Общие сведения по эксплуатации мостов и труб

П

ч

н

Книгу написали: д-р техн. наук, проф. В. О. Осипов - главы 2, 4, 7, 9 и совместно с д-ром техн. наук, проф. Ю. Г. Козьминым п. 1.1; д-р техн. наук, проф. Ю. Г. Козьмин - главы 1, 5; канд. техн. наук, доц. А. А. Кирста -■ главы 3, 11, главу 6 совместно с канд. техн. наук, доц. Ю. Г. Рузиным; канд. техн. наук, доц. Э. С. Карапетов - главы 8, 10, 13, 14; канд. техн. наук Ю. Г. Ру-

Заведующий редакцией В. К.Тихонычева Редактор А. С. Яновский

3201020000-078

С------------------ — 9-96

049(01)-96 © Коллектив авторов, 1996

© Оформление, иллюстрации,
ISBN 5-277-01457-8 издательство "Транспорт", 1996

Мосты, водопропускные трубы и другие искусственные сооружения являются важнейшими дорогостоящими элементами пути, срок экс­плуатации которых достигает ста и более лет. От их состояния и надеж­ности в значительной степени зависит безопасность движения поездов и бесперебойность работы транспорта.

р В процессе эксплуатации искусственных сооружений в них возника­ют^ различные повреждения (отказы); по мере роста обращающихся нагрузок отдельные элементы сооружений становятся не способными воспринимать возросшие нагрузки; иногда изменение условий экс­плуатации железных и автомобильных дорог или судоходства вызывает необходимость их переустройства. Поэтому эксплуатируемые искус­ственные сооружения нуждаются в периодических осмотрах, обследова­ниях, испытаниях, ремонтах, усилении и реконструкции.

В связи с наличием в эксплуатации большого количества так назы­ваемых старых мостов в основном с металлическими пролетными строениями, изготовленными в конце прошлого и начале текущего сто­летия, обеспечение их надежности становится одной из главных проблем.

Мосты должны иметь высокую эксплуатационную надежность. Оценка надежности и грузоподъемности мостов в комплексе работ по их содержанию имеет особое значение. С этой целью должны использоваться самые современные методы расчета, результаты экспериментальных ис­следований, что отражено в соответствующих разделах учебника. Учеб­ник написан для студентов транспортных вузов специальности 2911 "Мосты и транспортные тоннели" в соответствии с утвержденной про­граммой курса "Содержание и реконструкция мостов". В учебнике из-ло|фны основные положения по содержанию и реконструкции мостов итруб с учетом официальных указаний и инструкций МПС, относящихся к эксплуатации искусственных сооружений на железных дорогах. Одна­ко авторы стремились не загромождать книгу их пересказом, а ограни­чились приведением наиболее общих и важных положений. Более деталь­но рассмотрены вопросы определения грузоподъемности и надежности мостов; обследования и анализа повреждений, возникающих при дли­тельной их эксплуатации; ремонта, усиления и реконструкции.

•значительное внимание уделено испытаниям мостов. Испытания

сплуатируемых мостов, экспериментальные исследования их работы

озволяют получать исходный материал не только для оценки надежно-

сти и грузоподъемности конкретных мостов, но и для разработки новых конструктивных решений мостовых конструкций и методов их расчета.

В связи с высокой интенсивностью движения поездов, ростом нагру­зок наиболее частыми и прогрессирующими отказами мостов, особенно металлических, становятся отказы, связанные с усталостными повреж­дениями. Поэтому вопросы оценки усталостной долговечности и надеж­ности мостовых конструкций в настоящем учебнике рассмотрены осо­бенно подробно с изложением основных положений методики расчета.

Учебник может быть также использован при изучении дисциплин "Реконструкция, усиление и ремонт мостов и труб" и "Испытания сооружений" студентами специальности "Мосты и транспортные тон­нели" (профилизация "Надежность и реконструкция искусственных сооружений"), а также может служить пособием для инженеров-мосто­виков и путейцев.

Авторы выражают глубокую признательность зав. кафедрой "Мосты" д-ру техн. наук, проф. В. М. Круглову и канд. техн.'наук, доц.с. А. Бо-кареву за ценные рекомендации и пожелания.

Глава 1

1.1. Характеристика мостов и труб на железных дорогах России

На железных дорогах России эксплуатируется 87 465 шт. искус­ственных сооружений, общей длиной более 2250 км. Металлические мосты с массой металла около 1 400 000 т (11 753 шт.) по протяженно­сти составляют около 50% железнодорожных мостов. Эксплуатируемые в настоящее время металлические мосты построены в течение послед­них 120 лет, поэтому они весьма разнообразны как по конструкции и по материалам, так и по физическому состоянию.

