указанием Ф.И.О., почтового адреса, телефона, адреса электронной почты, наименования организации и должности, подписанные и заверенные печатью организации в двух экземплярах, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «23» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Л Соловьев Леонид Юрьевич

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Эффективность развития экономики современной России во многом зависит от состояния транспортных магистралей. Географически территория России богата полноводными реками, пересечение которых транспортными магистралями осуществляется с помощью мостовых переходов. Безопасность и долговечность мостов обеспечивается комплексом инженерных решений на стадии проектирования, строительства и эксплуатации.

Учитывая, что по картам сейсмического районирования 60% территории России находится в сейсмически активных районах, а по данным фундаментальных геологических исследований русла рек часто совпадают с тектоническими нарушениями в Земной коре, геологические процессы оказывают влияние на искусственные сооружения, расположенные на транспортных магистралях. При этом любые проявления геодинамики: сейсмические, волновые, экзогенные или разломпо-криповые процессы могут вызывать накопление дополнительных не учтенных при проектировании сооружений напряжений, которые в комбинации с напряжениями от эксплуатационных нагрузок, повышают вероятность исчерпания грузоподъёмности, долговечности моста, а так же снижения уровня безопасности движения транспорта по нему. Системы мониторинга позволяют регистрировать показатели различных форм геодинамической активности и оценивать влияние на техническое состояние сооружении всею комплекса внешних нагрузок и воздействий.

Целью работы является повышение безопасности н эффективности содержания железобетонных автодорожных мостов в зонах активной геодинамики за счет оперативной оценки геодинамической безопасности с использованием технологий мониторинга.

Достижение цели осуществляется через решение ряда задач:

- проведение анализа современных проявлений активной геодинамики и связанных с ними повреждений мостов и использования систем мониторинга сооружений, реализующих различные принципы и методики;

- исследование возможностей расширения базы оценки технического состояния эксплуатируемых искусственных сооружений в условиях проявления геодинамических факторов;

- разработка метода оценки геодннампческой безопасности мостов при сейсмических и геодеформационных воздействиях;

- разработка математических моделей показателей геодинамической безопасности мостов;

- разработка системы оценки и мониторинга геодинамической безопасности применительно к конкретному мостовому переходу.

Предметом исследования выступают методы оценки технического состояния мостов, технологии мониторинга параметров мостов, технологии содержания мостов с учетом контроля показателей их геодинамической безопасности.

Объектом исследования являются большие и внеклассные автодорожные мосты, выполненные из железобетона всех типов, находящихся в сложных геодинамических условиях Восточной Сибири, Дальнего Востока и других местах с повышенной геодинамикой.

Научная новизна исследования состоит:

- в обосновании и введении нового потребительского свойства -«геодинамичсской безопасности мостов»;

- в методе оценки геодинамической безопасности мостов по категориям как части технической безопасности транспортных сооружений, эксплуатируемых в зонах активной геодинамики;

- в моделях показателей геодинамической безопасности при геодинамических и геодеформационных воздействиях;

- в научно-методологических аспектах формирования технологий мониторинга для обеспечения геодинамической безопасности мостов.

Практическая значимость заключается в возможности использования разработанных методов и технологий в системе содержания мостов, эксплуатируемых в местах с повышенной геодинамической опасностью. Структурирование и взаимное увязывание данных мониторинга сооружений, создание метода оценки геодинамической безопасности на основе получаемых данных позволяют повысить оперативность принятия решений по содержанию и эксплуатации моста, снизить риски появления повреждении в стадии эксплуатации в условиях проявления геодинамических факторов.

Методы исследования: системный анализ, статистические методы обработки данных, методы математического моделирования, инструментально - измерительные методы мониторинга и испытания мостов.

На защиту выносятся:

метод оценки геодинамической безопасности мостов по категориям;

- модели показателей геодинамической безопасности железобетонных автодорожных мостов при сейсмической геодинамике;

- модели показателей геодинамической безопасности железобетонных автодорожных мостов при разломно-криповон геодинамике;

- научно-методологические аспекты системы мониторинга геодинамической безопасности железобетонных автодорожных мостов;

- результаты мониторинга показателей и оценки геодинамической безопасности мостового перехода через р. Ангару в г. Иркутске.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, разработке теоретической части метода оценки геодинамической безопасности, организации и внедрении системы мониторинга геодинамичсской безопасности, в проведении работ по сбору, обработке и анализу данных системы мониторинга, определении расчётных показателей геодинамической безопасности конструкций и оценке геодинамической безопасности Академического моста через р. Ангару в г. Иркутске.

Достоверное гь материалов исследования подтверждается результатами математического и численного моделирования, натурными данными обследования мостов, инструментально-измерительными наблюдениями, данными испытаний опытной системы мониторинга.

Апробация результатов исследования проведена на семинарах кафедр ИрГУПС (2009-2013), СГУПС (2013), научно-технических конференциях и симпозиумах: «Проблемы и перспективы изыскании и проектирования строительства и эксплуатации Российских железных дорог» (Иркутск, в 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 годах), «Безопасность регионов -основа устойчивого развития» (Иркутск, 2009), Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Exploiting of Northeast Asia Transport Systems. Students and Post-Graduate Students Works Presented at the Second International Scientific-Applied Conference (Irkutsk -2009, 2010), The Second International Symposium on Innovation and Sustainability of Modern Railway (Иркутск, 2010), Международном геотехническом симпозиуме «Превентивные и геотехнические меры но уменьшению природных и техногенных бедствий» (Хабаровск, 2011).

