автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование проектирования деформационных швов автодорожных мостов с учетом особенностей эксплуатации

На правах рукописи

Ефанов Алексей Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.23. 11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2006

Работа выполнена на кафедре «Мосты и транспортные сооружения» ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» и на кафедре «Мосты и сооружения на дорогах» ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Овчинников Игорь Георгиевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Столяров Виктор Васильевич кандидат технических наук Данковцев Александр Федорович

Ведущая организация - ОАО «Мостострой-11», г. Сургут

Защита состоится «22» декабря 2006 года в 10 часов на заседании диссертационного совета К 212.026.02 при ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая 1, ауд. Б 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « 2{ » ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Казначеев С. В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

На протяжении последних десятилетий деформационные швы (ДШ) автодорожных мостов оставались, и остаются по сей день, одними из наименее надежных конструктивных элементов мостовых сооружений. Неисправности ДШ могут приводить к существенным повреждениям конструкций моста: пролетных строений, опор, опорных частей, подферменников, опор, мостового полотна — словом, всех основных элементов мостового сооружения. Кроме того, от состояния ДШ непосредственно зависит степень безопасности движения по мосту, как транспорта, так и пешеходов.

За рубежом уже достаточно давно ДШ проектируются на основании тщательно проработанных и научно обоснованных методов расчета, а изготавливаются с жесткими допусками из качественных и долговечных материалов, отвечающих высоким требованиям по прочности и выносливости. По сложности конструкции, характеру работы и специфике изготовления зарубежные ДШ мостовых сооружений относятся больше к механизмам, нежели к строительным конструкциям.

В России до последнего времени бытовал подход к ДШ как к вспомогательным конструкциям, проектированием и изготовлением ДТП зачастую приходилось заниматься самим мостостроительным организациям, применяя для расчета ДШ общие подходы к расчету элементов мостов. Не было выпущено ни одного нормативного документа, определяющего порядок проектирования (расчета) и изготовления ДШ. Все перечисленное привело к тому, что на российских мостах ДШ редко служат более 20 лет, а в среднем - выходят из строя в течение 6-8 лет; постоянные протечки сквозь ДШ на протяжении всего срока эксплуатации приводят к снижению срока службы моста.

В последние годы в России намечается тенденция к выработке качественно иного подхода к проектированию и эксплуатации мостовых сооружений, связанного с повышением внимания к таким элементам моста, как ДШ, опорные части и т.д. и к переоценке их роли в составе мостовых сооружений.. Возникла необходимость отчетливого понимания специфики работы ДШ в мостовом сооружении, выработки требований к этим устройствам, создания

руководств по проектированию и изготовлению ДШ. Однако пробел в этой области оказался настолько значительным, что единственным выходом на период его восполнения стало применение для отечественных мостов зарубежных конструкций ДШ. Это породило новую проблему. Российский инженер-мостовик буквально потерялся среди многообразия хлынувших с зарубежных рынков конструкций, не в силах даже выбрать, в отсутствие объективной информации, конструкцию ДШ для применения. Нередки случаи, когда на отечественных мостах применяются ДШ, эксплуатация которых запрещена в ряде зарубежных стран национальными нормами. И дело даже не в том, что зарубежные ДШ не всегда оказываются действительно качественными конструкциями, а в том, что даже качественные ДШ часто применяются не по назначению — в недопустимых для данной конструкции условиях эксплуатации.

Парк ДШ на отечественных мостах изношен и морально устарел, что влечет за собой необходимость замены этих конструкций новыми, более совершенными и эффективными. Вместе с тем, в нашей стране только зарождаются традиции обоснованного проектирования и назначения для применения конструкций ДШ, в связи с чем возникает проблема анализа применимости современных ДТП в различных условиях, разработки методов их проектирования и расчета с учетом реальных условий эксплуатации. Эти обстоятельства и определяют актуальность диссертационной работы.

Цель диссертационной работы: выполнить систематизацию и анализ информации о достоинствах, недостатках, областях применения ДШ различной конструкции с целью отбора наиболее надежных и рациональных конструктивных решений ДШ; разработать методику обоснованного выбора конструкции ДШ для заданных условий эксплуатации, разработать методику расчета ДШ, которые в ближайшем будущем будут наиболее востребованными для применения в отечественных мостовых сооружениях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— систематизация и анализ информации о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах;

разработка и обоснование новой классификации ДШ, в основу которой положены более актуальные принципы деления ДШ на типы и дальнейшей внутренней группировки на подтипы; разработка методики выбора ДШ для применения в зависимости от различных факторов, влияющих на выбор ДТП, с учетом их возможного изменения на этапе эксплуатации ДТП;

выявление сценариев разрушения, обоснование деформационной модели щебеночно-мастичного (ЩМ) материала заполнения штрабы щебеноч-но-мастичного деформационного шва (ЩМДНТ), выбор расчетной схемы 1ЦМДШ и формулировка основных расчетных случаев, характерных для этого ДШ;

разработка методики компьютерного расчета ЩМДШ, учитывающей поведение ЩМ материала при разных температурах и схемах нагруже-ния;

разработка и реализация на современном языке программирования расчетной программы, использующей методику расчета ЩМДШ; исследование с помощью разработанной компьютерной программы работы ЩМДШ и разработка по итогам исследования способов модификации конструктивного решения ЩМДШ для улучшения его работы и снижения стоимости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

проведены систематизация и анализ информации о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах на основе накопленного опыта эксплуатации;

собраны и систематизированы по определенным приоритетам требования к конструкциям ДШ, к порядку их проектирования и эксплуатации; сформулирована, обоснована и предложена к использованию классификация ДШ, корректно разделяющая конструкции ДТП на типы; на основе анализа накопленного опыта выявлены типы и отдельные марки ДШ, наиболее совершенные с точки зрения потребительских свойств, а также выявлены наиболее востребованные для отечественного мостостроения типы ДШ;

разработана методика выбора ДШ для применения в зависимости от различных факторов, влияющих, на выбор ДШ, с учетом их возможного изменения на стадии эксплуатации; разработана расчетная модель и методика расчета ЩМДШ; разработана компьютерная программа, реализующая разработанную методику расчета ЩМДШ;

с помощью разработанной программы исследовано поведение ЩМДШ в различных условиях;

на основе анализа результатов компьютерного моделирования сформулирован ряд технических решений, позволяющих улучшить работу ЩМДШ.

Практическая значимость работы заключается в следующем: проведенный анализ конструктивных решений и опыта эксплуатации ДШ выявил наиболее перспективные конструкции ДШ, а также конструкции с неустранимыми недостатками, что позволит проектировщикам сконцентрировать свое внимание на совершенствовании удачных решений и избежать использования заведомо ненадежных; предложенная классификация ДШ позволит инженеру четче представлять область применения и особенности конструкции ДШ по названию ее типа и подтипа, а также устраняет неточности и путаницу в классификации, используемой в настоящее время; разработана методика подбора ДШ, позволяющая обоснованно выбирать ДШ для применения в мостовом сооружении, что позволит значительно снизить процент применения ДШ не по назначению; разработана методика расчета ЩМДШ, учитывающая особенности поведения ЩМ материала заполнения ДШ;

разработана программа расчета ЩМДШ, реализованная на современном языке программирования, что позволяет использовать эту программу в повседневной инженерной практике;

с помощью указанной программы исследована работа ЩМДШ и на основании результатов численного моделирования предложен ряд технических решений, повышающих надежность ЩМДШ, при снижении их стоимости.

Реализация работы.

Результаты работы, изложенные в подготовленных в соавторстве монографии и учебном пособии, успешно используются организациями, связанными с проектированием и строительством мостовых сооружений, такими как ФГУП «Росдорнии», ОАО «Мостострой-11» и ОАО «Волгомост» при выборе ДЩ для применения в мостовых сооружениях и анализе причин их повреждений. В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) и в ряде других вузов страны результаты работы используются преподавателями при подготовке к лекциям и практическим занятиям со студентами специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели». Кроме того, автором работы совместно с И.Г. Овчинниковым и В.Н. Макаровым создан и поддерживается веб-сайт (адрес в Интернете: http://defshov.am-bridge.net/), посвященный ДШ и сопутствующим вопросам.

