автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование нормативных требований к содержанию мостового полотна на железобетонных пролетных строениях с ездой на балласте

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (СГУПС)

ПРИБЫТКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ НОРМАТИВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К

СОДЕРЖАНИЮ МОСТОВОГО ПОЛОТНА НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЯХ С ЕЗДОЙ НА БАЛЛАСТЕ

Специальность: 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2006

Работа выполнена на кафедре «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Бокарев Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ефимов Павел Петрович, кандидат технических наук, доцент Зенин Александр Викторович

Ведущая организация: Сибирский институт по проектированию инженерных сооружений и промышленных предприятий путевого хозяйства и геологическим изысканиям "Сибгипротранспуть" -филиал ОАО "РЖД"

Защита состоится «22» февраля 2006 г. в И часов на заседании диссертационного совета Д 218.012.01 при Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 226, тел./факс (383) 228-76-04.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщения.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «2Р ъгхи&рр! 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Попов А.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На сети железных дорог России эксплуатируют более восьмидесяти тысяч мостов, труб, тоннелей и других искусственных сооружений. Из общего количества железнодорожных мостов более 70% составляют железобетонные мосты. Около 95% их пролетных строений выполнены из обычного железобетона.

Действующие требования к состоянию мостового полотна с ездой на балласте на железнодорожных мостах не вполне обоснованы. Нормативные величины, а также степень опасности отклонений от них фактических значений толщины балласта, плеча балластной призмы и эксцентриситета пути, учитываемая при оценке технического состояния мостов, установлены методом экспертных оценок. При этом значения нормативных величин не всегда взаимосвязаны с эксплуатационными характеристиками пролетных строений.

Безопасное движение поездов по искусственным сооружениям, непосредственно связанное с их надежностью, было и остается одной из основных задач при организации эксплуатации ИССО. Сложившаяся система содержания искусственных сооружений, целью которого является обеспечение исправного состояния ИССО для безопасного и бесперебойного пропуска поездов, имеет ряд существенных недостатков, снижающих ее эффективность в современных условиях. Актуальность исследования обусловлена очевидной необходимостью обновления технического и технологического регламента эксплуатации и обслуживания мостов. Требования технического регламента должны быть основаны на результатах научных исследований в области надежности мостов, а оценка технического состояния должна производиться по показателям надежности.

Многими исследователями отмечается, что для реализации этого подхода необходимо создание и внедрение в эксплуатацию информационно-аналитической системы управления содержанием искусственных сооружений.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является обоснование нормативных требований к мостовому полотну на балласте на основе уточненной методики оценки технического состояния железобетонных пролетных строений по параметрам надежности. Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать структуру базы данных, программное обеспечение информационно-аналитической системы нового поколения АСУ ИССО у.З и сформировать банк данных по искусственным сооружениям;

- провести обследование и собрать информацию о железобетонных мостах с ездой на балласте, эксплуатируемых на сети железных дорог России, для выяснения их фактического технического состояния;

- провести анализ информации с целью выявления связей характеристик мостового полотна между собой,(осо^енно" стями пролетных строений и сроком ,их сл'риодиотЕКА {

- разработать методику оценки влияния состояния мостового полотна на надежность железобетонных пролетных строений;

- разработать алгоритмы и выполнить вероятностные расчеты железобетонных пролетных строений, по результатам которых сделать предложения по корректировке нормативных требований к состоянию мостового полотна с ездой на балласте.

Научную новизну работы составляют:

- структура базы данных, программное обеспечение информационно-аналитической системы управления содержанием искусственных сооружений нового поколения АСУ ИССО у.З и банк данных по конструкции и состоянию искусственных сооружений;

- результаты обследований железобетонных мостов с ездой на балласте;

- методика оценки влияния состояния мостового полотна с ездой на балласте на безотказность железобетонных пролетных строений;

- предложения по назначению границ степени развития дефектов мостового полотна, соответствующих категориям их опасности при выполнении оценки технического состояния железобетонных пролетных строений по параметрам надежности;

- предложения по изменению нормативных требований к состоянию мостового полотна с ездой на балласте.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением методов исследования и математических моделей, широко используемых в науке и в практике проектирования мостовых конструкций и железнодорожного пути.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные требования к состоянию мостового полотна с ездой на балласте при их соблюдении позволят поддерживать требуемый уровень надежности железобетонных пролетных строений мостов. Установленное автором соответствие степеней развития дефектов мостового полотна категориям их опасности, используемое при оценке технического состояния мостов, дает возможность определить изменение вероятности безотказной работы пролетных строений при наличии и изменении отклонений характеристик мостового полотна от требований норм, что является важным при планировании ремонтных работ. Разработанная автоматизированная система нового поколения АСУ ИССО позволяет накапливать и анализировать информацию о конструкциях и состоянии искусственных сооружений, реализует алгоритмы оценки их технического состояния. С помощью АСУ ИССО решается задача информационно-аналитического обеспечения процесса управления состоянием искусственных сооружений, повышается актуальность и достоверность информации о сооружениях.

Результаты данной работы вошли в следующие нормативные документы:

- Руководство мостовому мастеру / Департамент пути и сооружений

МПС России, утв. 2003 г.

- Инструкция по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации. / Департамент пути и сооружений ОАО «РЖД». - М.: Транспорт, 2005. 62 с.

Разработанная при участии автора информационная система АСУ ИССО внедрена и применяется на всех железных дорогах - филиалах ОАО «РЖД» и в департаменте пути и сооружений ОАО «РЖД» (регистрационный номер № 664-2 в ОФАП МПС России от 31.03.03 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены:

- на 9-ой Сибирской (международной) конференции по' железобетону, организованной Обществом железобетонщиков Сибири и Урала и проведенной в Новосибирске в 2002 г.;

- на IV Всероссийской конференции «Проблемы качества в строительстве» в Новосибирске, 2003 г.;

- на семинаре-совещании по проблемам АСУ Путевого хозяйства в Красноярске, 2004 г.

- на 65-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в Днепропетровске, 2005 г.

- на семинаре-совещании по проблемам АСУ Путевого хозяйства в Челябинске, 2005 г.

- на объединенном семинаре пяти кафедр СГУПС.

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

На защиту выносятся:

- автоматизированная информационная система управления содержанием искусственных сооружений нового поколения АСУ ИССО у.З и база данных по конструкции и состоянию искусственных сооружений;

- методика оценки влияния параметров мостового полотна на балласте на безотказность железобетонных пролетных строений;

- предложения по нормированию параметров мостового полотна на балласте;

- предложения по назначению границ степени развития дефектов мостового полотна, соответствующих категориям их опасности при выполнении оценки технического состояния железобетонных пролетных строений по параметрам надежности.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 126 страницах и содержит 38 рисунков и 22 таблицы.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации дан обзор конструкций железобетонных пролетных строений и мостового полотна с ездой на балласте, применяемых на железных дорогах России, и современных представлений об их совместной работе. Приведены сведения о действующих и перспектив-

ных методиках оценки технического состояния мостов на железных и автомобильных дорогах России, а также о применяемых в России и за рубежом автоматизированных информационных системах управления содержанием искусственных сооружений.

Конструкции пролетных строений отличаются большим многообразием - с начала XX века и по сегодняшний день установлены и эксплуатируются пролетные строения, запроектированные под нагрузки 1907 г,. 1925 г., Н7, Н8 и С14. Основная масса пролетных строений - это плитные или ребристые (с числом ребер от двух до четырех) конструкции, выполненные из обычного железобетона. Диапазон перекрываемых ими пролетов - от 1,3 м до 16,5 м.

Исследованию работы, вопросам эксплуатации, оценки надежности и расчету железобетонных пролетных строений с мостовым полотном с ездой на балласте, посвящены труды Власова Г.М., Евдокимова В.А., Иосилевского Л.И., Круглова В.М., Мамажанова Р.К, Устинова В.П., Чиркова В.П., Яшнова А.Н. и других. Данные многочисленных обследований, проведенных сотрудниками СГУПС, МИИТ, НИИ Мостов, ДВГУПС, мостостанций и линейных предприятий железных дорог России и др., показывают, что около 45% эксплуатируемых железобетонных пролетных строений имеют различные дефекты несущих конструкций. Выполненные с учетом дефектов несущих конструкций расчеты грузоподъемности пролетных строений показывают, что их текущее состояние, за редким исключением, обеспечивает пропуск обращающейся нагрузки без ограничений.

Работы Башкатовой JI.B., Карпущенко Н.И., Лыскжа B.C., Певзнера В.А., Сазонова В.Н, Шахунянца Г.М., Яковлевой Т.Г. посвящены проблемам расчетов, эксплуатации и обеспечения надежности железнодорожного пути.