По теме исследования опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включённых в перечень ВАК Мииобрнауки России. Общий объем публикаций по теме диссертации составляет 7,5 пл. (в т.ч. авт. 3,725 пл.).

Основные результаты диссертационного исследования внедрены в системе содержания мостового перехода через р. Ангару в г. Иркутске МУП «Служба эксплуатации мостов города Иркутска»

Структуру диссертации составляют введение, четыре раздела, заключение, список литературы, включающий 169 наименований. Общий объём диссертации составляет 152 страницы, в т.ч. 47 рисунков, 14 таблиц.

Основное содержание работы

В первом разделе проведён анализ требований к искусственным сооружениям, оценке технического состояния мостовых конструкций, описаны современные представления о геодинамике и степени её влияния на искусственные сооружения.

Современные нормы проектирования в целях обеспечения технической безопасности объектов транспортного строительства предусматривают расположение мостов

вне зон тектонических разломов, на участках речных долин с устойчивыми склонами. Однако такое расположение мостовых переходов далеко не всегда осуществимо на практике: речная сеть часто пролегает по тектоническим разломам, сложные формы рельефа так же бывают связаны с расположением тектонических разломов. При этом мостовые сооружения в процессе всего срока эксплуатации испытывают внешние геодинамические воздействия, вызывающие дополнительные усилия и напряжения в конструкциях. Следует отметить, что активность тектонических разломов проявляется как при сейсмических событиях, так и при «криповых» сдвигах, часто сопровождающихся динамическими импульсами.

Проблемами технической безопасности мостов занимаются во всем мире, в том числе российские ученые: С.А. Бокарев, В.И. Быстров, А.И. Васильев, С.Р. Владимирский, Г.М. Власов, В.П. Еремеев, Л.И. Иосилевский, Э.С. Карапетов, В.М. Картопольцев, В.М. Круглов, E.H. Курбацкий, H.H. Новожилова, A.B. Носарев, И.Г. Овчинников, В О. Осипов, П.М. Саламахин, В.Н. Смирнов, A.M., Уздин, Г.С. Шестоперов и многие другие.

При проектировании современных мостов надежность и безопасность конструкций обеспечиваются ограничением в рамках регламентируемых величин статических и динамических параметров эксплуатируемых сооружений в условиях функциональных нагрузок и воздействий природной среды. Из этого положения возникает требование к обеспечению безопасности больших и внеклассных мостов с точки зрения неучтенных при проектировании деформаций грунтовых массивов в основании опор, как гарантии невозможности наступления предельного состояния, при котором нормальная работа сооружения затрудняется. С течением времени деформации грунтовых массивов накапливаются, в сооружении возникают дополнительные напряжения, развиваются дефекты, и конструкция приближается к уровню исчерпания конструктивных запасов. До развития повреждений, регистрируемых существующей системой содержания мостов, без использования технологий мониторинга геодинамической безопасности текущее фактическое состояние конструкций моста остаётся неизвестным. В результате происходит скрытое снижение ресурса конструкции. В такой ситуации представляется целесообразным выделение понятия «геодинамической безопасности», как составляющей технической безопасности, гарантирующей защищенность конструкций от геодинамических, в том числе сейсмических, и геодеформационных воздействий.

Оценка закрепленных в нормах потребительских качеств сооружения, таких как грузоподъёмность, безопасность движения, долговечность, подразумевает определение состоят«! конструктивных элементов, сравнение этого состояния с требованиями норм и, как следствие, оценку по каждому потребительскому свойству в категориях. Наименее изученными, трудно прогнозируемыми при проектировании и не в достаточной степени учтёнными нормативными документами являются геодинамические процессы. При любых видах геодинамики проявляются волновые и импульсные геодинамические процессы, а так же остаточные смещения грунтовых пластов в виде геодеформационных воздействий.

Сейсмические и геодеформащюнные воздействия отражаются на состоянии любых транспортных сооружений железных и автомобильных дорог, особенно чувствительными к подобному роду воздействий являются железобетонные пролётные строения статически неопределимых систем автодорожных мостов. При обследовании мостов регистрируются нарушения геометрии элементов мостов, повреждения и деформации опор, опорных частей, пролётных строений, но при этом сложно определить причины таких повреждений. Актуальным является развитие систем содержания мостов с использованием методов мониторинга и оценки геодинамической безопасности.

Научные основы теории и практики мониторинга мостов в России стали разрабатываться последние 20 лет и нашли отражение в работах A.A. Белого, С.А. Бокарева, H.H. Бочкарёва, A.A. Васильева, О.В. Гарамова, С.Н. Дядькина, A.C. Карапетова, A.B. Картопольцева, В.И. Козлова, М.А. Коргиной, A.A. Никитчина, ИГ. Овчинникова, P.A. Самитова, В Н. Смирнова, М Л. Хазанова, E.J1. Щетининой, А.Н. Яшнова и других ученых. В настоящее время системы мониторинга мостовых сооружений выполняют локальные задачи контроля определенных параметров. Необходимы комплексные системы мониторинга мостов, увязанные с системой их содержания.

Во втором разделе раскрыта структура системы мониторинга геодинамической безопасности (СМГБ) в увязке с системой управления содержанием мостов, указаны основные цели создания системы мониторинга, принципы ее работы. Описаны основные геодинамические процессы и особегаюсти их проявления при эксплуатации сооружений, а так же технологии проведения мониторинга и оценка геодинамической безопасности сооружений.