Достоверность результатов работы обеспечивается верификацией построенных моделей, сопоставлением результатов численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными, а также с некоторыми результатами численного моделирования, произведенного другими авторами. В части анализа конструктивных решений, достоинств и недостатков ДШ достоверность обеспечивается сопоставлением большого количества данных обследований ДШ, проведенных как в России, так и за рубежом различными специалистами.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II и IV Международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2003, 2005гг.); на студенческой научно-практической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли» (г. Саратов, 2004, 2006 гг.); на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2004 г.), на Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2005 г.); на семинаре «Совершенствование конструкторско-технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (г. Саратов, 2005г.); на Всероссийском семинаре «Повышение безопасности дорожного движения

путем применения современных технических средств организации дорожного движения на дорогах и искусственных сооружениях с использованием новых технологий и материалов» (г. Саратов, 2005г.); на Международном научно-методическом межвузовском семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г. Могилев, 2005 г.); на I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (г. Омск, 2006); на Международном семинаре «Конструкции покрытий проезжей части мостовых сооружений с интенсивностью движения более 7-8 тысяч авт/сут. с учетом климатических условий г. Москвы» (г. Москва, 2006г.); на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2006 г.). Работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ в ноябре 2006г., а также на расширенном заседании кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ). Публикации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, в том числе в одной монографии и одном учебном пособии. Объем работы.

Диссертация объемом 201 страница машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 111 наименований, 9 приложений и включает 130 рисунков и 20 таблиц.

На защиту выносятся:

- результаты анализа конструктивных решений ДШ, опыта их применения, достоинств и недостатков, характерных дефектов;

- предложенная в работе классификация конструкций ДШ на типы;

- методика выбора ДТП для применения в зависимости от различных факторов, влияющих на выбор ДШ;

- модель ЩМ материала заполнения штрабы ЩМДШ и расчетная схема ЩМДШ;

- методика компьютерного расчета ЩМДШ;

- результаты моделирования работы ЩМДШ с помощью разработанной

компьютерной программы;

- основные конструктивные решения, позволяющие повысить надежность

ЩМДШ, а также снизить его стоимость.

Автор приносит свою глубокую благодарность д.т.н., проф. Овчинникову И.Г. за постоянное внимание и неоценимую помощь в работе над диссертацией, к.т.н. Макарову В.Н. за консультации и ценные советы, данные в ходе выполнения работы. Также автор благодарит ООО «Дефшов» (г. Москва) в лице директора Овсянникова C.B. за предоставленную возможность ознакомиться с опытом устройства, эксплуатации и ремонта современных ДЩ автодорожных мостов.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи исследования, научные результаты и аргументирована практическая ценность, приведено краткое содержание ее глав.

Первая глава диссертации посвящена описанию конструктивных решений ДШ, существующих и применяющихся в России и в мире на сегодняшний день. Приведены также сведения об опыте применения различных конструкций ДШ и описаны выявленные на практике характерные дефекты и повреждения этих ДШ. Также приводится существующая в настоящее время классификация ДШ. В ее основу был положен принцип перекрытия деформационного зазора. Недостатки данной классификации рассмотрены во второй главе.

В первой главе также содержится оценка интенсивности деградации ДШ в эксплуатируемых мостах. Показано, что в результате накопления повреждений, в ДТП появляются протечки, за счет чего долговечность пролетных строений и опор снижается в среднем на 50-70%. Кроме того, поврежденные

ДШ сильно влияют на безопасность движения по мосту. Чем больше износ ДШ, тем меньше предельно допустимая безопасная скорость.

Также в первой главе собраны и упорядочены современные требования к ДШ в зависимости от приоритета групп потребителей, выдвигающих данные требования.

Приведен обзор работ, посвященных ДШ. В нашей стране, прежде всего, выделяются работы В.И. Шестерикова, И.Д. Сахаровой, В.Ю. Казаряна, И.Г, Овчинникова, В.Н. Макарова и других авторов. Среди зарубежных трудов известны работы W. Köster, D.J. Lee, F. Tschemmernegg, A.R. Price, R.J. Dexter, R.J. Connor, M.R Kaczinski, V. Dolan, G. Ramberger и других. Большой вклад в исследование ЩМДШ внесли В.К. Bramel и его коллега.

Во второй главе содержится анализ данных, приведенных в первой главе. Подробно описаны недостатки существующей классификации ДШ и обоснованы преимущества новой. Предложенная 30 лет назад классификация устарела и не учитывает некоторые новые типы ДШ. Ряд конструкций ДТП по этой классификации можно равноправно отнести сразу к нескольким типам ДШ, что создает путаницу в терминах. Новая классификация максимально опирается на существующую классификацию, но имеет однозначную трактовку категорий и включает в себя все современные конструкции ДШ:

К достоинствам предложенной классификации относится также то, что конструкции, принадлежащие к одной категории, имеют очень схожие области применения и даже проявляют характерные дефекты при эксплуатации. Это позволяет говорить о перспективных типах ДШ, и о морально устаревших типах, а не об отдельных конструкциях.

К устаревшим типам, на основании анализа данных, изложенных в первой главе, относятся ДШ перекрытого типа. Все ДШ перекрытого типа имеют общую изначально неудачную компоновку, согласно которой они выполнены так, что вся конструкция ДШ находится в зоне действия вод, собирающихся с проезжей части (см. рис. 1, где условное положение гидроизоляционного барьера на схеме ДШ показано прерывистой линией). Это, наряду с другими недостатками определяет низкую долговечность ДШ перекрытого типа. Во всем мире ДШ перекрытого типа уже не производятся и не применяются на вновь строящихся мостах. Исключение составляют гребенчатые

ДШ (подтип ДШ перекрытого типа), которые востребованы из-за низкой шумовой эмиссии при проезде. Анализ опыта эксплуатации гребенчатых ДШ показывает, что в мостах следует применять только ДШ с консольными гребенчатыми плитами и криволинейным очертанием пальцев в плане. Тем не менее, на отечественных мостах часто применяются ДШ с прямолинейным очертанием пальцев (например, это ДШ TENSA FlexFinger производства фирмы Proceq (рис. 2)), которые разработаны для автострад с жестким покрытием, а не для мостов, и использование которых в мостах категорически неприемлемо.

Не рекомендуются к применению и ДШ с монолитными армированными компенсаторами (подтип ДШ с упругим компенсатором). Опыт применения таких конструкций на МКАД был неудачным (в течение первых двух лет эксплуатации пришлось заменить практически все такие ДШ). К указанному подтипу ДШ с упругим компенсатором относятся ДШ WABOFLEX, Serviflex, PCM (СП «Руссербмост») и ряд других. Характерные повреждения ДШ с монолитными армированными компенсаторами иллюстрирует рис. 3 (разрушение секции ДШ, разбалтывание крепежей, расслоение компенсатора, следы повреждений снегоуборочной техникой, дефекты зоны примыкания покрытия к ДШ).

К перспективным и рекомендуемым к применению типам ДШ отнесены: ДШ закрытого типа и ДШ заполненного типа (для перемещений до 1015 мм), ЩМДШ (для перемещений до 50 мм), однопрофильные ДШ с упругим компенсатором (для перемещений до 50...80 (100) мм) и многопрофильные ДШ с упругим компенсатором (для перемещений свыше 160 (120) мм).

Анализ эксплуатации ДШ в городских мостах показывает, что ДШ, работающие под высокой интенсивностью движения, часто выходят из строя в течение короткого срока (1-2 года или несколько больше) из-за быстрого образования колеи и выбоин в прилегающем покрытии. Применяемые для снижения интенсивности образования колеи меры малоэффективны. Причиной появления перечисленных дефектов является отличие жесткостей дорожной одежды мостового полотна и Конструкции ДШ. В связи с этим, в работе предлагается использовать новое конструктивное решение — согласующую переходную зону. Согласно предложенной концепции, такая зона должна

иметь плавно изменяющуюся по длине жесткость, повышающуюся от показателя жесткости дорожной одежды до показателя жесткости конструкции ДШ при движении по направлению к ДШ.

Рис. 1.

Рис. 2.

. «г. • .1

Рис. 3.

Рис. 4.

Далее произведена оценка потребности в ДТП различных типов (на основании исследований В.И. Шестерикова). Показано, что порядка 96% суммарной длины ДШ на мостовых сооружениях страны — это ДШ, рассчитанные на перемещения до 50 мм. На основании анализа этих и других данных, а также в результате сравнения наиболее рациональных для данной области применения конструкций ДШ, автором сделай вывод, что самой востребованной конструкцией ДШ в ближайшее время станут ЩМДШ, рассчитанные на перемещения до 50 мм и по ряду параметров наиболее эффективные в этом диапазоне перемещений.