Железобетонные мосты составляют также около 50 % протяженности всех железнодорожных мостов. Массовое строительство железобетон­ных мостов в России началось после 1930 г.; почти 90 % железобетонных мостов построено после 1945 г. С 1950 г. стали широко применяться предварительно напряженные железобетонные пролетные строения.

Число бетонных и каменных мостов, эксплуатируемых на железных дорогах России, незначительно.

Самые многочисленные сооружения — водопропускные трубы -составляют более 50 % всех искусственных сооружений. Первые трубы под насыпями были построены более 140 лет назад из каменной кладки на известковом растворе. С конца прошлого века трубы начали соору­жать из бетона и железобетона. Новый строительный материал позволил изменить их конструкцию: вместо сводчатых и овоидальных стали строить трубы прямоугольного и круглого очертания, а затем из сбор­ных конструкций. Это дало возможность снизить сроки и стоимость строительства. Водопропускные трубы удобны в эксплуатации и поэто-"му часто более предпочтительны, чем мосты малых пролетов. В незначи­тельном количестве встречаются круглые металлические и, как времен­ные сооружения, деревянные трубы.

Интенсивное строительство железных дорог во второй половине прошлого века в России потребовало нормирования основных положе­нии проектирования мостов и в первую очередь расчетных нагрузок с учетом перспективы.

Первые в России расчетные нагрузки на железнодорожные мосты оьми п_риняты в 1875 г.: паровозная - 117,7 кН на ось паровоза и вагон­ная интенсивностью 25,8 кН/м пути. В последующих нормах 1884,

о и 1907 гг. нагрузки на ось паровоза принимались равными 147,2 и

>

196,2 кН, а вагонные - 21,4; 25,8 и 58,9 кН/мпути. Таким образом, через 30 лет со времени введения первых норм проектирования желез­нодорожных мостов в России расчетная нагрузка на ось локомотива воз­росла в 1,7, а вагонная - в 2,3 раза. Расчетная нагрузка норм 1907 г»бы-ла наиболее обоснованной. В 1921 г. вводится расчетная нагрузка на ось локомотива 216 кН, вагонная — 68,7 кН/м.

Неопределенность перспектив развития подвижного состава желез-, ных дорог в то время не позволяла дать достаточно обоснованные нормы расчетных нагрузок и потому они менялись после 1921 г. в 1923 и 1925 гг. Перспективы развития подвижного состава определились к 1930 г., что дало возможность обосновать в 1931 г. нормы расчетных нагрузок, которые просуществовали до 1962 г. В 1931 г. впервые было введено понятие класса нагрузки К, принимаемого равным 6; 7 или 8 в зависимости от капитальности проектируемого сооружения. Для постоянных мостов принимали К равным 7 или 8, а для временных (на­пример, деревянных мостов) - 6. Расчетную нагрузку определяли умно­жением нагрузки от единичного эталонного поезда Ш на класс К.

В нормах 1962 и 1984 гг. (СН 200-62; СНиП 2.05.03-84) норматив­ная нагрузка СК ориентирована на далекую перспективу и представлена в виде эквивалентных нагрузок от различных типов и сочетаний перспек­тивного подвижного состава. В нормативной нагрузке СК сохранено. понятие класса нагрузки К. При проектировании капитальных сооруже­ний принимают К-14, а для временных К-10.

Данные о расчетных нагрузках по нормам 1875, 1907 и 1931 гг., как наиболее характерных, приведены в табл. 1.1.

Во второй половине прошлого столетия широко применялись метал­лические пролетные строения с многорешетчатыми (рис. 1.1, а) и много­раскосными (рис. 1.1, б) главными фермами. Основным недостатком этих систем, особенно характерным для начального периода их примене­ния, являлось наличие большого числа элементов с малой жесткостью.