Создание СМГБ, как любой другой системы, базируется на методах системного анализа. Проблемой строительства транспортных сооружений является сложность обеспечения гарантии их эксплуатации с нормированными свойствами в течение заданного срока службы на территориях с проявлениями геодинамической активности. Поэтому необходимо создание системы, целью которой будет являться обеспечение безопасной эксплуатации и эффективного содержания транспортных сооружений с заданными потребительскими свойствами в течение нормированного срока службы, в условиях проявления трудно предсказуемой геодинамической активности. СМГБ должна увязывать особенности проявления активности геодинамических процессов с работой конструкций моста с целью оперативной оценки и прогнозирования изменения их технического состояния на базе анализа контролируемых параметров. При этом выявляются причинно — следственные связи снижения грузоподъёмности, безопасности движения и долговечности мостов с учетом природных геологических факторов, что позволяет оценить состояние транспортных сооружений до развития в них повреждений. Оценка геодинамической безопасности и прогнозирование развития повреждений составляет основу развития системы содержания мостов, обеспечения безопасности транспортных сооружений. Понятие

геодинамической безопасности рассматривается как отдельное потребительское свойство моста.

Оценка геодинамической безопасности сооружений, как части системы технической безопасности, базируется на сложившихся принципах управления содержанием мостов, закреплённых в ВСН 4-81 и дополненных рядом отраслевых методических и нормативных документов. Автором представляется расширение критериев определения технического состояния мостов по пути оценки геодинамической безопасности. Метод оценки геодинамической безопасности сведен в таблицу 1. При проведении данной оценки вводятся понятия внешних, расчётных и допустимых показателей, коэффициентов и категорий геодинамической безопасности.

При сейсмических воздействиях внешними показателями Фди» являются регистрируемые акселерометрами значения ускорений грунтов в основании сооружения, характеризующие интенсивность землетрясений в баллах. При геодеформационных воздействиях внешними показателями Фдар являются определяемые при геодинамическом районировании и инструментальных наблюдениях амплитуды и направления смещений грунтовых пластов в контролируемых точках и их комбинации.

Методами определения внешних показателей геодинамической безопасности являются:

методы геодинамического, в том числе, сейсмического районирования;

методы сейсмомониторинга и геодезического мониторинга движений земной поверхности;

- методы контроля других параметров опасных геологических процессов.

Сейсморайонирование позволяет определить вероятностную интенсивность землетрясения в баллах, методы геодинамического районирования - предоставляют карты разломов с оценкой их активности и вероятными смещениями грунтовых пластов земной поверхности. Методы сейсмомониторинга и геодезического мониторинга накапливают банк регистрируемых данных, анализ которых обеспечивает фактические внешние показатели в месте расположения моста. Методы контроля других параметров опасных геологических процессов помогают понять и прогнозировать ход развития геологических процессов.

Допустимыми показателями ЩФ]т) являются параметры требований расчётов по второй группе предельных состояний. Выбор второй группы предельных состояний обусловлен обеспечением резерва времени для принятия решений по профилактическому ремонту до наступления повреждений.

Расчётные показатели определяются численным моделированием работы конструкций с учетом внешних показателей и фактического технического состояния конструкций. Расчётными показателями являются максимальные напряжения в конструкциях моста, полученные от комбинации транспортных нагрузок, усилий

предварительного натяжения арматуры, температурных, геодинамических и геодеформационных воздействий: ЩФдин), ЩФдеф)-

Таблица 1

Метод оценки геодинамической безопасности мостовых сооружений в период

эксплуатации при сейсмической и разломно - криповой геодинамике

Параметры оценки Сейсмическая геодинамика Разломно - криповая геодинамика

Внешние показатели геодинамической безопасности Интенсивность землетрясения в баллах шкалы М8К-64, магнитудах, энергетических классах, амплитуды, скорости и ускорения Амплитуды и направления смещений грунтовых пластов

Методы определения внешних показателей геодинамической безопасности Геодинамическое районирование (карты ОСР-97). Методы сейсмомониторинга. Геодинамическое районирование (карты разломов). Инструментальные наблюдения.

Методы определения допустимых показателей Нормативные требования расчетов железобетонных мостов по второй группе предельных состояний

Методы определения расчётных показателей геодинамической безопасности мостов Методы математического моделирования работы конструкций на регистрируемые системой мониторинга сейсмические воздействия, постоянные, проектные и эксплуатационные транспортные нагрузки. Методы математического моделирования работы конструкций на регистрируемые системой мониторинга геодеформационные воздействия, постоянные, проектные и эксплуатационные транспортные нагрузки.

Коэффициенты геодинамической безопасности мостов - Кгб Соотношение допустимых и расчётных показателей

Оценка геодинамической безопасности Определение категорий геодинамической безопасности в зависимости от коэффициентов К, /\ /у;"7 и наличия опасных повреждений

Управляющие решения для системы содержания мостов 1 категория — штатный режим движения нагрузки 2 категория — корректировка режимов наблюдений 3 категория - расчёт грузоподъёмности моста и назначение режимов движения транспортной нагрузки, определение предельных значений внешних показателей геодинамической безопасности

Для сейсмических воздействий общая реакция сооружения будет: ЩФци„)+ ЩФо); для геодеформационных воздействий: Н(ФЛ-ф) + ЩФо)- При этом ЩФо) - расчетные показатели от факторов негеодинамического происхождения, таких, как транспортные нагрузки, собственный вес конструкций и т.д. Достоверность получения расчётных показателей обеспечивается проведением мониторинга деформаций и напряжений в конструкциях, в отдельных случаях с использованием тестирования на испытательную нагрузку.