В третьей главе описана методика подбора ДШ для применения. Необходимость разработки такой методики назрела давно, поскольку применение

ДТП не по назначению является наиболее распространенной ошибкой при проектировании мостовых сооружений. Как правило, проектировщик не учитывает значительное количество факторов, оказывающих влияние на выбор той или иной конструкции ДГЛ, и подчас даже не знает о необходимости учета некоторых га них. В результате, даже качественные, но примененные не по назначению ДШ, выходят из строя в первые годы эксплуатации. В основу методики, призванной помочь снизить процент таких ошибок, положен поэтапный порядок выбора ДШ: 1) определяются приемлемые для данной конструкции моста типы ДШ; 2) из выбранных конструкций отбираются марки ДШ, наиболее подходящие для работы при заданных нагрузках и воздействиях, в заданных условиях; 3) когда тип и марка ДШ выбраны, производится выбор подходящего типоразмера ДТП по величинам и направлениям перемещений.

На первом этапе учитывается соответствие конструктивного решения мостового сооружения (включая конструкцию дорожной одежды) конструкции ДШ. На втором этапе выбираются марки ДШ, хорошо зарекомендовавшие себя в условиях эксплуатации, близких к заданным. В работе приведен рекомендуемый порядок рассуждений.

На заключительном этапе выбирается типоразмер ДШ, для чего необходимо определить пространственные перемещения торцов пролетного строения (см. рис. 4). При этом должны быть учтены все влияющие на величину и направление перемещений факторы (список данных факторов приведен в Приложении к работе), а также возможность изменения этих факторов в будущем.

Для облегчения выбора ДШ по области его рационального применения, составлена диаграмма, наглядно показывающая распределение областей рационального применения среди типов (и некоторых марок) ДШ.

Значительно облегчить процесс выбора ДШ для применения позволяет база данных по конструкциям ДШ, структура которой предложена в работе. Такая база данных может быть использована в составе экспертной системы, позволяющей автоматизировать процесс подбора Д Ш по заданным условиям эксплуатации, поскольку содержит элементы базы прецедентов, необходимой для работы экспертной системы.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета конструкции ДШ, наиболее необходимой для отечественного мостостроения. Согласно результатам,

полученным во второй главе, такой конструкцией является ЩМДШ (рис. 5). Задача расчета ЩМДШ сводится к расчету ЩМ материала заполнения штрабы. Анализ результатов экспериментов, проведенных за рубежом, показал необходимость учета зависимости физико-механических характеристик ЩМ смеси от температуры окружающей среды (рис. 6).

оооооо

ЩМ материалы: Ffevetech Watson, Bowman. Acme —Koch/LDl

Рис. 5.

-40 -20 О 20 40 Температура испытанияД

Рис. 6.

При температурах выше 0°С материал проявляет свойства ползучести. Напряжения в теле ЩМДШ (от перемещений пролетных строений), практически исчезают в течение 3-4 часов вследствие релаксации, но ползучесть ведет к тому, что на поверхности ЩМДШ может образоваться колея, что снизит комфортность движения и срок службы ДШ. Выход же из строя ЩМДШ, как правило, наблюдается при низких температурах, когда ЩМ материал проявляет упругие свойства, поэтому расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) должен производиться в диапазоне температур от температуры стеклования до температуры появления у ЩМ материала пластических свойств. Эта задача путем принятия обоснованных гипотез сводится к плоской задаче теории упругости. Учет воздействия температуры не требует решения задачи термоупругости, поскольку можно считать, что распределение температуры в материале равномерное. В предложенной методике расчета учтена также зависимость свойств материала от температуры. Расчетная схема сечения ДШ показана на рис. 7.

Основными разрешающими уравнениями для этой задачи являются уравнения Ламе для плоского напряженного состояния. В качестве численного метода решения задачи был выбран метод конечных разностей (МКР). Уравнения Ламе в обозначениях рис. 8 в конечных разностях имеют вид:

2ud-2uk+ub ^ n ^ ua-2uk+ uc inL ^ vc + vg~vf~ vA

Ax

4ЛхАу

= 0, (1)

„v--2vt+v- „ . vv — 2vj. + Vi, „ uc+u -uf-uh

2-5-|-— + (1 — 77) —-- + (1 + 17)—----— = 0, (2)

Ау* Ах

где ц — коэффициент Пуассона.

4ЛхДу

Рис. 7.

lb(x,y), V2(x,y)

е I а » t

.dlk

.h ic

Рис. 8.

Записывая уравнения (1) и (2) для каждой узловой точки внутри рассматриваемого контура, получим систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая разрешима с учетом дополнительные уравнений, записанных для граничных условий (ГУ) (табл. 1):

Таблица 1

Граничные условия Дополнительные уравнения

а) кинематические ГУ на всех участках контура, кроме верхней грани. и = и(х,у), (3) v = v(x,y), (4)

б) статические ГУ для верхней грани (в случае свободного от нагрузок контура ау = 0 и Тху = 0). у 2(1-77 )v Ау Ах ) Е («е-и. vb-vA (6) ** 4(1 — 77) ^ Ау Ах )

Решая СЛАУ, получим значения компонент перемещений в узловых точках сетки, а затем - и компонент напряжений по формулам (5), (6) и (7):

(7)

2(1-772А Ах Ау

Методика расчета реализована в разработанной программе расчета 1ЦМДШ (рис. 9). Результаты расчета в программном комплексе ANS YS (полученные зарубежными исследователями) при моделировании растяжения ЩМ материала Pavetech (при t=21°C) изображены на рис. 10. Результаты рас-

чета ЩМДШ из того же материала с помощью разработанной программы -на рис. 12. Некоторое различие в отображении диаграмм распределения напряжений (на рис. 12 изображение более размыто, чем на рис. 10) объясняется различием принципов визуализации результатов, использованных в данных программах. Полученный характер распределения напряжений подтверждается результатами натурных обследований и лабораторных испытаний ЩМДШ.

Рис. 9. Вид окна программы расчета ЩМДШ

Рис. 10.

Рис.11.

го Н '

Ь — 2е+-+ а,

(8)

Рис. 12.

где а—конструктивный запас.

По результатам моделирования предложена формула (8) для приближенного назначения размеров ЩМДШ (см. схему на рис. 11). Точное конструирование должно производиться на основе расчета с учетом свойств конкретного ЩМ материала.

Установлено, что большая часть ЩМДШ оказывается нерационально использованной, поскольку в основном деформируется только область вблизи подвижного торца опорной пластины. В связи с этим, рекомендована для применения конструкция ЩМДШ с несимметричным расположением опорной пластины, позволяющая лучше использовать ЩМ материал и существенно сократить его потребление.

В главе приведена также технология устройства ЩМДШ.

Пятая глава содержит описание основных путей дальнейшего развития и совершенствования конструкций ДШ. Подробно рассмотрены вопросы организации мониторинга поведения и состояния ДШ. Основываясь на опыте организации проведения мониторинга на объектах мостового перехода через р. Волгу у с. Пристанное в Саратовской области, основные результаты которого также приводятся, сформулированы требования к составу и проведению работ по мониторингу поведения и состояния ДШ с целью распространения данного опыта на другие мостовые сооружения. В качестве наиболее перспективных путей совершенствования конструкций ДШ отмечены следующие направления: развитие методов расчета ДШ; создание методик определения перемещений торцов пролетных строений от различных факторов; подбор отечественных материалов, пригодных для изготовления современных конструкций ДШ.

основные результаты и выводы по диссертации

1. Собрана, систематизирована и проанализирована информация о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах на основе отечественного и зарубежного опыта эксплуатации, что позволило выявить наиболее перспективные и устаревшие конструкции ДШ, очертить рациональную область их применения, а также систематизировать характерные дефекты с указанием причин их возникновения.

2. Оценка степени воздействия дефектов и повреждений ДШ на техническое состояние прочих элементов моста и на безопасность и комфортность движения транспорта через поврежденный ДШ показало сильное влияние

наличия неисправностей ДШ на указанные параметры, выражающееся в снижении срока службы нижележащих конструктивных элементов мостов до 50-70% при наличии протечек через ДШ, а также в снижении допускаемой из соображений безопасности скорости при повреждении поверхности проезда ДШ, которое может достигать 90% при увеличении динамического коэффициента более чем вдвое.