Таблица 1.1. Характеристики расчетных нагрузок

Год норм	Число локомо­тивов	Вес одного локомотива, кН	Вагонная нагруз­ка, кН/м	Схема нагрузки, кН
1875 1907	1-3 1-2 1-2 1-------------	1375 (НВ)	25,8 58,9 78,5	2:13 1,521,52 2.13м 1.52 ШШ [ 1 t 1.*■*-»•! 117.7*3 7в,5*3 Л0 16 1,6 1,6 1,6 3,0м 1.6 1,6 1,6 1,6 25
	\ П 1 П 11111'
	275.6*5 235Л*4 1.5 1,5 1.5 1.5 1.5 2.5М 1,5 1,5 15 1.5
	\ М 1 1 1. М М, ■
"	196.2*5. 137.4*4

Рис. 1.1. Схемы мн огорешетчатых и многораск осных ферм: а — многорешетчатая; б, в — двухраскосные

В процессе эксплуатации это приводило к возникновению различных повреждений. Большой вклад в совершенствование пролетных строе­ний с многорешетчатыми фермами сделал выдающийся русский инженер СВ. Кербедз, предложивший сжатые элементы делать более жесткими и сократить число элементов решетки ферм (число решеток).

В 70-х гг. прошлого столетия проф. Н. А. Белелюбский существенно изменил схему многораскосных ферм: ввел в первой панели восходя­щий раскос (рис. 1.1, в), сократил число решеток ферм (с 5-6 до 1-3), что в значительной степени упростило конструкцию узлов, повы­сило жесткость элементов, уменьшило число их прикреплений. Кроме того, по его предложению опирание поперечных балок стали делать шар­нирным и с 1883 г. начали применять для мостов литое железо. Проф. Н. А. Белелюбским были разработаны проекты унифицированных про­летных строений пролетом от 25 до 50 сажен с интервалом 5 сажен (1 сажень = 2,134 м),-мйогие из которых эксплуатируются до сих пор.

Рис. 1.2. Схемы главных ферм с треугольной решеткой и дополнительными стой­ками и подвесками

В 80-х гг. прошлого века началось применение пролетных строений с главными фермами с наиболее рациональной треугольной решеткой и дополнительными стойками и подвесками (рис. 1.2). В 90-х гг. по инициативе проф. Л. Д. Проскурякова для перекрытия больших проле­тов начали применять фермы со шпренгелями (рис. 1.3). Пролетные строения, изготовленные по проектам проф. Л. Д. Проскурякова, выгод-

Рис. 1.3. Однораскосная ферма с верхними шпрен-гелями

но отличаются от ранее применявшихся более мощными и жесткими элементами главных ферм и связей.

Таким образом, по мере накопления опыта проектирования и изго­товления пролетных строений повышались их эксплуатационные качест­ва. Однако пролетные строения, изготовленные по нормам 1907 г. и более ранним, имеют ряд серьезных недостатков, существенно снижаю­щих их надежность и грузоподъемность. К отмеченным выше недостат­кам главных ферм следует добавить наличие различных пазух и щелей, где скапливается грязь и усиленно развивается коррозия; большой шаг заклепок, в связи с чем образуются зазоры между соединительными элементами; слабую соединительную решетку между ветвями элемен­тов и др.

Проезжая часть пролетных строений,построенных по нормам 1875, 1884, 1896 и 1907 гг.,выполнена в виде системы продольных и попереч­ных балок. Она, как показал опыт эксплуатации, имеет ряд существен­ных конструктивных недостатков: шарнирное опирание поперечных балок в пролетных строениях Н. А. Белелюбского; прикрепление про­дольных балок к поперечным без "рыбок" (т. е. допускалась работа не­которых заклепок прикрепления на отрыв головок); отсутствие верх­них поясных горизонтальных листов на продольных балках и др.

Эти конструктивные особенности старых пролетных строений слу­жат одной из главных причин различных повреждений в элементах глав­ных ферм и проезжей части, вызывают повышенные эксплуатационные расходы. Поэтому в процессе эксплуатации мостов пришлось переустраи­вать шарнирное опирание поперечных балок в нешарнирное, усилять прикрепление продольных балок к поперечным "рыбками" и т, п.

С 20-х гг. текущего столетия стали широко применять типовые пролетные строения с ориентацией изготовления их элементов на заво­дах с последующим навесным или полунавесным монтажом. При этом с учетом накопленного опыта эксплуатации мостов элементы проектиро­вались более жесткими, большими по массе; совершенствовались кон­структивные решения, что способствовало улучшению эксплуатацион­ной надежности и долговечности мостов.

В конце 20-х г. в связи с реконструкцией и строительством но­вых железных дорог были разработаны новые типы металлических про­летных строений, а в начале 30-х - типовые конструкции ряда металли­ческих пролетных строений (Мостовое бюро ЦУ ЖЕЛ НКПС). В дальней­шем при строительстве новых мостов получили широкое распростране­ние унифицированные конструкции пролетных строений (Проектсталь-8

конструкции 1944 - 1955 гг., Гипротрансмоста с 1955 г. и др.), запро­ектированные под нагрузки Н7 и Н8 1931 г.В металлических пролетных строениях мостов, сооруженных в течение последних 40 лет, широко применялись стали повышенной прочности, заводская сварка элементов и блоков, соединения на высокопрочных болтах. Такими соединениями заменяют заклепочные при ремонте и реконструкции эксплуатируемых

мостов.