Коэффициент геодинамической безопасности (ГБ), характеризующий резерв работы сооружения, определяется отношением допустимых и расчётных показателей. Каждый проверяемый элемент конструкции имеет коэффициенты ГБ, соответствующие текущему уровню нагрузок и воздействий. При оценке геодинамической безопасности используется два коэффициента ГБ, соответствующие различному уровню нагружения конструкции

временными нагрузками. Первый коэффициент называется проектным, второй

коэффициент К_ эксплуатационным. Разница заключается в том, что первый определяется с учетом проектных транспортных нагрузок, второй - с учетом максимально регистрируемых системой мониторинга классов транспортной нагрузки.

Усилия в мостовых конструкциях, создаваемые проектными постоянными и временными нагрузками, как правило, не приводят конструкцию или её элементы к наступлению предельных состояний, оставляя некоторый запас или ресурс на восприятие неучтенных вероятностных факторов, в том числе, и геодинамического происхождения. Этот ресурс и оценивается коэффициентом ГБ. С точки зрения управления содержанием мостов необходима дифференцированная оценка геодинамической безопасности.

Л(Ф|1т)

К"'

К г,"" — -

й(ф"т)

(1) (2)

Автором предлагаются три категории геодинамической безопасности, зависящие от коэффициента ГБ (рисунок 1):

Штатный режим

Вторая группа Первая группа

предельных состояний предельных состоянии

Ы, N, О

¡НИИ 1 ими Ин2 ¡¡л

Категории

геодинамической

безопасности

Рисунок 1 - Категории геодинамической безопасности сооружений

1 категория - проектный коэффициент геодинамической безопасности КЦ >1;

2 категория - проектный коэффициент reo динамической безопасности <1,

эксплуатационный коэффициент К'^сп' >1;

3 категория - эксплуатационный коэффициент геодипамической безопасности

тг экспл Кгв <1-

При 1 категории ГБ техническое состояние моста удовлетворяет условиям штатного режима эксплуатации. Это значит, что расчётные показатели от проектных постоянных н временных транспортных нагрузок, а также, регистрируемых системой мониторинга геодинамичсских и геодеформационных воздействий, не превышают допустимых показателен из условия требований наступления второй группы предельных состояний.

При 2 категории ГБ расчётные показатели при тех же условиях, но с учетом проектных транспортных нагрузок, превышают допустимые показатели, но остаются в пределах 1 категории из расчега пропуска фактически регистрируемого класса нагрузок. Системой содержания мостов корректируются регламенты наблюдений, при этом режим пропуска транспорта остаётся без изменений. Разрабатываются прогностические модели работы конструктивных систем.

3 категория ГБ моста соответствует нештатной ситуации. Осуществляется внеплановый расчёт грузоподъёмности моста с учетом усилий от наблюдаемых геодинамических и геодеформационных воздействий, назначается соответствующий классу грузоподъёмности режим эксплуатации моста. По фиксируемому классу грузоподъёмное™ определяются предельные внешние показатели геодинамических и геодеформационных воздействий, для контроля их системами мониторинга.

При установке системы мониторинга предельные значения внешних показателей, регламетпруются расчётами на геодинамические и геодеформационпые воздействия, которые могут вызвать усилия в конструкциях, соответствующие наступлению 1 группы предельных состояний по проектным данным. Эти предельные значения могут быть снижены при наступлении 3 категории безопасности ГБ.

Рассмотрены технологии построения геодезического, деформационного и динамического мониторинга. Сформулированы задачи, основные положения работы систем сбора информации с помощью контрольно-измерительных систем, ориентированные на СМГБ. Показана необходимость использования как автоматизированных, так и неавтоматизированных систем мониторинга.

В третьем разделе рассматриваются математические модели расчётных и допустимых показателей ГБ в соответствии с теоретическими положениями второго раздела. Учитывая, что в условиях мониторинга удобнее контролировать напряжения, в качестве допустимых показателей Ж(!>'"") при оценке геодинамической безопасности рассмотрены параметры напряжений для выполнения нормативных требований расчётов по второй группе предельных состояний для элементов автодорожных и городских железобетонных мостов с категорией требований по трещипостойкости «2а», «26». Выбор таких допустимых показателей позволит своевременно отследить развитие опасных процессов. Расчётными показателями являются напряжения, соответствующие допустимым показателям.

Расчётные показатели (напряжения) при сейсмических воздействиях ЩФ^ин) определяются по внешним показателям с использованием аппарата динамики сооружений. При этом расчетные показатели удобно определять с использованием акселерограмм, регистрируемых системой мониторинга, решением динамических уравнений способами, используемыми в программно-вычислительных комплексах на базе конечно-элементных методов. Для контроля системами мониторинга предельных внешних показателей землетрясений, которые могут вызвать потерю несущей способности конструкций моста, рекомендуется применять линейно-спектральный метод. Расчётные показатели при геодеформацнонных воздействиях ЩФц^ф) находятся при помощи математических моделей статического расчёта сооружений.

Расчётные показатели для элемешов сооружения К(Ф^Р) вычисляются известными расчётными методами ог постоянных нагрузок гг воздействий с учетом загружения подвижными транспортными нагрузками проектных классов. Параллельно определяются расчётные показатели /?(Фит'™) от постоянных ггагрузок и воздействий с учётом загружения на подвижные транспортные нагрузки максимальных классов, зарегистрированных в ходе длительного мониторинга. Формирование расчётных показателей для определения коэффициентов геодинамической безопасности показано на рисунке 2.