3. Разработка и обоснование новой классификации ДШ, позволили более корректно разделять конструкции ДШ на типы, устранив недостатки, имеющиеся в существующей ныне классификации ДШ.

4. Анализ особенностей эксплуатации, ремонта и учета потребности в ДШ, устанавливаемых в городских мостах с высокой интенсивностью движения позволил установить, что, несмотря на оперативность мер по обслуживанию и ремонту ДШ, которые можно обеспечить в черте города, преимуществ городское расположение ДШ, как считалось ранее, не дает. Напротив, в условиях города износ ДШ происходит значительно более интенсивно, нежели за городской чертой, в основном, вследствие быстрого образования колеи и выбоин в покрытии. Учитывая, что используемые

- для предотвращения указанных явлений меры малоэффективны, предло-' жена принципиально новая концепция использования согласующих переходных зон между покрытием и конструкцией ДШ.

5. Оценка потребности в ДШ различных перемещений для мостовых сооружений страны, основанная на результатах исследований В.И. Шестерикова, позволила выявить наиболее востребованные конструкции ДШ с учетом прогноза развития ситуации на ближайшее будущее. Такими конструкциями по ряду параметров оказались ЩМДН.Г;

6. Большой процент примененных не по назначению конструкций ДШ на отечественных мостах показывает отсутствие у проектировщиков четких представлений об особенностях выбора ДШ для применения. В результате, даже качественные конструкции ДШ, примененные не по назначению, служат в 10-20 раз меньше их практически достижимого срока службы. Разработанная методика выбора ДШ для применения в зависимости от конкретных условий эксплуатации, воздействий и других факторов, влияющих на выбор ДТП, учитывающая возможное изменение этих пара-

метров на этапе эксплуатации ДШ, позволит значительно снизить количество ошибок, связанных с необоснованным выбором ДШ для применения.

7. Для упрощения выбора ДШ согласно предложенной методике выбора, разработана структура базы данных по применяемым конструкциям ДШ, содержащая весь необходимый для использования методики набор сведений о каждой конструкции ДШ. Структура базы данных предложена расширенной и включающей ряд полей, необходимых впоследствии для использования базы данных в качестве базы знаний экспертной системы, предназначенной для автоматизированного выбора ДШ для применения.

8. Поскольку было выявлено, что наиболее востребованными конструкциями ДШ в ближайшем будущем станут ЩМДШ, была разработана методика расчета таких конструкций. Анализ сценариев разрушения и экспериментальных данных позволил выбрать и обосновать деформационную модель ЩМ материала заполнения штрабы ЩМДШ, выбрать и обосновать расчетную схему ЩМДШ, а также сформулировать основные расчетные случаи, характерные для этого ДШ. На основании полученных предпосылок была разработана методика компьютерного расчета ЩМДШ, учитывающая поведение ЩМ материала при различных температурах и схемах нагружения.

9. Для использования разработанной методики расчета ЩМДШ в инженерной практике, были разработаны структура, алгоритм и компьютерная программа расчета ЩМДШ.

Ю.Численное моделирование поведения ЩМДШ с помощью разработанной программы позволило предложить способы модификации конструктивного решения ЩМДШ для улучшения его работы и снижения стоимости.

11.В числе наиболее перспективных направлений совершенствования ДШ были выделены: разработка новых и развитие существующих методов проектирования ДШ различных типов, разработка методики определения перемещений торцов пролетных строений от действия различных факторов, разработка конструкций ДШ на основе отечественных материалов, широкое внедрение мониторинга поведения и состояния ДШ, а также ряд других мер, направленных на повышение информированности инженеров об особенностях работы и проектирования ДШ.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Мостовое полотно автодорожных мостов с применением литого асфальтобетона и современных деформационных швов : моногр. / А. В. Ефанов [и др.] - Саратов : СГТУ, 2004.

2. Ефанов, А. В. Деформационные швы мостов: современное состояние проблемы / А. В. Ефанов, И. Г. Овчинников // Вест. СГТУ. - 2006. - № 4. -Вып. 1.-С. 81-86.

3. Ефанов, А. В. Статический и динамический расчет деформационных швов автодорожных мостов / А. В. Ефанов, И. Г. Овчинников // Вест. ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. - 2006. - Вып. 6 (21). -С. 102-106.

4. Ефанов, А. В. О расчете конструкций щебеночно-мастичных деформационных швов автодорожных мостов / А. В. Ефанов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2006. - Кн. 1. -С. 252-258.

5. Ефанов, А. В. Влияние деформационных швов на безопасность и комфортность движения / И. Г. Овчинников, В. Н. Макаров, А. В. Ефанов // Доркомстрой. - 2006. - № 2. - С. 26-29.

6. Ефанов, А. В. Особенности работы и область применения щебеночно-мастичных деформационных швов мостовых сооружений / А. В. Ефанов // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь : сб. науч. тр. междунар. науч.-метод. межвуз. семинара. — Могилев : ГУ ВПО "Белорусско-Российский Университет", 2006.-С.146-151.

7. Ефанов, А. В. Моделирование динамического взаимодействия системы «транспортное средство — деформационный шов автодорожного моста» / A.B. Ефанов // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всерос. конф. — Волгоград : Изд-во ВолгГТУ, 2005. — Т. 1. -С. 78-82.

8. Мониторинг поведения деформационных швов и опорных частей на автодорожном мосту через р. Волгу у с. Пристанное / А. В. Ефанов [и др.] //

Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2004. - С. 486-490.

9. Ефанов, А. В. Основные требования, предъявляемые к современным конструкциям деформационных швов мостовых сооружений / А. В. Ефанов // Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли : сб. тезисов докл. науч.-практ. конф. - Саратов : Приволж. кн. изд-во,

2004.-С. 34-36.

Ю.Ефанов, А. В. Новые конструкционные материалы и технологии, примененные на строительстве автодорожного моста через реку Волгу у села Пристанное Саратовской области / И. Г. Овчинников, В. Н. Макаров, А. В. Ефанов // Эффективные строительные конструкции : теория и практика : сб. ст. II Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : ПГУАиС, 2003. - С. 340342.

11.Ефанов, А. В. Состав базы данных о конструкциях деформационных швов автодорожных мостов / А. В. Ефанов // Прогрессивные технологии в обучении и производстве : материалы Всерос. конф. - Волгоград : Изд-во ВолгГТУ, 2006. - С. 122-124.'

12.Деформационные швы автодорожных мостов: особенности конструкции и работы : учеб. пособие / А. В. Ефанов [и др.]. — Саратов : СГТУ,

2005.

Ефанов Алексей Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 13 ноября 2006 г. Формат 60*84*А« Печать трафаретная. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,6 Гарнитура Times New Roman. Тираж 150. Заказ № SO2. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Сектор оперативной полиграфии ЦИТ 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Краткая история появления и развития деформационных швов автодорожных мостов.

1.2. Существующая классификация конструкций деформационных швов.

1.3. Обзор существующих конструкций деформационных швов.

1.3.1. Деформационные швы закрытого типа.

1.3.2. Щебеночно-мастичные деформационные швы.

1.3.3. Деформационные швы заполненного типа.

1.3.4. Деформационные швы перекрытого типа.

1.3.5. Деформационные швы с упругим компенсатором.

1.4.Современные требования к деформационным швам.

1.5.Дефекты и повреждения конструкций деформационных швов

1.5.1. Деформационные швы закрытого типа.

1.5.2. Щебеночно-мастичные деформационные швы.

1.5.3. Деформационные швы заполненного типа.

1.5.4. Деформационные швы перекрытого типа.

1.5.5. Деформационные швы с упругим компенсатором.

1.6.Дефекты деформационных швов, связанные с установкой конструкций не по назначению, а также с нарушением технологии их установки и эксплуатации.

1.7.0ценка срока службы деформационных швов и влияние их дефектов на техническое состояние мостового сооружения и его потребительские свойства.

1.8.0бзор трудов, посвященных конструированию, расчету, технологии устройства и ремонта деформационных швов и сопутствующим вопросам.

1.9.Выводы по первой главе.

2. АНАЛИЗ НАКОПЛЕННОГО ОПЫТА И ПУТИ РЕШЕНИЯ.

2.1.0боснование новой классификации деформационных швов.