Конструкция мостового полотна с ездой на балласте регламентируется «Указаниями по устройству и конструкции мостового полотна на железнодорожных мостах». В этом нормативном документе приведены требования к элементам мостового полотна - балластной призме, верхнему строению пути, охранным приспособлениям, тротуарам и убежищам. Требования к содержанию мостового полотна изложены также в «Инструкции по содержанию искусственных сооружений...» ЦП-628. Влияние компонентов мостового полотна на работу пролетных строений, величину их полезной несущей способности сложно и, в отдельных случаях, неоднозначно. Известно, что от жесткости рельсов, шпал, свойств и состояния балласта зависит характер распределения нагрузки от подвижного состава на пролетное строение, величина динамического воздействия поездной нагрузки, устойчивость пути в продольном и поперечном направлении. В данной диссертационной работе уделено внимание трем нормируемым характеристикам мостового полотна - толщине балласта под шпалой, плечу балластной призмы и эксцентриситету пути, показанным

на рисунке 1.

Плечо Толщина балласта

Вопросы надежности и эксплуатации искусственных сооружений и строительных конструкций в целом освещаются в работах Бобылева К.Б., Бокарева С. А., Болотина В.В., Боровик Г.Б., Ефимова П.П., Картополь-цева В.М., Козьмина Ю.Г., Кондратова В.В., Осипова В.О., Перельмутера A.B., Смирнова A.B. и других. С А. Бокаревым было предложено оценивать состояние искусственных сооружений на железных дорогах по характеристикам (показателям) их надежности. Согласно описанному в его монографии подходу, для каждого элемента искусственного сооружения должен быть проведен детальный анализ дефектов и повреждений и разработана (или уточнена) соответствующая методика определения показателей надежности - вероятности безотказной работы, остаточного срока службы, стоимости ремонта. В результате становится возможным выполнение общей оценки состояния сооружения, в которой будут учтены особенности его конструкции и условий эксплуатации; появляется возможность прогнозировать изменение технического состояния сооружений во времени. Целесообразно и для мостового полотна дать оценку нормируемых характеристик (толщины балласта под шпалой, эксцентриситета пути и плеча балластной призмы) по степени их влияния на надежность пролетного строения. Реализация такого подхода, основанного на вероятностной трактовке понятий надежности, требует наличия полной и достоверной информации о конструкциях эксплуатируемых сооружений и их неисправностях, а также автоматизированных средств ее анализа.

Во второй главе дано описание принципов разработки АСУ ИССО нового (третьего) поколения, освещены проблемы ее внедрения на сети железных дорог России. Цель внедрения АСУ ИССО на сети железных дорог России - обеспечение безопасности движения, повышение эффек-

тивности капитальных вложений и производительности труда за счет использования информационных технологий, возрастания достоверности данных по ИССО, решения аналитических задач на ранее недоступном уровне. АСУ ИССО третьего поколения является развитием предыдущих версий этой программы, созданных в Сибирском государственном университете путей сообщения (разработчики С.А. Бокарев, Ю.Н. Мурованный, A.M. Усольцев, Д.Н.Цветков, А.Н. Яшнов, Ю.В. Рыбалов и другие). При разработке новой версии АСУ ИССО автором диссертационной работы была переработана и дополнена структура базы данных, создано новое программное обеспечение.

Автоматизированная информационная система АСУ ИССО третьего поколения является частью комплекса АСУ ПХ. Все подсистемы, входящие в этот комплекс, строятся на следующих основных принципах:

- единая база данных, работающая под управлением СУБД IBM DB2;

- программное обеспечение реализуется в сетевой технологии клиент-сервер с централизованными серверами приложений и баз данных, и с клиентскими рабочими местами, установленными на компьютерах непосредственных пользователей;

- структура данных и программное обеспечение каждой подсистемы ориентированы на совместное использование единой нормативно-справочной информации (НСИ) и данных смежных подсистем;

- объекты инфраструктуры путевого хозяйства привязываются к путям (главным, станционным, подъездным);

- предусматривается организация взаимодействия задач на уровне программного обеспечения (например, для обработки и обмена информацией, визуализации данных, формирования отчетной документации и т.д.).

Плюсы такой архитектуры очевидны - во-первых, снимаются проблемы совместимости информационных систем и облегчается реализация их совместной работы; во-вторых, повышается актуальность информации на всех уровнях управления - от дистанции пути до департамента пути и сооружений; в-треТьих, упрощается установка и сопровождение программного обеспечения.

Проект АСУ ИССО реализован в среде разработки Borland Delphi 7 Enterprise на языке Object Pascal. Программное обеспечение АСУ ИССО, как серверная, так и клиентская часть, работает под управлением Microsoft Windows 2000 или ХР. В качестве технологии доступа к базе данных в серверной части приложения используется Microsoft OLE DB (ADO), как наиболее подходящая для многопользовательских систем (из существующих на данный момент универсальных технологий). Связь клиентской и серверной части АСУ ИССО осуществляется по сетевому протоколу TCP/IP с использованием технологии Microsoft Windows Sockets 2.0. Серверная часть представляет собой СОМ-сервер (СОМ - Component Object Model, модель компонентных объектов Microsoft, стандартный меха-

низм, включающий интерфейсы, с помощью которых одни объекты предоставляют свои сервисы другим). Экземпляры сервера создаются для каждого клиента АСУ ИССО индивидуально (Multi Instancing) и последовательно обрабатывают вызовы только определенного клиентского потока, инициализировавшего данный экземпляр (потоковая модель Apartment).

При проектировании структуры базы данных АСУ ИССО сооружения были проклассифицированы по типам, произведена декомпозиция каждого типа сооружений на отдельные элементы и определен перечень их характеристик, которые необходимо было описать в базе данных; выделены общие свойства объектов (искусственных сооружений). Для моделирования структуры данных АСУ ИССО было выбрано CASE-средство высокоуровневого проектирования информационных систем разработки компании Computer Associates International, ERwin 4.0. С его помощью была создана модель базы данных и сформулированы бизнес-правила, призванные поддерживать целостность данных и исключить грубые ошибки при заполнении БД в процессе эксплуатации. Часть бизнес-правил реализована на уровне базы данных с помощью так называемых ограничений и триггеров, определяющих отношения между компонентами базы данных, а также правила вставки, изменения и удаления записей, выполняющих проверку вводимых данных. Остальные бизнес-правила, имеющие более сложную логику (как, например, проверка структуры записей в соответствии с типом сооружения), реализованы в программном обеспечении АСУ ИССО.

Перед разработкой программного обеспечения и структуры базы данных АСУ ИССО был проведен анализ бизнес-процессов, связанных с организацией эксплуатации и содержания искусственных сооружений. К их числу относятся:

- хранение и обработка результатов осмотров и обследований ИССО;

- анализ данных о конструкциях и состоянии сооружений (в том числе элементы статистического анализа);

- оценка технического состояния сооружений;

- классификация несущих конструкций мостов по грузоподъемности, классификация подвижного состава и определение условий пропуска нагрузок по мостам;

- планирование и учет выполнения планово-предупредительных и ремонтных работ по текущему содержанию и капитальному ремонту искусственных сооружений и пути на них;

- формирование отчетной документации.

Основные функции АСУ ИССО можно разделить на три группы - это работа с карточкой сооружения, оценка технического состояния и планирование ремонтных работ, генерация отчетных форм. Помимо текстовых и численных данных, описывающих конструкцию сооружений и свойства их элементов, в базе данных АСУ ИССО предусмотрено хранение графи-

ческой информации (фотографий сооружений и его дефектов, чертежей, схем), видеоданных, документов в различных форматах (отчетов, проектной документации и т.п.).

В АСУ ИССО реализована методика оценки технического состояния по параметрам надежности, которая соответствует новой «Инструкции по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации». Каталог ремонтных работ составлен на основе действующих нормативных документов и содержит работы по текущему содержанию пути и искусственных сооружений, капитальному ремонту ИССО. С помощью АСУ ИССО можно сформировать план ремонтных работ по отдельным сооружениям, участку пути, дистанции пути в целом, а также другие выходные формы. Данные о техническом состоянии ИССО хранятся в БД постоянно, поэтому можно получить информацию на любой момент времени и проводить анализ изменения технического состояния сооружений.