Геодеформационные воздействия представляют собой перемещения опор, представленные линейными и угловыми перемещениями (кренами) относительно трёх осей координат. Каждый узел (точка перемещеггия) имеет шесть степеней свободы. Все возможные перемещения опор конструкции можно свести к виду матрицы А размерностью (и.тб), где п- количество опор моста:

«IX аг,

°2г .. ат, ак.

Л = ай .. ат \А, = ai=

■■ "hfx

■ "»»■ а*у

/'.„X ^iqe _

Па каждое перемещение опоры конструкция будет реагировать изменением напряжённо-деформированного состояния, обозначенным Я,. Все компоненты напряжений в контролируемых точках могут быть вынесены и определены от любого перемещения, равггого единице R,'.

= А, (4)

Внешние г при сейс возденет сказатели иических зиях, Внешние показатели при геодеформационных воздействиях, А (пхб) Проектные негеодинамические нагрузки и воздействия, Ф;-

> *

Мат. аппарат динамики сооружений (Линейно-спектральные, динамические методы, МКЭ) Мат. аппарат статического расчёта сооружений Мат. аппарат расчёта на подвижные и статические нагрузки

- 1 - ■

Расчетные показатели на действие сейсмических факторов, Расчетные показатели на действие геодеформационных факторов, ЩФ^ф} Расчетные показатели от проектных негеодинамических нагрузок, Я(ФдР)

4 1 1

Эксплуатационные негеодинамические нагрузки и воздействия,

фЭКСПЛ

Мат. аппарат расчёта на подвижные и статические нагрузки

Расчетные показатели от эксплуатационных не геодинамических нагрузок,

I-

Определение коэффициента ГБ

К(ф<-)

) - я(ф«;) - )

Рисунок 2 - Формирование расчётных показателей для определения коэффициентов геодипамической безопасности Напряжения находятся в заранее определенных точках, обозначаемых положением в конструкции (£\/;: I - количество ссчсний; 5 - количество точек в каждом ссчсннн. В формуле (4) реакция сооружения затрагивает все определённые точки конструкции:

П„ - г..

Я,

(5)

'ш - гш

Общая реакция конструкций на перемещения опор характеризуется нормальными, касательными и главными напряжениями:

г, = (6) Действующие в конструкциях напряжения являются суммой компонент реакций на перемещения каждой опоры:

(7)

На конструкции моста действуют проектные нагрузки Ф0: постоянные, временные и прочие без учета коэффициетов надёжности. При этом в контролируемых точках вычисляются напряжения, сводимые в массив аналогично (5):

~г(Ф1-)п ... г(ф;-)п

г(Ф?)ъ

где г(Ф0"')= ____ЛФ?)\ аналогично(6).

Фактически действующие на мост нагрузки определяются показаниями системы мониторинга и представляются в виде массива напряжений (8) с учётом (6).

Допустимые показатели ГБ формируют вектор параметров в соответствии с требованиями расчетов по 2 группе предельных состояний:

Д(ф|!т) = к„сг;Я*,„г ;Л»;я4>-] {9)

Для каждой проводимой проверки в конструкциях вычисляется массив коэффициентов геодинамической безопасности, охватывающий все контролируемые точки. Анализ такого массива позволяет установить минимальные значения коэффициентов геодинамической безопасности по контролю каждого вида напряжений:

'К1 „ ... К'.

Кк =гшп

(10)

К*,, ... К*

п:" п1

Для назначения категории геодинамической безопасности сооружения выбирается минимальный коэффициент Кгг„ полученный по А-му количеству проводимых проверок:

К =т1п[л"' ;К2 -,..Хк ] ,т

/К ь ГБ Г5 ГБ * Си

Оценка категории геодинамической безопасности мосгов производится математическом блоке системы мониторинга геодинамической безопасности (СМГБ). СМГБ автодорожных железобетонных мостов позволяет оперативно отслеживать процесс изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций, оценивать и прогнозировать развитие неблагоприятных деформационных процессов, в зависимости от которых формируется план профилактических мероприятий по обеспечению безопасной и эффективной эксплуатации мостов.

СМГБ автодорожных железобетонных мостов (рисунок 3) включает:

- инструментально - измерительный комплекс, состоящий из подсистем геодезического, деформационного и динамического мониторингов;

- блок математического моделирования и анализа работы конструкций, оценки и анализа геодинамической безопасности сооружения;

блок управляющих решений с набором организационных и конструктивно-технологических решений.

А

Архивная информация

Геодина мическое районирование

Система мониторинга геодинамической безопасности мостов

Инсгрумеиталып-измерительный комплекс

Геодезический мониторинг

Блок математического ^моделирования и анализа

Деформационный мониторинг

Динамический мониторинг

Определение категорий геодинамической безопасности

Блок управляющих решений

Для 3 категории расчет

внешни! показателей

Режимы пропуска нагрузки. Меры по повышению геодинамической безопасности

Система содержания

Рисунок 3 - Структура системы мониторинга геодинамической безопасности мостов

Исходными данными для системы являются проектная, исполнительная документация, материалы обследования и содержания моста, сведения о выполнении ремонтов. Архивы также содержат информацию о длительных инструментальных наблюдениях. Геодинамическое и сейсмическое районирование уточняет проектные предпосылки, дополняет их характеристиками вероятной активности имеющихся разломов в зоне мостового перехода. По данным районирования, анализу расположения мостового перехода, особенностям конструкций моста определяется набор инструментально -измерительного оборудования и технологий мониторинга. Инструментально -измерительный комплекс работает с программным обеспечением, позволяющим передавать, принимать, обрабатывать и анализировать информацию. В блок математического моделирования и анализа работы конструкций передается информация о внешних показателях геодинамических, геодеформационных, климатических и других внешних факторах, а также, статических и динамических параметрах работы мостовых конструкций.