2.2.Анализ конструктивных особенностей и опыта применения деформационных швов различных типов.

2.2.1. Деформационные швы закрытого типа.

2.2.2. Щебеночно-мастичные деформационные швы.

2.2.3. Деформационные швы заполненного типа.

2.2.4. Деформационные швы перекрытого типа.

2.2.5. Деформационные швы с упругим компенсатором.

2.3.Результаты анализа конструктивных особенностей и опыта применения деформационных швов различных типов.

2.3.1. Деформационные швы закрытого типа.

2.3.2. Щебеночно-мастичные деформационные швы.

2.3.3. Деформационные швы заполненного типа.

2.3.4. Деформационные швы перекрытого типа.

2.3.5. Деформационные швы супругам компенсатором.

2.4.0собенности эксплуатации деформационных швов в условиях высокой интенсивности движения транспорта.

2.4.1. Особенности эксплуатации деформационных швов в условиях больших городов.

2.4.2. Рекомендации по улучшению работы деформационных швов в условиях высокой интенсивности движения.

2.5.0ценка потребности в деформационных швах.

2.6.Выводы по второй главе.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ ДЕФОРМАЦИОННОГО ШВА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ.

ЗЛ.Проблема выбора конструкции деформационного шва для применения в мостовом сооружении и предлагаемая методика выбора.

3.2.Выбор типа конструкции деформационного шва в зависимости от конструктивного решения мостового сооружения.

3.3.Классификация воздействий на конструкции деформационных швов и их влияние на выбор марки деформационного шва для применения.

3.4.Выбор типоразмера деформационного шва по допускаемым перемещениям.

3.4.1. Определение расчетных перемещений.

3.4.2. Учет изменения влияющих факторов на перемещения концов пролетных строений в процессе эксплуатации.

3.4.3. Приведение перемещений по всем направлениям и видам к трем основным направлениям.

3.5.Построение базы данных и экспертной системы по выбору деформационных швов для применения.

3.6.Построение совмещенной диаграммы распределения областей рационального применения между типами деформационных швов.

3.7.Выводы по третьей главе.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ.

4.1.Исходные предпосылки к разработке методики расчета щебе-ночно-мастичных деформационных швов.

4.2.Выбор расчетной схемы и обоснование используемых гипотез и упрощений.

4.2.1. Выбор расчетного случая.

4.2.2. Обоснование модели щебеночно-мастичного материала заполнения.

4.2.3. Обоснование используемых в расчете теорий, гипотез и упрощений.

4.2.4. Выбор расчетной схемы.

4.3.0сновные уравнения, используемые для решения плоской задачи теории упругости.

4.3.1. Решение задачи в напряжениях.

4.3.2. Решение задачи в перемещениях.

4.4.Выбор и описание численного метода решения задачи.

4.5.Численное решение задачи.

4.6.Исследование работы щебеночно-мастичного деформационного шва при помощи численного моделирования.

4.6.1. Исходные данные и результаты расчета.

Актуальность темы.

На протяжении последних десятилетий деформационные швы (ДШ) автодорожных мостов оставались, и остаются по сей день, одними из наименее надежных конструктивных элементов мостовых сооружений. Неисправности ДТП могут приводить к существенным повреждениям конструкций моста: пролетных строений, опор, опорных частей, подферменников, опор, мостового полотна - словом, всех основных элементов мостового сооружения. Кроме того, от состояния ДТП непосредственно зависит степень безопасности движения по мосту, как транспорта, так и пешеходов.

За рубежом уже достаточно давно ДТП проектируются на основании тщательно проработанных и научно обоснованных методов расчета, а изготавливаются с жесткими допусками из качественных и долговечных материалов, отвечающих высоким требованиям по прочности и выносливости. По сложности конструкции, характеру работы и специфике изготовления зарубежные ДШ мостовых сооружений относятся больше к механизмам, нежели к строительным конструкциям.

В России до последнего времени бытовал подход к ДТП как к вспомогательным конструкциям, проектированием и изготовлением ДШ зачастую приходилось заниматься самим мостостроительным организациям, применяя для расчета ДШ общие подходы к расчету элементов мостов. Не было выпущено ни одного нормативного документа, определяющего порядок проектирования (расчета) и изготовления ДШ. Все перечисленное привело к тому, что на российских мостах ДШ редко служат более 20 лет, а в среднем - выходят из строя в течение 6-8 лет; постоянные протечки сквозь ДШ на протяжении всего срока эксплуатации приводят к снижению срока службы моста.

В последние годы в России намечается тенденция к выработке качественно иного подхода к проектированию и эксплуатации мостовых сооружений, связанного с повышением внимания к таким элементам моста, как ДШ, опорные части и т.д. и к переоценке их роли в составе мостовых сооружений. Возникла необходимость отчетливого понимания специфики работы ДШ в мостовом сооружении, выработки требований к этим устройствам, создания руководств по проектированию и изготовлению ДШ. Однако пробел в этой области оказался настолько значительным, что единственным выходом на период его восполнения стало применение для отечественных мостов зарубежных конструкций ДШ. Это породило новую проблему. Российский инженер-мостовик буквально потерялся среди многообразия хлынувших с зарубежных рынков конструкций, не в силах даже выбрать, в отсутствие объективной информации, конструкцию ДШ для применения. Нередки случаи, когда на отечественных мостах применяются ДТП, эксплуатация которых запрещена в ряде зарубежных стран национальными нормами. И дело даже не в том, что зарубежные ДШ не всегда оказываются действительно качественными констг> рукциями, а в том, что даже качественные ДШ часто применяются не по назначению - в недопустимых для данной конструкции условиях эксплуатации.

Парк ДШ на отечественных мостах изношен и морально устарел, что влечет за собой необходимость замены этих конструкций новыми, более совершенными и эффективными. Вместе с тем, в нашей стране только зарождаются традиции обоснованного проектирования и назначения для применения конструкций ДШ, в связи с чем возникает проблема анализа применимости современных ДШ в различных условиях, разработки методов их проектирования и расчета с учетом реальных условий эксплуатации. Эти обстоятельства и определяют актуальность диссертационной работы.

Цель диссертационной работы: выполнить систематизацию и анализ информации о достоинствах, недостатках, областях применения ДШ различной конструкции с целью отбора наиболее надежных и рациональных конструктивных решений ДШ; разработать методику обоснованного выбора конструкции ДШ для заданных условий эксплуатации, разработать методику расчета ДТП, которые в ближайшем будущем будут наиболее востребованными для применения в отечественных мостовых сооружениях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- систематизация и анализ информации о существующих конструкциях ДТП, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах;

- разработка и обоснование новой классификации ДТП, в основу которой положены более актуальные принципы деления ДТП на типы и дальнейшей внутренней группировки на подтипы;

- разработка методики выбора ДТП для применения в зависимости от различных факторов, влияющих на выбор ДШ, с учетом их возможного изменения на этапе эксплуатации ДТП;

- выявление сценариев разрушения, обоснование деформационной модели щебеночно-мастичного (ЩМ) материала заполнения штрабы щебеночно-мастичного деформационного шва (ЩМДШ), выбор расчетной схемы ЩМД11Т и формулировка основных расчетных случаев, характерных для этого ДТП;

- разработка методики компьютерного расчета ЩМДШ, учитывающей поведение ЩМ материала при разных температурах и схемах нагружения;

- разработка и реализация на современном языке программирования расчетной программы, использующей методику расчета ЩМДШ;

- исследование с помощью разработанной компьютерной программы работы ЩМДШ и разработка по итогам исследования способов модификации конструктивного решения ЩМДШ для улучшения его работы и снижения стоимости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены систематизация и анализ информации о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах на основе накопленного опыта эксплуатации;

- собраны и систематизированы по определенным приоритетам требования к конструкциям ДТП, к порядку их проектирования и эксплуатации;

- сформулирована, обоснована и предложена к использованию классификация ДШ, корректно разделяющая конструкции ДТП на типы;

- на основе анализа накопленного опыта выявлены типы и отдельные марки ДШ, наиболее совершенные с точки зрения потребительских свойств, а также выявлены наиболее востребованные для отечественного мостостроения типы ДШ;

- разработана методика выбора ДШ для применения в зависимости от различных факторов, влияющих на выбор ДШ, с учетом их возможного изменения на стадии эксплуатации;

- разработана расчетная модель и методика расчета ЩМДШ;