Функциональность АСУ ИССО расширена аналитическими модулями формирования произвольных запросов к базе данных и генерации на их основе отчетов, функциями построения гистограмм и выполнения статистического анализа (описательная статистика и множественный регрессионный анализ). Кроме того, для расширения базового набора функций программы автором диссертационной работы была разработана технология подключения дополнительных программных модулей, основанная на технологии Microsoft СОМ. Благодаря разработанным интерфейсам, дополнительные модули могут быть реализованы сторонними разработчиками в любой среде разработки, поддерживающей СОМ, и легко установлены в АСУ ИССО на компьютер пользователя. По этой технологии в Лаборатории «Мосты» СГУПС уже созданы модули расчета грузоподъемности железобетонных и металлических пролетных строений, определения условий пропуска нагрузок по мостам.

АСУ ИССО взаимодействует и с другими подсистемами комплекса АСУ ПХ, разработанными сотрудниками ВНИИАС Гореликом A.JL, Филипповым В.М., Дмитриевым Р.В., Бавриным А.Г., Бройде В.М. Козловым В.В. Например, есть возможность отображать местоположение сооружений на электронной схеме железных дорог (ЕЭСЖД). Организовано совместное с другими программами формирование отчета о ведении путевого хозяйства АГО-1.

С целью обеспечения эффективного функционирования АСУ ИССО при участии автора диссертационной работы:

- разработана программа повышения квалификации работников отделов искусственных сооружений служб пути железных дорог, мостоиспы-тательных станций и мостовых мастеров;

- в программу курса «Содержание и реконструкция мостов» включен раздел, посвященный автоматизированным системам управления содержанием искусственных сооружений, проводятся занятия;

- организована служба поддержки, производятся оперативные консультации пользователей по вопросам использования программного обеспечения АСУ ИССО и техническим проблемам, напрямую не связанным с АСУ ИССО (операционная система, локальная сеть и т.д.);

- поддерживается работа Web-pecypca АСУ ИССО в корпоративной сети ОАО «РЖД», включающего разделы вопросов-ответов, оперативной информации об обновлениях программного обеспечения системы.

В целом, технико-экономическая эффективность АСУ ИССО обусловлена высокой доступностью и оперативностью информации об искусственных сооружениях, унификацией структуры хранения и представления данных, обширностью хранимых данных и наличием средств их извлечения и анализа. На сегодняшний день АСУ ИССО третьего поколения внедрена и используется практически во всех дистанциях пути железных дорог России. С помощью АСУ ИССО удалось сформировать обширную базу данных по всем искусственным сооружениям, эксплуатируемым на сети железных дорог России, в том числе по железобетонным пролетным строениям и мостовому полотну с ездой на балласте.

В третьей главе приведены результаты анализа информации, содержащейся в базе данных АСУ ИССО и полученной в ходе осмотров сооружений мостовыми мастерами дистанций пути, а также сотрудниками лаборатории мостов СГУПС (A.M. Усольцевым, Ю.М. Широковым, А.Н. Яшновым и другими, а в 1999-2004 гг. с участием автора). Также приведены результаты оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений. Всего проанализирована информация по 16154 железобетонным мостам.

По имеющимся данным, на железных дорогах России находится в эксплуатации более 270 тыс. п. м. мостового полотна с ездой на балласте. Это около половины протяженности всех железнодорожных мостов. Существовавшая на сети железных дорог практика периодических подъемок пути на балласт без предварительной вырезки старого балласта, привела к значительным отклонениям в состоянии мостового полотна на малых мостах от требований нормативных документов. Как показал анализ данных о мостовом полотне, около трети железобетонных мостов имеют отклонения в состоянии балластной призмы от действующих норм.

Чрезмерная толщина балласта под шпалой, превышающая допустимые инструкцией ЦП-628 40 см - один из наиболее часто встречающихся дефектов, который обнаружен на более 30% протяженности всего мостового полотна. На рисунке 2, (б) показана гистограмма распределения толщин балласта под шпалой на эксплуатируемых пролетных строениях.

С помощью регрессионного анализа, по информации базы данных АСУ ИССО была получена зависимость значения средней по сети железных дорог России толщины балласта под шпалой h (на мостах) от времени Г (год), вид которой показан на рисунке 3:

/2 = 0.914Г-1.5910"4Г2 -1136.41

Рис. 2. Гистограммы: а) - эксцентриситет пути е, б) - толщина балласта под шпалой /г

Рис.3. Изменение средней толщины балласта во времени

Допустимые, согласно требованиям норм, отклонения оси пути от оси пролетного строения на прямых участках пути лежат в пределах ±5 см. На каждом третьем пролетном строении из всех эксплуатируемых на сети железных дорог России это требование не выполняется. На рисунке 2, (а) показана гистограмма распределения эксцентриситетов пути. Как правило, при подъемках пути, вместе с толщиной балласта меняется также и величина эксцентриситета. Эти величины коррелированны, и можно установить приближенную функциональную зависимость между ними:

е = 1.877 10~3 • И2 - 0.8 • 10"5 й3 +5.406, где е - эксцентриситет пути, см, а И- толщина балласта, см. Вид зависимости изображен на рисунке 4.

Плечо балластной призмы недостаточно (т.е. меньше 25 см) на почти 9% пролетных строений. На половине из них плечо балластной призмы практически отсутствует, концы шпал оголены.

Недопустимую высоту наращения бортов балластного корыта имеют более 8% пролетных строений. Часто увеличение высоты бортов выполнено многократно и в отдельных случаях достигает 100 см. Качество работ при этом бывает очень низким, иногда используются недопустимые материалы (шпалы, доски). По имеющимся данным, более 16% выполненных наращений недостаточно надежны - имеются трещины, сколы,

сдвиги наращенных частей. В итоге это приводит к осыпанию балласта, уменьшению площади опирания концов шпал, что снижает безопасность движения поездов.

Среди наиболее распространенных дефектов пролетных строений -дефекты гидроизоляции, водоотвода, а также дефекты, возникающие вследствие обводнения конструкций: выщелачивание, морозное разрушение, разрушение защитного слоя в результате отслоения его продуктами коррозии арматуры. Встречаются усадочные и силовые трещины - вертикальные и наклонные в ребрах балок и диафрагмах. Для путепроводов и мостов, под которыми устроены автодорожные проезды, характерны сколы защитного слоя бетона на нижних гранях несущих элементов, а также деформация и разрывы рабочей арматуры, вызванные ударами автотранспорта.

Анализ результатов расчетов грузоподъемности показывает, что значения классов главных балок достаточно велики по всем видам расчетов. То есть, несущая способность ребер обеспечивает пропуск обращающейся нагрузки без ограничений. Наименьшей грузоподъемностью обладают плиты балластного корыта пролетных строений, запроектированных под нагрузки Н7 и Н8, и имеющие длинные (более 1 м) и тонкие консоли плит. Величина несущей способности этих пролетных строений очень чувствительна к состоянию мостового полотна, и при росте эксцентриситетов толщины балласта она резко снижается, поэтому некоторые из этих пролетных строений не обеспечивают пропуск отдельных видов обращающихся нагрузок без ограничений.

Таким образом, основная причина снижения несущей способности железобетонных пролетных строений — неудовлетворительное состояние мостового полотна. Дефекты основных несущих конструкций (коррозия арматуры, деградация бетона) при текущей степени развития, как правило, не оказывают существенного влияния на грузоподъемность и условия пропуска нагрузок.

В четвертой главе разработана методика оценки влияния состояния мостового полотна с ездой на балласте на надежность железобетонных

пролетных строений. Надежность - сложное свойство системы выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени. Надежность характеризуется несколькими показателями. В диссертационной работе рассматривается один из них - безотказность, т.е. свойство системы сохранять работоспособность. Количественной характеристикой безотказности принята вероятность безотказной работы. Работоспособное состояние пролетного строения характеризуется способностью:

- несущих конструкций - воспринимать усилия от эксплуатационных

нагрузок;

- мостового полотна - сохранять пространственное положение пути.

Отказы, т.е. события, связанные с нарушением работоспособного состояния системы, отождествляются с наступлением предельных состояний первой группы:

- по прочности плиты балластного корыта и главных балок;

- по устойчивости балластной призмы;

- по устойчивости рельсовой колеи в поперечном направлении.