В блоке математического моделирования и анализа работы конструкций с использованием численных моделей динамического и статического расчёта определяются расчётные показатели, коэффициенты сопоставления их с допустимыми показателями, назначается категория геодинамической безопасности. Для 3 категории выполняется контроль грузоподъёмности мостовых конструкций и корректировка предельных внешних показателей, назначенных при проектировании сооружения. В соответствии с категорией

Рисунок 4 - Расположение приемника Рисунок 5 - Схема расположения GPS

GPS приемников и базовой станции

Результаты работы систем автоматизированного геодезического мониторинга представлены перемещениями контролируемых точек в плане. На рисунок 6 (а, б) приведены графики перемещений трёх точек относительной базовой станции, полученные с использованием КИХ-фильтрации данных мониторинга. Положительные направления

геодинамической безопасности в блоке управляющих решений, связанном с системой содержания моста, формируются режимы пропуска нагрузки, меры по повышению геодинамической безопасности сооружения.

В четвёртом разделе проведена оценка геодинамической безопасности Академического моста через реку Ангару в г. Иркутске с использованием системы мониторинга геодинамической безопасности. Система мониторинга геодинамической безопасности моста создана в 2008 г., включает автоматизированные и неавтоматизированные подсистемы, численные модели моста. Автор принимал участие в установке инструментальных систем мониторинга, разрабатывал численные модели работы конструкций, выполняет оперативную оценку геодинамической безопасности моста по предложенному методу в увязке со всеми системами контроля. Система мониторинга включает геодезическую, деформационную и динамическую подсистемы. Геодезическая подсистема создана на опорной геодезической сети, расположенной на территории мостового перехода. Наблюдения выполняются периодически на основе съемок с использованием GPS-оборудования, тахеометрической съёмки, высокоточного нивелирования и лазерного сканирования. Автоматизированная часть мониторинга установлена позже и представлена тремя одночастотными GPS-приемниками фирмы «Leica» на самом мосту (рисунок 4) и базовой двухчастотной GPS/Глонасс станцией, установленной на здании Иркутского государственного университета путей сообщения (рисунок 5). Данные собираются и передаются с помощью интернет-канала и обрабатываются с использованием специализированных пакетов "Leica GNSS Spider" и "Leica Geomos" и специализированной программы «Analyser». g

смещений ориентированы в соответствие с осями координат (рисунок 8 (б)). За полтора года выявлены смещения контролируемых точек предположительно сезонного характера. Максимальные горизонтальные смещения опор составили величины 10-25 мм, вертикальные — 7 мм.

Система деформационного мониторинга установлена внутри неразрезных предварительно напряженных железобетонных коробчатых пролетных строений в русловой части в 2008 году, позднее дополнена автоматизированным комплексом, включающим систему датчиков (тензорезисторы, струнные датчики), аппаратуру сбора данных, антенны передачи данных и специализированное программное обеспечение. Обработка данных выполняется в Центре мониторинга. Адекватность работы деформационной системы и численных моделей подтверждена в ходе испытаний моста высокими конструктивными коэффициентами до 0.97.

Рисунок 6 - Смещения контролируемых точек в плане (а - продольные к оси моста; б - поперечные к оси моста) Система автоматизированного деформационного мониторинга состоит из 12 пар тензодатчиков и трёх датчиков температуры, расположенных по пролётному строению. Анализ данных, проведенный автором, с использованием различных фильтров позволил определить диапазон напряжений от транспортных нагрузок, тренда деформаций, связанных с ползучестью бетона. В качестве примера приведены графики напряжений по трём контролируемым точкам в середине пролёта 9-10 вверху (XI) и внизу (ХЗ и Х4) коробчатого сечения железобетонной балки и температуры (с масштабным коэффициентом 10) в

различном масштабе времени и с использованием различных настроек фильтров. На рисунке 7 (а) приведены напряжения за два месяца, на рисунке 7 (б) - за 30 месяцев работы.

По данным работы автоматизированной системы деформационного мониторинга:

- определён средний текущий и максимальные уровни загрузки транспортом в классах нагрузки АК, максимальный класс проходящей нагрузки составил К = 3.1;

- максимальная температура пролетного строения составила +21 °С; минимальная - -26 °С.

величины долговременных деформаций в контролируемых точках пролетного строения за 900 дней наблюдений составили до 200 кПа с учетом постоянного модуля

упругости бетона. _х) _хз__„ _т,

а)

840 860 880 900 930

II 2¡is I 1 I Я 1 s 8 S 2

3 8 SSSB S 8 8 У ~ s 5 = =

Рисунок 7 — Графики напряжений в бетоне пролётного строения в точках XI, ХЗ, Х4 и температуры (а- за период 23.04.2012 - 8.06.2012; б - за период с апреля 2010 по февраль

2013 г)

Используя данные смещений, представленных на рисунке 6 и формулы (4, 7), определяется реакция пролётного строения в виде наборов напряжений (6) в

контролируемых точках. Для определения реакций пролетных строений на внешние геодинамические воздействия в программном комплексе Midas/Civil был создан ряд численных моделей, включающих элементы конструкций пролетного строения, опор и опорных частей, а так же фундаментов и массива грунта в основании. Фрагмент численной модели представлен на рисунке 8