- разработана компьютерная программа, реализующая разработанную методику расчета ЩМДШ;

- с помощью разработанной программы исследовано поведение ЩМДШ в различных условиях;

- на основе анализа результатов компьютерного моделирования сформулирован ряд технических решений, позволяющих улучшить работу ЩМДШ.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- проведенный анализ конструктивных решений и опыта эксплуатации ДШ выявил наиболее перспективные конструкции ДШ, а также конструкции с неустранимыми недостатками, что позволит проектировщикам сконцентрировать свое внимание на совершенствовании удачных решений и избежать использования заведомо ненадежных;

- предложенная классификация /ЦП позволит инженеру четче представлять область применения и особенности конструкции ДТП по названию ее типа и подтипа, а также устраняет неточности и путаницу в классификации, используемой в настоящее время;

- разработана методика подбора ДТП, позволяющая обоснованно выбирать ДШ для применения в мостовом сооружении, что позволит значительно снизить процент применения ДШ не по назначению;

- разработана методика расчета ЩМДШ, учитывающая особенности поведения ЩМ материала заполнения ДШ;

- разработана программа расчета ЩМДШ, реализованная на современном языке программирования, что позволяет использовать эту программу в повседневной инженерной практике;

- с помощью указанной программы исследована работа ЩМДШ и на основании результатов численного моделирования предложен ряд технических решений, повышающих надежность ЩМДШ, при снижении их стоимости.

Реализация работы.

Результаты работы, изложенные в подготовленных в соавторстве монографии и учебном пособии, успешно используются организациями, связанными с проектированием и строительством мостовых сооружений, такими как ФГУП «Росдорнии», ОАО «Мостострой-11» и ОАО «Волгомост» при выборе ДТП для применения в мостовых сооружениях и анализе причин их повреждений. В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) и в ряде других вузов страны результаты работы используются преподавателями при подготовке к лекциям и практическим занятиям со студентами специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели». Кроме того, автором работы совместно с И.Г. Овчинниковым и В.Н. Макаровым создан и поддерживается веб-сайт (адрес в Интернете: http://defshov.am-bridge.net/), посвященный ДТП и сопутствующим вопросам.

Достоверность результатов работы обеспечивается верификацией построенных моделей, сопоставлением результатов численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными, а также с некоторыми результатами численного моделирования, произведенного другими авторами. В части анализа конструктивных решений, достоинств и недостатков ДТП достоверность обеспечивается сопоставлением большого количества данных обследований ДТП, проведенных как в России, так и за рубежом различными специалистами.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II и IV Международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2003,2005гг.); на студенческой научно-практической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли» (г. Саратов, 2004, 2006 гг.); на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2004 г.), на Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2005 г.); на семинаре «Совершенствование конструкторско-технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (г. Саратов, 2005г.); на Всероссийском семинаре «Повышение безопасности дорожного движения путем применения современных технических средств организации дорожного движения на дорогах и искусственных сооружениях с использованием новых технологий и материалов» (г. Саратов, 2005г.); на Международном научно-методическом межвузовском семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г. Могилев, 2005 г.); на I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (г. Омск, 2006); на Международном семинаре «Конструкции покрытий проезжей части мостовых сооружений с интенсивностью движения более 7-8 тысяч авт/сут. с учетом климатических условий г. Москвы» (г. Москва, 2006г.); на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2006 г.). Работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ в ноябре 2006г., а также на расширенном заседании кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, в том числе в одной монографии и одном учебном пособии. Объем работы.

Диссертация объемом 201 страница машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 111 наименований, 9 приложений и включает 130 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Собрана, систематизирована и проанализирована информация о существующих конструкциях ДШ, их достоинствах, недостатках, ограничениях области применения, характерных дефектах на основе отечественного и зарубежного опыта эксплуатации, что позволило выявить наиболее перспективные и устаревшие конструкции ДШ, очертить рациональную область их применения, а также систематизировать характерные дефекты с указанием причин их возникновения.

2. Оценка степени воздействия дефектов и повреждений ДШ на техническое состояние прочих элементов моста и на безопасность и комфортность движения транспорта через поврежденный ДШ показало сильное влияние наличия неисправностей ДШ на указанные параметры, выражающееся в снижении срока службы нижележащих конструктивных элементов мостов до 5070% при наличии протечек через ДШ, а также в снижении допускаемой из соображений безопасности скорости при повреждении поверхности проезда ДШ, которое может достигать 90% при увеличении динамического коэффициента более чем вдвое.

3. Разработка и обоснование новой классификации ДШ, позволили более корректно разделять конструкции ДШ на типы, устранив недостатки, имеющиеся в существующей ныне классификации ДШ.

4. Анализ особенностей эксплуатации, ремонта и учета потребности в ДШ, устанавливаемых в городских мостах с высокой интенсивностью движения позволил установить, что, несмотря на оперативность мер по обслуживанию и ремонту ДШ, которые можно обеспечить в черте города, преимуществ городское расположение ДШ, как считалось ранее, не дает. Напротив, в условиях города износ ДШ происходит значительно более интенсивно, нежели за городской чертой, в основном, вследствие быстрого образования колеи и выбоин в покрытии. Учитывая, что используемые для предотвращения указанных явлений меры малоэффективны, предложена принципиально новая концепция использования согласующих переходных зон между покрытием и конструкцией ДШ.

5. Оценка потребности в ДШ различных перемещений для мостовых сооружений страны, основанная на результатах исследований В.И. Шестерикова, позволила выявить наиболее востребованные конструкции ДТТТ с учетом прогноза развития ситуации на ближайшее будущее. Такими конструкциями по ряду параметров оказались ЩМДШ;

6. Большой процент примененных не по назначению конструкций ДШ на отечественных мостах показывает отсутствие у проектировщиков четких представлений об особенностях выбора ДТТТ для применения. В результате, даже качественные конструкции ДШ, примененные не по назначению, служат в 10-20 раз меньше их практически достижимого срока службы. Разработанная методика выбора ДТТТ для применения в зависимости от конкретных условий эксплуатации, воздействий и других факторов, влияющих на выбор ДТТТ, учитывающая возможное изменение этих параметров на этапе эксплуатации ДШ, позволит значительно снизить количество ошибок, связанных с необоснованным выбором ДТТТ для применения.

7. Для упрощения выбора ДТТТ согласно предложенной методике выбора, разработана структура базы данных по применяемым конструкциям ДШ, содержащая весь необходимый для использования методики набор сведений о каждой конструкции ДТТТ. Структура базы данных предложена расширенной и включающей ряд полей, необходимых впоследствии для использования базы данных в качестве базы знаний экспертной системы, предназначенной для автоматизированного выбора ДТТТ для применения.

8. Поскольку было выявлено, что наиболее востребованными конструкциями ДШ в ближайшем будущем станут ЩМДШ, была разработана методика расчета таких конструкций. Анализ сценариев разрушения и экспериментальных данных позволил выбрать и обосновать деформационную модель ЩМ материала заполнения штрабы ЩМДШ, выбрать и обосновать расчетную схему ЩМДШ, а также сформулировать основные расчетные случаи, характерные для этого ДТП. На основании полученных предпосылок была разработана методика компьютерного расчета ЩМДШ, учитывающая поведение ЩМ материала при различных температурах и схемах нагружения.

9. Для использования разработанной методики расчета ЩМДШ в инженерной практике, были разработаны структура, алгоритм и компьютерная программа расчета ЩМДШ.

10. Численное моделирование поведения ЩМДШ с помощью разработанной программы позволило предложить способы модификации конструктивного решения ЩМДШ для улучшения его работы и снижения стоимости.

11. В числе наиболее перспективных направлений совершенствования ДШ были выделены: разработка новых и развитие существующих методов проектирования ДТП различных типов, разработка методики определения перемещений торцов пролетных строений от действия различных факторов, разработка конструкций ДШ на основе отечественных материалов, широкое внедрение мониторинга поведения и состояния ДШ, а также ряд других мер, направленных на повышение информированности инженеров об особенностях работы и проектирования ДШ.

1. Аннин, Б.Д. Упруго-пластическая задача / Б.Д. Аннин, Г.П. Черепанов. Новосибирск : Наука, 1983. - 237 с.

2. Баженов, В.А.Численные методы в механике: монография / В.А.Баженов, А.Ф. Дащенко, В.Ф. Оробей, Н.Г. Сурьянинов. 2004. - 548 с.