В общем случае, параметры системы, характеризующие ее способность противостоять внешним воздействиям, и сами внешние воздействия - это случайные процессы, развивающиеся во времени. Пусть R(t,r)

- способность сопротивляться воздействиям, a S(l,s) - внешнее воздействие. Вероятность отказа в момент времени Г/ равна вероятности того, что случайная величина 7 = S (/, ) примет значение, превышающее значение 7 = R(ty). Для оценки надежности системы в определенный момент времени удобно ввести понятие «запаса надежности», т.е. разности случайных величин f = 7 — 's , представляющих собой сечения упомянутых процессов в данный момент времени. Вероятность отказа в таком случае будет равна вероятности превышения значения случайной величины «нагрузки» над случайной величиной «прочностью». Численно эта величина будет равна площади, ограниченной функцией плотности вероятности запаса надежности в области отрицательных значений запаса надежности:

О +00

Р(0= $<P(fW> <P(f)= ¡Ps(s)Pr(f + s)ds,

-OD -00

где ps (?) и pr (/ + ?)- плотности вероятности соответственно

внешней нагрузки и прочности пролетного строения, определенные на момент времени tj.

В основу расчета безотказности пролетных строений по условию прочности плиты балластного корыта и главных балок положена методи-

ка определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, изложенная в соответствующем нормативном документе - т.е. расчет в детерминированной форме, в котором некоторые величины, имеющие стохастический характер, заменены случайными величинами. К таким величинам отнесены прочность бетона и арматуры, геометрические характеристики расчетных сечений, расположение арматуры, удельный вес материалов пролетного строения и мостового полотна, а также временная нагрузка.

Условие безотказной работы, в данном случае, выражается в превышении допускаемой по условию прочности расчетных сечений равномерно распределенной нагрузки над эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой от подвижного состава. Значения допускаемой нагрузки зависят от толщины балласта и эксцентриситета пути, динамический коэффициент к временной нагрузке также зависит от толщины балласта под шпалой. Варьируя упомянутыми параметрами мостового полотна (с учетом их взаимосвязи, выявленной в третьей главе диссертации) можно определить их влияние на надежность пролетного строения по прочности несущих конструкций.

Условие безотказной работы по устойчивости пути заключается в превышении критической продольной силы над температурной силой в плети:

N = 2Е^а-Г-А1,

где £\ - модуль упругости рельсовой стали; а - коэффициент линейного расширения стали; Р - площадь поперечного сечения рельса; А, -случайная величина, разность двух случайных величин - температуры укладки плети и максимальной температуры рельса /тах .

Величина критической силы может быть определена по формуле Першина, в которой некоторые детерминированные величины заменяются случайными:

~ д ~ ~ 1 м

где А, ц - параметры, зависящие от типа рельсов; к2 - коэффициент, зависящий от эпюры шпал; к] - случайная величина, характеризующая

сопротивление пути поперечному сдвигу; случайная величина, характеризующая сопротивление повороту рельсов по подкладкам и шпалам; 1 - случайный уклон начальной неровности пути, %о.

Среди этих величин - коэффициент к1. Его значение зависит от величины предельного сопротивления пути поперечному сдвигу которое, как показали эксперименты, проведенные во ВНИИЖТе, зависит от раз-

мера плеча балластной призмы. Таким образом, расчетами по устойчивости пути определяется вклад в надежность пролетного строения величины плеча балластной призмы.

Вероятность отказа по условию устойчивости балластной призмы определялась для различных значений толщины балласта под шпалой и величины плеча балластной призмы. Для выполнения расчетов была создана трехмерная конечно-элементная модель в среде COSMOS/M. Известно, что характер деформирования хорошо уплотненного балласта после большого числа циклов загружения и разгрузки близок к линейному. Поэтому в ряде случаев задачи определения напряжений, деформаций, перемещений в балласте в стадии эксплуатации могут быть решены с помощью уравнений теории упругости. Но, при достижении напряжениями значений, соответствующих наступлению предельного напряженного состояния, физические уравнения модели линейно деформируемой среды перестают выполняться. Следовательно, для решения задачи об устойчивости балластной призмы, когда на определенной стадии нагружения предполагается появление значительных областей пластического деформирования, лучше подходит более сложная, но и более точно отражающая действительность, нелинейная модель упругопластической среды. Поэтому для балласта была выбрана упруго-идеально-пластическая модель Друкера-Прагера. Напряженное состояние в каждой точке балластной призмы может быть охарактеризовано значением так называемой функции пластичности:

/ = 3аёт + ае- к ,

где <тт и ое - COOIBCTCIBCHHO случайные величины среднего и эффективного напряжений, зависящие от значений главных напряжений в данной точке балластной призмы; а и к - случайные характеристики балласта, зависящие от величин угла внутреннего трения и удельного сцепления.

Функция пластичности отрицательна в областях упругого деформирования, а там, где возникают пластические деформации, она принимает значение, равное 0. За условие отказа, соответствующее сдвигу части балластной призмы, принято возникновение точек с нулевым значением функции пластичности в критической области вблизи верха продольного борта балластного корыта, как показано на рисунке 5.

Для выполнения перечисленных выше расчетов автором диссертационной работы были разработаны компьютерные программы. Расчеты выполнялись для различных конструкций пролетных строений и пути. В расчетах по прочности плиты балластного корыта и главных балок рассматривались четыре наиболее типичных конструкции пролетных строений - плитные без консолей плиты балластного корыта, запроектированные под нагрузку 1907 г., ребристые с длинными (более 1 м) консолями,

запроектированные под нагрузки Н7 и Н8, ребристые с короткими (менее 1 м) консолями, запроектированные под нагрузки Н7 и Н8, а также современные пролетные строения, запроектированные под нагрузку С14. Для каждого из четырех типов пролетных строений была произведена серия из семи расчетов на различные сочетания значений эксцентриситета пути и толщины балластной призмы (от 0 до 14 см для эксцентриситета и от 25 до 95 см для толщины балласта).

Рис. 5. Зоны пластических деформаций в балластной призме

Расчеты по устойчивости пути и устойчивости балластной призмы выполнялись для восьми вариантов конструкции пути. Рассматривались по четыре сочетания типов рельсов и шпал (рельсы Р50 на деревянных шпалах, рельсы Р65 на деревянных шпалах, рельсы Р65 на железобетонных шпалах, рельсы Р75 на железобетонных шпалах) для двух вариантов эпюры шпал (1840 шт./км и 2000 шт./км). Каждый вариант конструкции пути был рассчитан при десяти различных значениях ширины плеча балластной призмы от 0 до 45 см. В расчетах устойчивости балластной призмы, кроме величины плеча, варьировалась также и толщина балласта в пределах от 25 до 100 см.

Результаты расчетов дали возможность определить критические значения параметров мостового полотна, соответствующие четырем уровням технического состояния - отличному, хорошему, удовлетворительному и неудовлетворительному. Каждому из уровней соответствует определенное значение вероятности безотказной работы, соответствующие данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Верхняя граница вероятности безотказной работы при раз-

личных уровнях технического состояния

Состояние отлично хорошо удовл. неуд.

Безотказность 0,9995 0,9970 0,9850 0,9700

На основании полученных результатов в пятой главе были сделаны предложения по корректировке требований к состоянию мостового полотна с ездой на балласте - предельно допустимым значениям толщины балласта, плеча балластной призмы и эксцентриситета пути (предельные

значения были определены по границе перехода в удовлетворительное состояние, т.е. при вероятности безотказной работы 0,985). Также были определены величины степеней развития соответствующих дефектов мостового полотна, используемые при оценке технического состояния железобетонных мостов.

Как было показано, критические значения толщины балласта могут быть получены из расчетов вероятностей безотказной работы по прочности плиты балластного корыта и главных балок, а также устойчивости балластной призмы. При этом важно учитывать имеющуюся корреляцию между толщиной балласта и величиной смещения оси пути относительно оси пролетного строения. На рисунке 6 показаны диаграммы изменения безотказности пролетных строений по условиям обеспечения грузоподъемности и устойчивости балластной призмы.

35 4 45 -в 55 - 8 65 10 85- 12 95- 14 НЬ • Эксцентриситет см

■»ребристое, Н8 1947 г | —ребристое С14

»плитное, 1907 г -ребристое Н7 1931 г

0 93

25

40

Толщина балласта см

-Р50 дер

-Р65 дер

-Р65 ж б -»-Р75 * 6

Рис 6 Диаграммы изменения безотказности пролетных строений: а) - по грузоподъемности, б) - по устойчивости балластной призмы.

Как правило, толщина балласта под шпалой ограничивается условием обеспечения устойчивости балластной призмы. Однако, на ребристых пролетных строениях с длиной внешних консолей плиты балластного корыта более 1 м, запроектированных по нормам до 1962 г., предельно допустимая толщина балласта определяется условием обеспечения грузоподъемности. Таким образом:

- в зависимости от конструкции пути и пролетного строения максимально допустимая толщина балласта устанавливается по данным таблицы 2.

- во всех случаях толщина балласта под шпалой не должна быть меньше 15 см.