В расчётах модели учитывались постоянные и эксплуатационные транспортные нагрузки. В качестве геодеформационных воздействий заданы единичные линейные и угловые перемещения каждой опоры по направлениям осей вдоль, поперек продольной оси моста и по вертикали. Система динамического мониторинга за период эксплуатации фиксировала сейсмические события интенсивностью не более четырёх баллов. Записи акселерограмм сейсмических воздействий использовались для определения расчётных показателей. В результате расчётов в коробке руслового пролётного строения получены расчётные показатели (массивы напряжений) от единичных геодеформационных воздействий с учетом регистрируемых перемещений опор - R,' и сейсмических воздействий - ЩФдин), а также массивы напряжений от факторов негеодинамического происхождения с учетом проектных Я(Ф^) и эксплуатационных «(Ф^™) транспортных нагрузок.

Оп. № 7

Рисунок 8 - Численная модель моста (а - фрагмент опоры и пролётного строения; б - деформации от единичного перемещения опоры №9 по вертикали; в - деформации от единичного поворота опоры №10 вокруг своей вертикальной оси) Проектный минимальный коэффициент ГБ по всем контролируемым точкам руслового пролетного строения по набору проведённых проверок на текущие геодинамические воздействия больше единицы. Аналогично осуществляется контроль коэффициентов геодинамической безопасности конструкций опор и пойменных пролётных строений.

Мосту присвоена 1 категория гсодинамической безопасности, что позволяет эксплуатировать мост в штатном режиме. Система геодезического мониторинга продолжает накапливать данные по изменению геодеформационных воздействий, система динамического мониторинга регистрирует сейсмические события, система деформационного мониторинга - контролирует работу конструктивных систем моста. В блоке математического моделирования определяются расчетные показатели, коэффициенты ГБ и назначается категория геодинамической безопасности, в зависимости от которой назначаются управляющие решения Службы содержания моста.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В целях повышения технической безопасности и эффективности эксплуатации железобетонных автодорожных мостов в условиях активной геодинамики предложен метод оценки их геодииамической безопасности. Акцепт сделан па сейсмические события и геодеформационные воздействия в результате остаточных смещений фунтовых пластов. Геодинамическая безопасность представлена как дополнительное потребительское свойство мостов наряду с грузоподъёмностью, долговечностью, безопасностью. Метод оценки геодинамической безопасности включает в себя назначение одной из трёх категорий в •зависимости от минимальных коэффициентов геодинамической безопасности элементов конструкции, определённых расчётным путем по данным систем мониторинга моста.

2. Разработана методика и модели определения расчётных и назначения допустимых показателей, определяющих коэффициенты геодинамической безопасности. В качестве допустимых показателей рассматриваются параметры, соответствующие требованиям расчётов по 2-й группе предельных состояний. Расчётными показателями являются контролируемые напряжения от постоянных и временных транспортных нагрузок с учетом сейсмических и геодеформационных воздействий по данным мониторинга.

3. Сформулированы основные положеггия и структура СМГБ, включающая геодезический, деформационный, динамический и другие виды мониторингов, блок математического моделирования конструкций и оценки геодинамической безопасности моста. Задачей геодезического мониторинга является контроль внешних показателей геодеформациогшых воздействий по изменению положеггия пунктов геодезической сети. Деформационный мониторинг отслеживает изменения напряжённого-деформированного состояния конструктивных систем, развитие повреждений и деформаций. Динамический мониторинг решает задачи контроля внешних показателей сейсмических событий, параметров проезда транспорта и динамических свойств конструктивных систем.

4. Разработаны математические модели определения расчётных показателей при сейсмических и геодеформационных воздействиях. Рекомендовано при сейсмических воздействиях расчётные показатели определять численными методами с использованием

акселерограмм, регистрируемых системой мониторинга. При геодеформационных воздействиях дополнительные усилия геодинамического характера определяются численным моделированием работы конструкций на единичные геодеформационные воздействия с последующим пересчётом на зафиксированные геодезической системой мониторинга перемещения опор моста.

5. Предложенная технология содержания мостов с использованием СМГБ разработана и внедрена применительно к Академическому автодорожному железобетонному мосту через р. Ангару в г. Иркутске, построенному па пересечении разломов в активной сейсмической зоне.

Анализ результатов наблюдений за период 2008-2013 гг. позволил выявить закономерности поведения мостового перехода:

установлено, что максимальные перемещения опор имеют величины: в продольном направлении 7-18 мм; в поперечном - до 10 мм, по высоте - до 7 мм;

определены диапазоны напряжений, соответствующие температурным режимам, проходящей транспортной нагрузке;

выявлены изменения напряжений бетона в результате падения напряжений в пучках вследствие ползучести бетона;

зарегистрированы акселерограммы текущих сейсмических событий интенсивностью от 2 до 4 баллов по шкале М8К-64.

6. По предложенному методу проведена оценка геодинамической безопасности автодорожного железобетонного моста через р. Ангару на восприятие геодинамических и геодеформационных воздействий. На текущий момент мосту соответствует 1-я категория геодинамической безопасности, что позволяет эксплуатировать мост в штат ном режиме.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в работах: Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах изданиях, рекомендованных ВАКМинобрнаукп России:

1. Баранов Т. М. Система автоматизированного мониторинга геодинамической безопасности юродских мостов / Н. М. Быкова, Д. А. Зайнагабдинов, 13. О. Мишутин, Т. М. Бараггов // Траггспортггое строительство - 2011. - №7. - С. 11-13. (0,5 п.л., в т.ч. авт. 0,125 н.л.)