3. Басов, К.А. ANSYS в примерах и задачах / К.А.Басов. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 с.

4. Безухов, Н.И. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач : учеб. пособие / Н.И. Безухов, О.В. Лужин. М.: Высшая школа, 1974. - 200 с.

5. Белашов, В.Ю. Эффективные алгоритмы и программы вычислительной математики / В. Ю. Белашов, Н.М. Чернова. Магадан : СВКНИИ ДВОРАН, 1997.-160 с.

6. Березин, И.С. Методы вычислений / И.С. Березин, Н.П. Житков. -М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1962. Т.1. - 464 с.

7. Вайнберг, Д.В. Пластины, диски, балки-стенки (прочность, устойчивость и колебания) / Д.В. Вайнберг, Е.Д. Вайнберг. Киев: Госстройиздат УССР, 1959. - 1049 с.

8. Вольнов, B.C. Деформационные швы в железобетонных мостах / B.C. Вольнов // Автомобильные дороги. 1969. - № 6. - С. 18-19.

9. Гаджиев, А.Б. Деформационные швы гидротехнических сооружений / А.Б. Гаджиев. Л.: Энергия, 1975. - 238 с.

10. Гельфонд, А.О. Исчисление конечных разностей / А.О. Гельфонд. -М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1959.-400 с.

11. Горбовский, Б.Е. Основы нормирования деформаций мостов / Б.Е.Горбовский. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1978. - 158 с.

12. Городецкий, А.С. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений / А.С. Городецкий, В.И. Зоворицкий, А.И. Лантух-Лященко, А.О. Рассказов. М.: Транспорт, 1981. - 143 с.

13. Демидов, С.П. Теория упругости / С.П. Демидов. М.: Высшая школа, 1979.-389 с.

14. Демидович, Б.П. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения / Б.П. Демидович, И.А. Марон, Э.З. Шувалова. М.: Наука, 1967. - 368 с.

15. Деформационные швы автодорожных мостов : учеб. пособие / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, В.Н. Макаров, А.А. Пискунов. Казань: КГСА, 2003.-137 с.

16. Деформационные швы автодорожных мостов: особенности конструкции и работы : учеб. пособие / А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников, В.И. Шестериков, В.Н. Макаров. Саратов : СГТУ, 2005. - 174 с.

17. Дробышевский, Б.А. О новой системе классификации мостов / Б.А. Дробышевский // Дороги России XXI века. 2004. - №6. - С. 74-75.

18. Дробышевский, Б.А. Проблемные аспекты малых мостов / Б.А. Дробышевский // Доркомстрой. 2005. - №5. - С. 62-64.

19. Елисеев, В.В. Механика упругих тел / В.В. Елисеев. СПб.: СПбГТУ, 1999.-341 с.

20. Енютин, Ю.А. Анализ параметров деградации конструкций в системе управления содержанием мостовых сооружений / Ю.А. Енютин, М.С. Власова, Г.С. Бродский и др. // Транспортное строительство. 2004. - №9. -С. 4-11.

21. Ефанов, А.В. Состав базы данных о конструкциях деформационных швов автодорожных мостов / А.В. Ефанов // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы IV Всерос. конф. -Волгоград : ВолгГТУ, 2006. Т. 2. - С. 122-125.

22. Ефанов, А.В. Влияние деформационных швов на безопасность и комфортность движения / И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.В. Ефанов // Доркомстрой. 2006. - №2. - С. 26-29.

23. Ефанов, А.В. Деформационные швы мостов: современное состояние проблемы / А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников // Вест. СГТУ. -Саратов : СГТУ, 2006. №4. - Вып. 1. - С. 81-86.

24. Ефанов, А.В. Статический и динамический расчет деформационных швов автодорожных мостов / А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников // Вест. ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. -2006.-Вып. 6 (21).

25. Исследование и технический контроль за деформационными швами и опорными частями мостового перехода через реку Волгу у с. Пристанное : науч.-техн. отчет: 4.1. / ОАО «Гипротрансмост», СГТУ МТС. -Саратов, 2001.-87 с.

26. Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство / А.Б Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

27. Кнут, Д. Э. Искусство программирования. Том 1. Основные алгоритмы / Д. Э. Кнут. М.: Диалектика, 2004. - 720 с.

28. Коваленко, А.Д. Основы термоупругости / А.Д Коваленко. Киев Наукова думка, 1970.-301 с.

29. Корнеев, М.М. Стальные мосты. Теоретическое и практическое пособие по проектированию / М.М. Корнеев. Киев, 2003. - 547 с.

30. Лехницкий, С.Г. Теория упругости анизотропного тела / С.Г. Лехницкий. М. Наука, 1977. - 416 с.

31. Лурье, А.И. Теория упругости / А.И. Лурье. М.: Наука, 1970. -940 с.

32. Манин, В.Н. Дефектность и эксплуатационные свойства полимерных материалов / В.Н. Манин, А.Н. Громов, В.П. Григорьев. Л.: Химия, 1986.-184 с.

33. Методические рекомендации по проектированию и устройству конструкций деформационных швов в автодорожных и городских мостах и путепроводах / В.И. Шестериков, И.Д. Сахарова, Минтранс СССР, Союздорнии. М.: Союздорнии, 1980. - 85 с.

34. Молчанов, И.Н. Машинные методы решения прикладных задач. Алгебра, приближение функций / И.Н. Молчанов. Киев: Наукова думка, 1987.-288 с.

35. Морозов, Г.В. Развитие метода конечных разностей и его применение в прикладных задачах теории цилиндрических оболочек: дисс. канд. техн. наук / Г.В. Морозов. Днепропетровск, 2000. - 165 с.

36. Новожилов, В.В. Теория упругости / В.В. Новожилов. М.: Судпромгиз, 1958. - 364 с.

37. Норри, Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри, Ж. де Фриз. М. :Мир, 1981.-301 с.

38. Носач, В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров / В.В. Носач. М.: МИКАП, 1994. - 382 с.

39. Ноутон, П. Java™ 2 / П. Ноутон, Г. Шилдт: Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 1072 с.

40. Овчинников, И.Г. Мостовое полотно автодорожных мостов с применением литого асфальтобетона и современных деформационных швов: монография / И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.В. Ефанов и др. Саратов : СГТУ, 2004.-214 с.

41. Овчинников, И.Г. Результаты натурных наблюдений за деформационными швами на мостовом переходе через Волгу у с. Пристанное / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, О.Н. Распоров и др. // Транспортное строительство. 2005. - №1. - С. 18-21.

42. Огибалов, П.М. Механика полимеров / П.М. Огибалов, В.А. Ломакин, Б.П. Кишкин. М.: МГУ, 1975. - 528 с.

43. Партон, В.З. Механика упругопластического разрушения / В.З. Партон, Е.М. Морозов. М.: Наука, Глав. ред. физ.-мат. лит-ры, 1985. -504 с.

44. Победря, Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности : учеб. пособие / Б.Е. Победря. М.: МГУ, 1995. - 366с.

45. Подгорный, А.Н. Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций / А.Н. Подгорный, П.П. Гонтаровский, Б.Н. Киркач и др. -Киев : Наукова думка, 1989. 232 с.

46. Пономарев, Ю.А. Исследование закономерностей деградации стандартных элементов мостовых сооружений в условиях Москвы / Ю.А. Пономарев, Ю.А. Енютин, А.К. Бугайская и др. // Транспортное строительство. 2006. - №6. - С. 15-19.

47. Поспелов, В.М. Переходная зона примыкания дорожной одежды к деформационным швам на мостовых сооружениях / В.М Поспелов, А.А. Снапковский // Дороги России XXI века. 2006. - №2. - С. 85-85.

48. Прочность, устойчивость, колебания : справочник / Под. ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. -М.: Машиностроение, 1968. 812 с.

49. Разностные методы решения задач сплошных сред: учеб. пособие / Е.В. Ворожцов. Новосибирск : НГТУ, 1998. - 86 с.

50. Расчет пластинок на прочность и устойчивость методом сеток: учеб. пособие / В.В. Чуватов, под ред. И.А. Егорова. Свердловск : УПИ им. Кирова, 1972.-107 с.

51. Рекомендации по конструкции деформационных швов с мастично-щебеночным заполнением типа «Торма-Джойнт» («Шов Торма-Мост») / ООО «НПП СК МОСТ». Балашиха, 2002 г. - 20 с.