Критические значения эксцентриситетов могут быть получены из расчетов вероятностей безотказной работы пролетных строений по прочности плиты балластного корыта и главных балок. На рисунке 7, (а) показана соответствующая диаграмма снижения безотказности пролетных строений. Отклонение оси пути оказывает наибольшее влияние на грузо-

подъемность ребристых пролетных строений, имеющих длинные консоли плиты балластного корыта. Плитные же пролетные строения наименее чувствительны к изменению эксцентриситета. Таким образом:

в зависимости от конструкции пролетного строения максимально допустимая величина эксцентриситета пути устанавливается по данным таблицы 3.

в кривых смещение оси пути относительно ее проектного положения более 3 см не допускается.

Таблица 2 - Максимально допустимая толщина балласта, см

Шпалы Ребристые с длиной консоли Плитные ПС

больше 1 м меньше 1 м

С14 ДО 1962 г С14 ДО 1962 г СИ ДО 1962 г

деревянные 45* /60* 45/ 50 45/60 45/60 45/60 45/60

железобетонные 65 50 65 65 65 65

* курсивом - условие устойчивости балластной призмы, прямым жирным шрифтом - условие грузоподъемности, в числителе - при высоте бортов до 35 см включительно, в знаменателе - при высоте бортов больше 35 см и условии расположения подошвы шпалы относительно верха продольного борта не выше, чем на 5 см

Ребристые с длиной консоли Плитные ПС

больше 1 м меньше 1 м

С14 до 1962 г С14 до 1962 г С14 до 1962 г

13 7 13 13 13 13

Расчеты, выполненные в четвертой главе диссертационной работы, позволяют установить допустимые границы размера плеча балластной призмы по условиям устойчивости пути и устойчивости балластной призмы. Соответствующие диаграммы изменения безотказности пролетных строений показаны на рисунке 8 и рисунке 7, (б).

При назначении границ значений плеча балластной призмы важно учитывать зависимость вероятности безотказной работы от конструкции пути. Так, от эпюры шпал в значительной степени зависит сопротивление пути продольной температурной силе. Конструкции пути на деревянных шпалах и рельсах Р50 и Р65 по сравнению с другими вариантами конструкций пути обладают пониженной устойчивостью против выброса и значительно снижают устойчивость балластной призмы. Таким образом:

- на путях 1, 2 и 3 классов допускаемая минимальная величина плеча балластной призмы устанавливаются по данным таблицы 4;

- на путях 4 и 5 классов, допускается уменьшение плеча балластной призмы до 25 см;

- ширина балластной призмы может быть уменьшена в случаях, когда низ шпалы располагается ниже верха продольного борта балластного корыта не менее, чем на 10 см;

- в кривых радиусом менее 600 м, ширина балластной призмы со стороны наружной нити пути меньше 35 см не допускается, независимо от класса пути.

эпюра шпал 1840 шт/км

45 40 30 25 20 15 10 5 0

-Р50 дер —Р65, дер -*-Р65 «6 -Ш-Р75 ж б

эпюра шпал 2000 шт/км

Р50 дер —Р65 дер —Л— Р65 Ж б -*-Р75 ж б|

Рис 8. Диаграммы изменения безотказности пролетных строений по устойчивости пути в зависимости от величины плеча балластной призмы

Таблица 4 - Минимальная величина плеча балластной призмы, см

Путь Материал шпал, тип рельсов

дерево, Р50 дерево, Р65 железобетон, Р65 железобетон, Р75

бесстыковой 45' 30/40 30/35 30/35

звеньевой 45 30 30 30

* в числителе - условие устойчивости балластной призмы (на длине участка более трех шпал подряд), в знаменателе - условие устойчивости бесстыкового пути против температурного выброса (на участке от 10 м и более).

По границам перехода сооружения из одного фиксированного состояния в другое было (см. таблицу 1) установлено соответствие между категориями и степенями развития дефектов «Нарушение норм содержания плеча балластной призмы», «Эксцентриситет пути больше допустимого» и «Толщина балласта больше допустимой». Первой категории соответствует граница перехода между отличным и хорошим состоянием (вероятность безотказной работы 0,9970), второй - между хорошим и удовлетворительным (0,9850), а третьей - переходу неудовлетворительное состояние при вероятности безотказной работы 0,9700.

Основные выводы и результаты

1. Требования действующих нормативных документов к состоянию мостового полотна с ездой на балласте недостаточно обоснованы и требуют уточнения. Разработка новых требований должна производиться на

основе анализа влияния характеристик мостового полотна на надежность пролетных строений.

2. Решение задач, связанных с вопросами надежности искусственных сооружений, требует наличия полной и достоверной информации о конструкциях эксплуатируемых сооружений и их неисправностях, а также автоматизированных средств ее анализа. Из этого следует необходимость разработки и внедрения в эксплуатацию автоматизированной информационно-аналитической системы управления содержанием искусственных сооружений.

3. Разработанная при участии автора и внедренная на железных дорогах России автоматизированная система нового поколения АСУ ИССО у.З решает проблему информационно-аналитического обеспечения процесса управления содержанием искусственных сооружений. Возможности АСУ ИССО позволяют использовать ее не только в рамках производственных процессов, но и в исследовательской деятельности.

4. Результаты обследований железобетонных мостов с мостовым полотном с ездой на балласте, введенные в процессе эксплуатации АСУ ИССО в базу данных, показали, что текущее состояние несущих конструкций пролетных строений несущественно влияет на условия пропуска нагрузок по мостам. Наибольшее влияние на грузоподъемность пролетных строений оказывает состояние мостового полотна. Математические модели, полученные в результате анализа данных о состоянии мостового полотна, выявили зависимость толщины балласта под шпалой от времени и взаимосвязь толщины балласта и эксцентриситета пути.

5. Разработанная методика оценки влияния состояния мостового полотна с ездой на балласте на надежность (в данном случае, безотказность) железобетонных пролетных строений позволяет определить границы значений толщины балласта под шпалой, величины эксцентриситета нуги и ширины плеча балластной призмы, соответствующие значениям вероятности безотказной работы при отличном, хорошем, удовлетворительном и неудовлетворительном состоянии сооружения. Границы определяются по результатам вероятностных расчетов по прочности плиты балластного корыта и главных балок пролетных строений, устойчивости бесстыкового пути и устойчивости балластной призмы.

6. Расчеты, выполненные для различных конструкций пролетных строений и железнодорожного пути, позволили уточнить требования к состоянию мостового полотна с ездой на балласте. Измененные требования, в основном, являются менее жесткими по сравнению с действующими, но они обоснованы с позиций надежности и лучше соответствуют цели сохранения эксплуатационных показателей железобетонных пролетных строений на требуемом оптимальном уровне.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Анализ конструкций и дефектности железобетонных мостов: отчет о НИР / СГУПС, руководитель Бокарев С.А. - шифр работы по плану НИОКР МПС России 10.3.2.3.02 03.04 - Новосибирск, 2002 г , 27 е.;

2. Бокарев СА, Яшнов АН, Прибытков СС, Автоматизированная система управления содержанием искусственных сооружений. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Испытания мостов», Новосибирск, 2002 г. 50 с.

3. Бокарев С А , Прибытков С С Техническое состояние железобетонных мостов на Западно-Сибирской железной дороге и прогноз его изменения. - «Проектирование и строительство в Сибири», №6,2002 г. стр. 19-20;

4. Бокарев С. А , Прибытков С С, Мочалкин П С Основные принципы разработки АСУ ИССО третьего и четвертого поколений. Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу. Тезисы региональной научно-практической конференции. Новосибирск, 2002 г. стр. 160-161.

5. Бокарев С А , Бушин А В, Прибытков С С Внедрение нового информационного обеспечения в систему эксплуатации искусственных сооружений на сети железных дорог России. - «Путь и путевое хозяйство», №2,2003 г., с. 9.

6. Бокарев С.А , Мурованный ЮН, Яшнов А Н., Цветков Д Н, Прибытков С С. От информационной системы к аналитической. - «Железнодорожный транспорт», №1 2003 г., с. 54-55

7. Бокарев С А , Прибытков С С Информационно-справочная система по ИССО на новых программно-технических комплексах (АСУ ИССО \.3). Свидетельство №664-2 в ОФАП МПС России от 31.03.03 г.

8. Прибытков С С Техническое состояние железобетонных мостов, запроектированных под нагрузку 1907 г. - Сборник статей IV Всероссийской конференции «Проблемы качества в строительстве», Новосибирск, 2003 г.