2. Баранов Т. М. Оценка безопасности мостов при геодеформационпых воздействиях / Т. М. Баранов // Науковедение : электронный журнал - 2013. - №1 - доступ : http://naukovcdenie.ru/PDF/60tvnl 13.pdf. - 15.03.2013. (авт. 0,5 п.л.)

3. Баранов Т. М. Развитие систем содержания мостов с учетом мониторинга гсодинамичсских параметров / Т. М. Баранов, II. М. Быкова//Транспортное строительство -2013,-№4.-С. 17-20. (0,5 пл., в т.ч. авт. 0,25 п.л.)

4. Баранов Т. М. Оценка безопасности мостов ггрн гсодинамичсских воздействиях / Т. М. Бараггов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - № 3 - С 231-235. (авт. 0,5 п.л.)

Статьи в научных журналах, сборниках научных трудов и материалов научно-практических конференций:

5. Быкова H. М. Об особенностях работы строящегося моста через реку Ангара / II. М. Быкова, В. В. Созинов, С. В. Хромых, Т. М. Баранов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : Тр. Вссрос. научно-практ. коиф., Том 1. - Иркутск : ИрГУПС, 2009. - С. 155-159. (0,5 п.л., в т.ч. авт. 0,125 пл.)

6. Быкова И. М. Обеспечение безопасности транспортных магистралей на активных геоструктурах / H. М. Быкова, Д. А. Зайнагабдинов, T. М. Баранов // Безопасность регионов -основа устойчивого развития // Материалы второй научно-практической конференции, 28 сентября - 01 октября 2009 г. Том 2. - Иркутск, 2009. - С. 50-55. (0,5 пл., в т.ч. акт. 0,17 п.л.)

7. Bikova N. M. Bridges Safety in Zones of Active Crush Tectonics / N. M. Bikova, T. M. Baranov H Problems and prospects of survey, design, construction and exploiting of Northeast Asia transport systems : students and post-graduate students works presented at the Second International Scicntific-Applied Conférence. - Irkutsk, 2009. - P. 23-31. (0,5 п.л., в т.ч. авт. 0,25 пл.)

8. Быкова H. М. Особенности использования метода конечных элементов. Упругий континуум / II. М. Быкова, T. М. Баранов, И. 10. Резник // Информационные и математические технологии в науке и управлении : тр. XIV Байкальской Всероссийской конференции. Том 1. - Иркутск, 2009.-С. 119-123. (0,5 пл., в т.ч. авт. 0,17 пл.)

9. Баранов Т. М. Обследование и испытание нового моста через реку Ангара низового направления (2-й пусковой комплекс) в г. Иркутске / T. М. Баранов, Д. А. Зайнагабдинов, Е. С. Торбин, И. С. Яременко II Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : тр. 4 научн-пр.конф.с международ.уч-ием, Том 2. - Иркутск, 2010. - С. 40-47. (0,5 пл., в т.ч. авт. 0,125 пл.)

10. Bikova N. M. The Combined System of Geodynamic Safety Monitoring During the Maintenance of Transport Constructions / N. M. Bikova, D. A. Zainagabdinov, T. M. Baranov II The Second International Symposium on Innovation and Sustainability of Modem Railway. -September, 2010. - P. 62-68. (0,5 пл., в т.ч. авг. 0,17 п.л.)

11. Созинов В. В. Разработка математической модели руслового пролетного строения моста через р. Ангару в г. Иркутске / В. В. Созинов, С. В. Хромых, Т. М. Баранов // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог : тр. 4 научно-пр.конф.с международ.уч-ием, Том 2. - Иркутск, 2010. - С. 4758. (0,5 пл., вт.ч. авт. 0,17 пл.)

12. Быкова И. М. Технологии управления геодинамической безопасностью и долговечностью городских мостов / H. М. Быкова, Т. М. Баранов // Превентивные и геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий : Материалы 4-го международного геотехнического симпозиума. - Хабаровск, 2011. - С. 225-229. (0,5 пл., в т.ч. авт. 0,25 п.л.)

13. Быкова II. М. Геодннамическая безопасность городских мостов и автоматизированные системы мониторинга/ H. М. Быкова, Д. А. Зайнагабдинов, Т. М. Баранов // Журнал современных строительных технологий «Красная линия». Выпуск «Дороги». - 2012. - № 58. - С. 34-37.. (0,5 п.л., в т.ч. акт. 0,17 п.л.)

14. Кашковский В. В. Особенности обработки информации автоматизированного деформационного мониторинга мостов / В. В. Кашковский, Т. М. Баранов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : Материалы третьей всероссийской научно-практической конференции 15-19 мая 2012г. Иркутск : В2т. - И ркутск: Изд. ИрГУПС, 2012. -С. 503-510. (0,5 пл., вт.ч. авт. 0,25 пл.)

15. Баранов Т. М. Особенности методологии мониторинга геодинамической безопасности мостов /Т. М. Баранов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : Материалы третьей всероссийской научно-практической конференции 15-19 мая 2012г., Иркутск : В2т. - Иркутск : Изд. ИрГУПС, 2012. - С. 511-517. (авт. 0,5 п.л.)

Подписано в печать: 14.10.2014 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. 994н.

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка» БФ Сосновгеология. Юридический адрес: г. Иркутск, ул. Трактовая, дом 9. ИНН 7706042118 Справки и информация: тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498