52. Рекомендации по ремонту и уходу за деформационными швами в малых и средних мостах / Минавтодор РСФСР. М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1989.-52 с.

53. Рекомендации по содержанию и ремонту металлических пролетных строений автодорожных мостов / Сост.: С.А. Мусатов, В.И. Шестериков; Гипродорнии. М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1983. - 73 с.

54. Рекомендации по устройству щебеночно-мастичных деформационных швов на мостах и путепроводах / РУП «БелдорНИИ». -Минск : Белавтодор, 2004. 15 с.

55. С "мертвой" точки сдвинулось завершение строительства внеклассовых автодорожных мостов // Дороги России XXI века. 2004. -№6.-С. 16-21.

56. Самарский, А.А. Введение в теорию разностных схем / А.А. Самарский, Главная редакция физ.-мат. лит-ры изд-ва «Наука». М.: Наука, 1971.-552 с.

57. Самуль, В.И. Основы теории упругости и пластичности: учеб. пособие / В.И. Самуль. М.: Высшая школа, 1970. - 288 с.

58. Снеддон, И.Н. Классическая теория упругости / И.Н. Снеддон, Д.С. Берри. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1961. - 217 с.

59. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. М.: ГП ЦПП, 1996.73 с.

60. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991.-200 с.

61. Современные конструкции деформационных швов автодорожных мостов: Учеб. пособие / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, С.Н. Дядькин, С.Е. Дорохин. Саратов: СГТУ, 2002. - 137 с.

62. Современные конструкции опорных частей автодорожных мостов: Учеб. пособие / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, И.В. Алексеенко и др. -Саратов : СГТУ, 2004. 130 с.

63. Справочник по теории упругости (для инженеров-строителей) / Под ред. П.М. Варвака и А.Ф. Рябова. Киев : Буд1вельник, 1971. - 418 с.

64. Стратегия развития транспорта Российской Федерации на период до 2010 года : утв. приказом Минтранса России от 31.07.2006 №94. М., 2006. - 88 с.

65. Стрельбицкая, А.И. Изгиб прямоугольных пластин за пределом упругости / А.И. Стрельбицкая, В.А. Колгадин, С.И. Матошко. Киев : Наукова думка, 1971. - 244 с.

66. Тимошенко, С.П. Теория упругости / С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер, перевод с англ. Главная редакция физ.-мат. лит-ры изд-ва «Наука». М.: Наука, 1975.-576 с.

67. Угодчиков, А.Г. Некоторые методы решения на ЭЦВМ физически нелинейных задач теории пластин и оболочек / А.Г. Угодчиков, Ю.Г. Коротких. Киев : Наукова думка, 1971. - 217 с.

68. Фаддеев, Д.К. Вычислительные методы линейной алгебры / Д.К. Фаддеев, В.Н. Фаддеева. М.: Наука, 1975. - Т.1. - 654 с.

69. Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)» : утв. Постановлением Правительства Российской Федерации от 05.12.2001 г. №848 : в ред. Постановления Правительства РФ от 31.05.2006 г. №338. М., 2006. - 650 с.

70. Физические величины: справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина,

71. A.М. Братковский и др.; под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мелихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

72. Филоненко-Бородич, М.М. Теория упругости / М.М.Фил оненко-Бородич. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1959. - 361 с.

73. Форсайт, Д. Машинные методы математических вычислений / Д.Форсайт, М. Малкольм, К. Моулер. М.: Мир, 1980. - 276 с.

74. Хан, X. Теория упругости: Основы линейной теории и ее применения / X. Хан : Пер. с нем. М.: Мир, 1988. - 344 с.

75. Хемминг, Р.В. Численные методы / Р.В. Хемминг. М.: Наука, 1972.-400 с.

76. Черепанов, Г.П. Механика хрупкого разрушения / Г.ПЛерепанов. -М.: Наука, 1974-640 с.

77. Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров: справ, пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. М.: Машиностроение-1,2004. - 512 с.

78. Шестериков, В.И. Деформационные швы в автодорожных мостах /

79. B.И. Шестериков. М.: Транспорт, 1978. - 151 с.

80. Шестериков, В.И. Определение перемещений концов пролётных строений при проектировании автодорожных мостов / В.И. Шестериков // Тр. ГП Росдорнии, НИЦ «Мосты», ОАО ЦНИИС. М.: Информавтодор, 2002. -Вып. 12.-С. 25-55.

81. Шестериков, В.И. Оценка и прогнозирование состояния мостов на автомобильных дорогах в системе управления их эксплуатацией: автореф. дисканд. техн. наук / В.И. Шестериков. М, 2004. - 46 с.

82. Шестериков, В.И. Ремонт деформационных швов эксплуатируемых автодорожных мостов / В.И. Шестериков; Минавтодор РСФСР // Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: экспресс-информ. -М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1976. Вып. 5. - 51 с.

83. Шестериков, В.И. Ремонт конструкций деформационных швов с металлическим окаймлением / В.И. Шестериков // Автомобильные дороги : обзорн. информ. М.: Информавтодор, 2001. - Вып. 7. - 68 с.

84. Щавелев, Н.Ф. Уплотнения швов массивных гидросооружений / Н.Ф. Щавелев. JL: Энергия, 1970. - 136 с.

85. Щетинина, Е.Н. Основные итоги диагностики мостов в 2004 году / Е.Н. Щетинина // Дороги России XXI века. 2005. - №3. - С. 81-87.

86. BD 33/94. Expansion joints for use in highway bridge decks / The Highways Agency. Great Britain, London, 1994. - 18 p.

87. Bramel, B.K. Asphalt Plug Joints material characterization and specification / B.K. Bramel, C.W. Dolan, J.A. Puckett, K. Ksaibati; Wyoming Department of Civil and Architectural Engineering, University of Wyoming. -USA, Wyoming, Laramie, 2002. - 13 p.

88. Bramel, B.K. Asphalt Plug Joints: Refined Material Tests And Design Guidelines / B.K. Bramel, C.W. Dolan, J.A. Puckett, K. Ksaibati; University of Wyoming, Wyoming Department of Civil and Architectural Engineering. USA, Wyoming, Laramie, 1999. - 29 p.

89. Bridge desk joint performance. NCHRP synthesis 319 / M.P. Burke, T. Hopwood, V. Kazakavich; Transportation Research Board. Washington, D.C.: National Academy Press, 2003. - 58 p.

90. Bridge Engineering Handbook. Chapter 25. Expansion Joints / R.J. Dornsife; Ed. by W.-F. Chen, L. Duan. USA, Florida, Boca Raton : CRC Press, 2000.-P. 25-1-25-14.

91. Eckel, B. Thinking in Java. Second Edition. Release 11 / B. Eckel. -Prentice-Hall, 2000. 1129 p.

92. Fatigue design of modular bridge joints. NCHRP report 402 / R.J. Dexter, R.J. Connor, M.R. Kaczinski; Transportation Research Board, National Research Council. Washington, D.C.: National Academy Press, 1997. - 108 p.

93. Koster, W. Fahrbahnubergange in Brucken und Betonbahnen / W. Koster. -Wiesbaden-Berlin : Bau-verlag GMBH, 1965. 600 p.

94. Manual of Bridge Engineering. 15.3. Expansion joints /Р. Thaure, D.E. Jenkins, R.A. Broome, D.J. Grout; Ed. by M.J. Ryall, G.A.R. Parke, J.A. Harding. Great Britain, London : Thomas Telford Publishing, 2000. - P. 783-793.

95. Performance testing for modular bridge joint systems. NCHRP report 467 / R.J. Dexter, M.J. Mutziger, C.B. Osberg; University of Minnesota. -Washington, D.C.: National Academy Press, 2002. 92 p.

96. Ramberger, G. Structural bearings and expansion joints for bridges. Structural Engineering Documents 6 / G. Ramberger. Switzerland, Zurich: IABSE,2002.-P. 51-89.

97. Standard for mechanical expansion joints / Bridge Joint Association, 2003. Электронный ресурс : http://www.bridgejoints.org.uk/ publications/Standard for Mechanical Expansion Joints.pdf, 2005. - 25 p.

98. Standard for asphaltic plug joints / Bridge Joint Association,2003. Электронный ресурс : http://www.bridgejoints.org.uk/publications/ A Standard for Asphaltic Plug Joints.pdf, 2005. - 19 p.