9. Прибытков С С. Влияние состояния мостового полотна на безотказность железобетонных пролетных строений. - Сборник трудов кафедры «Строительная механика» СГУПС, 2005 г., с. 128-134

10. Бокарев С.А., Яшнов А.Н., Прибытков С С, Слюсарь А В Совершенствование системы надзора за искусственными сооружениями на железных дорогах. - «Вю-ник Дншропетровського национального ушверситету зал1Эничного транспорту ¡меш академия В. Лазаряна.» - Выпуск №9. Днепропетровск, 2005 г., с. 154158.

Сдано в набор 19.01 2006 г. Подписано к печати 20.01.2006 г

Формат 60x90 1/16 Объем 1,25 печ. л

Заказ 1511 Тираж 100

Типография СГУПС, 630049 , Новосибирск, ул Дуси Ковальчук, 191

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ С ЕЗДОЙ НА БАЛЛАСТЕ

2 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АСУ ИССО ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

1.1 Работа железобетонных пролетных строений с мостовым 9 полотном на балласте

1.1.1 Конструкции и состояние железобетонных пролетных строений

1.1.2 Мостовое полотно с ездой на балласте и требования к его 11 содержанию

1.1.3 Влияние состояния мостового полотна на работу основных 13 несущих элементов пролетных строений

1.2 Оценка технического состояния железобетонных пролетных 17 строений

1.2.1 Оценка технического состояния искусственных сооружений на 17 железных дорогах

1.2.2 Оценка технического состояния искусственных сооружений на 20 автомобильных дорогах РФ

1.2.3 Оценка технического состояния на основе абсолютных и 21 относительных показателей надежности

1.2.4 Оценка влияния состояния мостового полотна на безотказность железобетонных пролетных строений

1.3 Автоматизированные информационно-аналитические системы

1.3.1 Автоматизированная информационная система по 27 искусственным сооружениям на железных дорогах (АСУ ИССО)

1.3.2 Автоматизированные информационные системы на 29 автомобильных и городских дорогах

1.3.3 Зарубежный опыт создания автоматизированных информационных систем по мостам на транспорте

1.4 Цель и задачи исследования

2.1 Назначение, цель создания и принципы разработки системы 35 АСУ ИССО

2.2 Функции и задачи, выполняемые АСУ ИССО

2.3 Внедрение АСУ ИССО и формирование базы данных

2.3.1 Программное и техническое обеспечение

2.3.2 Подготовка и переподготовка пользователей

2.3.3 Проблема первичного ввода и обеспечение достоверности 48 данных

2.4 Экономическая эффективность внедрения АСУ ИССО

2.5 Выводы по второму разделу

3 НАТУРНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ С ЕЗДОЙ НА БАЛЛАСТЕ

3.1 Состояние мостового полотна

3.1.1 Толщина слоя балласта

3.1.2 Эксцентриситет пути

3.1.3 Плечо балластной призмы

3.1.4 Наращенный продольный борт балластного корыта

3.2 Состояние плит балластного корыта

3.2.1 Конструктивные решения плит

3.2.2 Дефекты плит

3.2.3 Полезная несущая способность плит

3.3 Состояние главных балок

3.3.1 Конструктивные решения главных балок

3.3.2 Дефекты главных балок

3.3.3 Полезная несущая способность главных балок

3.4 Выводы по третьему разделу

4 ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МОСТОВОГО ПОЛОТНА НА НАДЕЖНОСТЬ 73 ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

• 4.1 Вероятностный расчет безотказности железобетонных пролетных строений

4.1.1 Прочность главных балок и плиты балластного корыта

4.1.2 Устойчивость пути

4.1.3 Устойчивость балластной призмы

4.2 Уточнение границ для относительных показателей 95 безотказности железобетонных пролетных строений

4.2.1 По прочности главных балок и плиты балластного корыта

4.2.2 По устойчивости пути

4.2.3 По устойчивости балластной призмы

4.3 Выводы по четвертому разделу

5 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО НОРМИРОВАНИЮ СОСТОЯНИЯ МОСТОВОГО ПОЛОТНА С ЕЗДОЙ НА БАЛЛАСТЕ ЖБ ПС

5.1 Обоснование нормативных требований к состоянию 106 мостового полотна

• 5.2.1 Толщина балласта

5.2.2 Эксцентриситет

5.2.3 Плечо балластной призмы

5.2 Анализ изменения требований к состоянию мостового полотна

Предметом исследования в данной работе являются разрезные балочные пролетные строения из обычного железобетона с мостовым полотном на балласте под один железнодорожный путь, эксплуатируемые на прямых участках. Основными вопросами, изучаемыми в рамках диссертации, являются вопросы оценки технического состояния железобетонных мостов и нормирования состояния мостового полотна с ездой на балласте.

Действующие требования к состоянию мостового полотна с ездой на балласте на железнодорожных мостах не вполне обоснованы. Нормативные величины, а также степень опасности отклонений от них фактических значений толщины балласта, плеча балластной призмы и эксцентриситета пути, учитываемая при оценке технического состояния мостов, установлены методом экспертных оценок. При этом значения нормативных величин не всегда взаимосвязаны с эксплуатационными характеристиками пролетных строений.

Безопасное движение поездов по искусственным сооружениям, непосредственно связанное с их надежностью, было и остается одной из основных задач при организации эксплуатации ИССО. Сложившаяся система содержания искусственных сооружений, целью которого является обеспечение исправного состояния ИССО для безопасного и бесперебойного пропуска поездов, имеет ряд существенных недостатков, снижающих ее эффективность в современных условиях. Актуальность исследования обусловлена очевидной необходимостью обновления технического и технологического регламента эксплуатации и обслуживания мостов. Требования технического регламента должны быть основаны на результатах научных исследований в области надежности мостов, а оценка технического состояния должна производиться по показателям надежности.

Многими исследователями отмечается, что для реализации этого подхода необходимо создание и внедрение в эксплуатацию информационноаналитической системы управления содержанием искусственных сооружений.

В первом разделе диссертации дан обзор конструкций железобетонных пролетных строений и мостового полотна, применяемых на железных дорогах России, и современных представлений об их совместной работе. Приведены сведения о действующих и перспективных методиках оценки технического состояния мостов на железных и автомобильных дорогах России, а также о применяемых в России и за рубежом автоматизированных информационных системах управления содержанием искусственных сооружений. Сделан вывод о необходимости уточнения требований к с состоянию мостового полотна с ездой па балласте. Предложено дать оценку нормируемых параметров мостового полотна (толщины балласта под шпалой, эксцентриситета пути и плеча балластной призмы) по степени их влияния на надежность пролетного строения. Показано, что для реализации этой цели необходима разработка новой версии автоматизированной системы

• управления содержанием искусственных сооружений (АСУ ИССО третьего поколения).

Во втором разделе дано описание принципов разработки АСУ ИССО нового поколения, освещены проблемы ее внедрения на сети железных дорог России. Разработанная автором автоматизированная система нового поколения АСУ ИССО позволяет накапливать и анализировать информацию о конструкциях и состоянии искусственных сооружений, реализует алгоритмы оценки их технического состояния. С помощью АСУ ИССО решается задача информационно-аналитического обеспечения процесса управления состоянием искусственных сооружений, повышается актуальность и достоверность информации о сооружениях, а значит и • качество содержания искусственных сооружений.

В третьем разделе приведены и проанализированы результаты осмотров и оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений. Сделан вывод о достаточной (за редкими исключениями) на данный момент грузоподъемности пролетных строений. Отмечено снижение безопасности пропуска подвижного состава за счет наличия значительных отклонений в состоянии мостового полотна от норм. На основе анализа данных о мостовом полотне получены математические зависимости толщины балласта от времени, а также величины эксцентриситета от толщины балласта.

Четвертый раздел посвящен теоретическому исследованию влияния состояния мостового полотна на надежность пролетных строений. Описана методика вероятностного расчета пролетных строений по условиям обеспечения прочности несущих конструкций, устойчивости балластной призмы и устойчивости бесстыкового пути. В основу расчета вероятности безотказной работы по прочности главных балок и плиты балластного корыта положена методика, описанная в действующем нормативном документе [30]. Вероятностный расчет устойчивости пути основан на результатах исследований сопротивляемости пути сдвигу, проведенных во

• ВНИИЖТе, и известных способах расчета бесстыкового пути на устойчивость [20, 28, 38]. Для выполнения расчетов вероятности отказа по устойчивости балластной призмы была разработана конечно-элементная модель, в которой для описания балласта выбрана модель упругоидеальнопластической среды Друкера-Прагера [51, 59, 60], а вероятность отказа определяется как вероятность возникновения в балласте областей пластического деформирования вблизи верха продольного борта балластного корыта. Приведено описание программ, разработанных автором для выполнения упомянутых расчетов.

В пятом разделе, на основе результатов расчетов вероятности безотказной работы пролетных строений при различных значениях щ. параметров мостового полотна, сделаны предложения по корректировке соответствующих нормативных требований. Определены категории дефектов мостового полотна, используемых при оценке технического состояния железобетонных мостов по параметрам надежности.

К защите представляются:

- автоматизированная информационная система управления содержанием искусственных сооружений нового поколения АСУ ИССО v.3 и база данных по конструкции и состоянию искусственных сооружений;

- методика оценки влияния параметров мостового полотна на балласте на безотказность железобетонных пролетных строений;

- предложения по нормированию параметров мостового полотна на балласте;

- предложения по назначению границ степени развития дефектов мостового полотна, соответствующих категориям их опасности при выполнении оценки технического состояния железобетонных пролетных строений по параметрам надежности.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены:

- на 9-ой Сибирской (международной) конференции по железобетону, организованной Обществом железобетонщиков Сибири и Урала и проведенной в Новосибирске в 2002 г.;

- на IV Всероссийской конференции «Проблемы качества в строительстве» в Новосибирске, 2003 г.;

- на семинаре-совещании по проблемам АСУ Путевого хозяйства в Красноярске, 2004 г.

- на 65-ой Международной научно-практической конференции. «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в Днепропетровске, 2005 г.

- на семинаре-совещании по проблемам АСУ Путевого хозяйства в Челябинске, 2005 г.

- на объединенном семинаре пяти кафедр СГУПС, 14.12.2005.

5.3 Выводы по пятому разделу

По результатам расчетов вероятности безотказной работы пролетных строений по прочности несущих конструкций, устойчивости пути и балластной призмы выработаны предложения по нормированию состояния мостового полотна. Предложены предельно допустимые значения толщины балласта под шпалой, размера плеча балластной призмы и величины отклонения оси пути от оси пролетного строения. Эти значения даны дифференцировано для различных конструкций пролетных строений и пути. Сделаны предложения по корректировке характеристик дефектов мостового полотна, используемых при оценке технического состояния мостов по параметрам надежности согласно новой «Инструкции по оценке состояния и содержания.».

Анализ изменения требований к состоянию мостового полотна показал, что менее жесткие требования ведут к небольшому снижению доли пролетных строений с нарушениями требований по толщине балласта под шпалой и величине эксцентриситета, при увеличении доли пролетных строений с недопустимой величиной плеча балластной призмы. Однако, обоснованные с позиций надежности уточненные требования являются более оптимальными для сохранения эксплуатационных показателей железобетонных пролетных строений на требуемом уровне. Кроме того, оценка состояния сооружения, выполняемая с учетом сделанных предложений (результатом которой является относительный показатель безотказности - балл), достаточно точно отражает его надежность, определенную вероятностным расчетом при наличии тех или иных дефектов мостового полотна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется более 84 ООО искусственных сооружений. Из них около 30 % - это железобетонные мосты с мостовым полотном на балласте.

Перед службами эксплуатации искусственных сооружений на железных дорогах стоит сложная задача. В условиях ограниченности материальных и трудовых ресурсов от них требуется обеспечивать уровень технического состояния ИССО, позволяющий пропускать поезда бесперебойно, безопасно и с установленными скоростями. Достижение цели сохранения эксплуатационных показателей искусственных сооружений на необходимом оптимальном уровне невозможно без обновления требований к состоянию сооружений. Не менее важно на всех уровнях управления - от дистанции пути до департамента пути и сооружений - иметь достоверную, постоянно обновляющуюся информацию о состоянии сооружений, которая является основой принятия решений при организации их текущего содержания и планировании капитального ремонта.

Таким образом, основными результатами и выводами, сделанными в ходе исследования, являются следующие:

1. Требования действующих нормативных документов к состоянию мостового полотна с ездой на балласте недостаточно обоснованы и требуют уточнения. Нормативные величины, а также степень опасности отклонений от них фактических значений толщины балласта, плеча балластной призмы и эксцентриситета пути, учитываемая при оценке технического состояния мостов, установлены методом экспертных оценок. При этом значения нормативных величин не всегда взаимосвязаны с эксплуатационными характеристиками пролетных строений. Разработка новых требований должна производиться на основе анализа влияния характеристик мостового полотна на надежность пролетных строений.

2. Решение задач, связанных с вопросами надежности искусственных сооружений, требует наличия полной и достоверной информации о конструкциях эксплуатируемых сооружений и их неисправностях, а также автоматизированных средств ее анализа. Из этого следует необходимость разработки и внедрения в эксплуатацию автоматизированной информационно-аналитической системы управления содержанием искусственных сооружений.

3. Разработанная при участии автора и внедренная на железных дорогах России автоматизированная система нового поколения АСУ ИССО v.3 решает проблему информационно-аналитического обеспечения процесса управления содержанием искусственных сооружений. Возможности АСУ ИССО позволяют использовать ее не только в рамках производственных процессов, но и в исследовательской деятельности.

4. Результаты обследований железобетонных мостов с мостовым полотном с ездой на балласте, введенные в процессе эксплуатации АСУ ИССО в базу данных, показали, что текущее состояние несущих конструкций пролетных строений несущественно влияет на условия пропуска нагрузок по мостам. Наибольшее влияние на грузоподъемность пролетных строений оказывает состояние мостового полотна. Математические модели, полученные в результате анализа данных о состоянии мостового полотна, выявили зависимость толщины балласта под шпалой от времени и взаимосвязь толщины балласта и эксцентриситета пути.

5. Разработанная методика оценки влияния состояния мостового полотна с ездой на балласте на надежность (в данном случае, безотказность) железобетонных пролетных строений позволяет определить границы значений толщины балласта под шпалой, величины эксцентриситета пути и ширины плеча балластной призмы, соответствующие значениям вероятности безотказной работы при отличном, хорошем, удовлетворительном и неудовлетворительном состоянии сооружения. Границы определяются по результатам вероятностных расчетов по прочности плиты балластного корыта и главных балок пролетных строений, устойчивости бесстыкового пути и устойчивости балластной призмы.

6. Расчеты, выполненные для различных конструкций пролетных строений и железнодорожного пути, позволили уточнить требования к состоянию мостового полотна с ездой на балласте. Измененные требования, в основном, являются менее жесткими по сравнению с действующими, но они обоснованы с позиций надежности и лучше соответствуют цели сохранения эксплуатационных показателей железобетонных пролетных строений на требуемом оптимальном уровне.

Результаты данной работы вошли в следующие нормативные документы:

• Руководство мостовому мастеру. / Департамент пути и сооружений МПС России, утв. 2003 г.

• Инструкция по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации. / Департамент пути и сооружений ОАО «РЖД». - М.: Транспорт, 2005. 62 с.

Разработанная при участии автора информационная система АСУ ИССО внедрена и применяется в ОАО «РЖД» (регистрационный номер № 664-2 в ОФАП МПС России от 31.03.03 г.).

Основные положения диссертации изложены в следующих статьях и научно-технических отчетах:

• Анализ конструкций и дефектности железобетонных мостов: отчет о НИР / СГУПС, руководитель Бокарев С.А. - шифр работы по плану НИОКР МПС России 10.3.2.3.02.03.04 - Новосибирск, 2002 г., 27 е.;

• Бокарев С.А., Яшнов А.Н., Прибытков С.С., Автоматизированная система управления содержанием искусственных сооружений.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Испытания мостов», Новосибирск, 2002 г. 50 с. Бокарев С.А., Прибытков С.С. Техническое состояние железобетонных мостов на Западно-Сибирской железной дороге и прогноз его изменения. - «Проектирование и строительство в Сибири», №6 , 2002 г. стр. 19-20;

Бокарев С.А., Прибытков С.С., Мочалкин П.С. Основные принципы разработки АСУ ИССО третьего и четвертого поколений. Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу. Тезисы региональной научно-практической конференции. Новосибирск, 2002 г. стр. 160-161. Бокарев С. А., Бушии А.В, Прибытков С.С. Внедрение нового информационного обеспечения в систему эксплуатации искусственных сооружений на сети железных дорог России. - «Путь и путевое хозяйство», №2, 2003 г., с. 9.

Бокарев С.А., Мурованный Ю.Н., Яшнов А.Н., Цветков Д.Н., Прибытков С.С. От информационной системы к аналитической. -«Железнодорожный транспорт», №1 2003 г., с. 54-55 Бокарев С.А., Прибытков С.С. Информационно-справочная система по ИССО на новых программно-технических комплексах (АСУ ИССО v.3). Свидетельство №664-2 в ОФАП МПС России от 31.03.03 г. Прибытков С.С. Техническое состояние железобетонных мостов, запроектированных под нагрузку 1907 г. - Сборник статей IV Всероссийской конференции «Проблемы качества в строительстве», Новосибирск, 2003 г.

Прибытков С.С. Влияние состояния мостового полотна на безотказность железобетонных пролетных строений. - Сборник трудов кафедры «Строительная механика» СГУПС, 2005 г., с. 128-134 Бокарев С.А., Яшнов А.Н., Прибытков С.С., Слюсарь А.В. Совершенствование системы надзора за искусственными сооружениями на железных дорогах. - «ЕНсник Дшпропетровського нацюнального ушверситету зал!зничного транспорту iMem академжа В. Лазаряна.» - Выпуск №9. - Днепропетровск, 2005 г., с. 154-158.

1. Бокарев С. А. Управление техническим состоянием искусственных сооружений железных дорог России на основе новых информационных технологий. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2002 - 276 с.

2. Бугров А.В., Нарбут Р. М., Спидин В.П. Исследования грунтов в трехосном напряженном состоянии. Изд. 2., Л.: Стройиздат, 1987. 184 с.

3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. 7-е изд. - М.: Высшая школа, 2001. - 575 с.

4. Власов Г.М., Бокарев С.А., Яишов А.Н. К определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений. // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1988 -№12 - с.93-97.

5. ГОСТ 26633-91 (СТ СЭВ 1406-78) Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.

6. ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия.

7. Евдокимов В.А. Грузоподъемность железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по прочности плиты и трещиностойкости стенки с учетом распределяющего действия пути. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1985.-182 с.

8. Инструкция по проведению осмотров мостов и труб на автомобильных дорогах (ВСН 4-81) / Минавтодор РСФСР. М.: Транспорт, 1981.- 32 с.

9. Инструкция по содержанию искусственных сооружений ЦП-628. Утв. МПС 28.12.98 г. М.: Транспорт, 1999 108 с.

10. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути / ЦП-774. МПС России. М.: Транспорт, 2000.

11. Иосилевский Л.И. Практические методы управления надёжностью железобетонных мостов. М.: Науч. -изд. центр "Инженер", 1999. 295 с.

12. Иосилевский Л.И., Носарев А.В., Чирков В.П., Шепетковский О.В. Железобетонные пролетные строения мостов индустриального изготовления. М.: Транспорт, 1986. 216 с.

13. Казей И.И., Лесохин Б.Ф. О новых нормах учета динамического воздействия подвижных нагрузок на железнодорожные мосты // Труды ЦНИИС. 1962. Выпуск №46.-С. 31 -54.

14. Кахонеп А. Регистр мостов и системы менеджмента мостов. Ремонт и содержание мостов: Доклад Российско-Финского семинара. Сургут, 2002. с. 3-16.

15. Лысюк B.C., Сазонов В.И., Башкатова Л.В. Прочный и надежный железнодорожный путь. М.: ИКЦ "Академкнига", 2003. 589 с.

16. Лысюк B.C., Семенов В.Т. и др. Управление надежностью бесстыкового пути. М.: Транспорт, 1999.- 373 с.

17. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условию обеспечения его надежности / ЦПТ-52-14. М.: Транспорт, 2000. 38 с.

18. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на ж.д. транспорте. М: 1999, 230с.

19. Осипов В. О. Долговечность металлических пролетных строений железнодорожных мостов. М., Транспорт, 1982. - 287 с.

20. Палагин М.Л. Исследование нагруженности мостовых конструкций для оценки их надежности / В сб. науч. трудов «Динамические испытания конструкций» ВНИИ транспортного строительства. -М., 1991.

21. Положение по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Союза ССР. Утв. МПС 17.09.90г. М.:1. Транспорт, 1991. 28 с.

22. Примеры расчета экономической эффективности внедрения новой техники и технологий. Иркутск, Служба технической политики ВСЖД: 2001, 102с.

23. Расчеты и проектирование железнодорожного пути: Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. / В.В. Виноградов, A.M. Никонов, Т.Г. Яковлева, Н.И. Карпущенко и др. М.: Маршрут, 2003. - 486 с.

24. Результаты обследования железобетонных пролетных строений Забайкальской ж.д. / С.А. Бокарев, Д.Н. Цветков, Ю.М. Широков, А.Н. Яшнов // Строительная механика и инженерные сооружения: Межвуз. сб.науч. тр. Новосибирск, 1995. С. 97-108.

25. Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов/МПС. М.: Транспорт, 1989.-125 с.

26. Руководство по определению физико-механических характеристик балластных материалов и грунтов земляного полотна / ЦПИ-36. М., 2004.

27. Руководство по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам / Главное управление пути МПС РФ. М.: Транспорт, 1993. -368с.

28. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы / Госстрой СССР -М.: ЦИТП Госстрой СССР, 1985.-220 с.

29. Сметные нормы и единичные расценки на капитальный ремонт объектов железнодорожного транспорта (ЕРКР ж. д.). Сборник 4 «Путь и путевое хозяйство». Часть 2 «Мосты и трубы». Книга 1, 1993.

30. Сметные нормы и единичные расценки на капитальный ремонт объектов железнодорожного транспорта (ЕРКР ж. д.). Сборник 4 «Путь и путевое хозяйство». Часть 2 «Мосты и трубы». Книга 2, 1993.

31. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / МПС России. М.: Транспорт, 2001. 96 с.

32. Типовые технически обоснованные нормы времени на работы по текущему содержанию пути. 1998.

33. Типовые технически обоснованные нормы времени на работы по текущему содержанию и ремонту земляного полотна и искусственных сооружений. 1999.

34. Указания по устройству и конструкции мостового полотна на железнодорожных мостах. М.: Транспорт, 1989. 120 с.

35. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М., 1987. - 479 с.

36. Щербаков А. Дорожная прописка новый подход к паспортизации автомобильных дорог. Автомобильные дороги. 2005, № 2, с. 20-21.

37. Щетинкина Е.Н. Проблемы отраслевого автоматизированного банка данных на современном этапе. Дороги России XXI века. 2004, №12 с. 4248.

38. Широков Ю.М., Яшнов A.M. Грузоподъемность железобетонных Щ: пролетных строений Забайкальской железной дороги/ Вопросынадежности и долговечности искусственных сооружений железнодорожного транспорта. Новосибирск: НИИЖТ, 1990. - С. 11-15.

39. Яишов А.Н. Исследование распределения давления от временной нагрузки по плите балластного корыта железобетонных пролетных строений. // Вопросы надежности и долговечности искусственных сооружений железнодорожного транспорта. Новосибирск, 1988.-С. 12-19.

40. Ефимов П.П. Теоретические основы оценки параметров автодорожных мостов и методов управления ими: Автореферат дис. д-ра техн. наук. М., 1997. 42 с.9 50. Bien J. Expert Functions in Bridge Managements Systems. Transportation

41. Research Circular, № 498, 2000, pp. 1-8.

42. Drucker D.C., Prager W. Soil mechanics and plastic analysis of limit design. / in Q.J. Applied mathematics, № 10, 1952. pp. 157-165.

43. Hoffman G. Bridge management: computer aided propitiates. / Civil Engineering. 1985. № 6. p. 62-64.

44. Lipkus, S. E. Bridgit bridge management system software. Transportation Research Circular №423, 1994. p. 43-54.

45. Loh, W. L. On Latin Hypercube Sampling. The Annals of Statistics 24: 20582080. 1996.

46. Sawicki V. Polish Railway Bridge Management system. Istanbul, 1997. 36 c.

47. Saliby, E. Descriptive Sampling: A Better Approach to Monte Carlo Simulation. Journal of the Operational Research Society 41:1133-1142. 1990.

48. Selig E. Т., Waters J. M. Track geotechnology and substructure management. Thomas Telford. London, 1994.

49. Thompson P. D. Pontis: the maturing of bridge management systems in the USA. In Bridge management 2: inspection, maintenance assessment and repair, ed. J. E. Harding, G. A. R. Parke, and M. J. Ryall, 971-978. London: T. Telford. 1993.

50. Zienkiewicz O.C., Pande G.N. Some useful forms of isotropic yield surfaces for soil and rock mechanics. / in G. Gudehus, Finite elements in Geomechanics, Chichester, Sussex: John Wiley, 1977. pp 171-190.

51. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The Finite Element Method. Fifth edition, Vol. 2:

52. Solid Mechanics. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2000. 475 p.