В период с 30-х до 60-х гг. текущего столетия в связи с резким уве­личением массы подвижных нагрузок многие пролетные строения, изго­товленные по нормам 1896 г. и более ранним, были усилены. С 70-х гг. началась интенсивная замена старых пролетных строений новыми. К на­чалу 1995 г. общая масса эксплуатируемых пролетных строений, по­строенных по нормам 1896 г. и более ранним, составляла около 90тыс.т.

В Великую Отечественную войну, на железных дорогах бывшего СССР было разрушено 16,8 тыс. искусственных сооружений, из них 1 более 80 % мостов. Восстановление этих сооружений завершилось, в ос­новному 1956 г.

До 1920-х гг. железобетонные мосты строили в основном под на­грузку по нормам 1907 г. с балочными разрезными пролетными строе­ниями длиной до 12 м, которые бетонировались в пролете. Этри пролет­ные строения имеют до четырех ребер; главные ребра армированы гладкой арматурой и хомутами из круглой или полосовой стали; класс бетона по прочности на сжатие не выше В20. К 1930 г. методика расчета железобетонных конструкций существенно изменилась. До начала 1930-х гг. в расчетах железобетонных изгибаемых элементов учитыва­лась работа бетона в растянутой зоне при пониженных допускаемых напряжениях в арматуре в целях обеспечения трещиностойкости этой зоны. В дальнейшем работу растянутого бетона в расчетах не учитывали, допускаемые напряжения в арматуре были повышены, разрешалось появление трещин в бетоне с раскрытием до 0,15 мм. Это позволило получить более экономичные по расходу материалов конструкции. По такой методике рассчитаны железобетонные конструкции мостов в типовых проектах 1934 г. (Ленпроектпуть НКПС) и в последующих.

Повышение индустриализации строительства в послевоенные годы йбтребовало изменения конструкции, технологии и монтажа железобе­тонных мостов. Широкое распространение получили типовые конструк­ции ЦКБ Главмостостроя МПС, полносборные железобетонные крупно­блочные мосты ВНИИ транспортного строительства, рамноблочные Лен-трансмостпроекта, рамно- и евайно-хтакадные мосты индустриального изготовления.

С 1948 г. мосты под железную дорогу начали сооружать с предвари­тельно напряженными железобетонными пролетными строениями дли­ной до 34 м. В первых предварительно напряженных пролетных строе­ниях арматуру размещали в закрытых каналах. В последующем от этих конструкций отказались и теперь в железнодорожных мостах применяют

*

почти исключительно пролетные строения с натяжением арматуры в стендах.

Опоры мостов до 1930 г. обычно сооружали из бутовой кладки с облицовкой из штучного камня прочных пород с фундаментами«на естественном и свайном основаниях. Во второй половине прошлого века при возведении фундаментов начали применять кессоны и опускные ко­лодцы. Опыт эксплуатации таких опор показал достаточно высокую их надежность. Но в ряде случаев в них обнаруживаются серьезные повреж­дения фундамента и непосредственно опоры, особенно в зоне перемен­ных горизонтов воды и ледостава, в виде трещин, каверн и поясообраз-ных ниш.

Мосты постройки более поздних лет обычно сооружали на монолит­ных и сборных бетонных и железобетонных опорах, в том числе без об­лицовки камнем. Практика эксплуатации указанных опор выявила воз­можность появления в них различных повреждений. Например, в бетон­ных и железобетонных опорах могут образовываться различного рода трещины, повреждения бетона в зонах переменных горизонтов воды и ледостава, особенно на участках швов бетонирования и между блока­ми и др.

В процессе эксплуатации водопропускных труб приходится выпол­нять значительные объемы работ по ремонту каменной и бетонной кладки, заделки трещин и швов в звеньях, гидроизоляции, переустраи­вать оголовки и лотки, проводить реконструкцию труб с увеличением отверстий, а иногда заменять их мостами.

Современное состояние эксплуатируемых мостов и водопропуск­ных труб и перспективы развития железнодорожного транспорта настоя­тельно требуют дальнейшего расширения исследований и анализа состоя­ния искусственных сооружений с разработкой предложений по оценке и повышению их надежности и долговечности с учетом изменения усло­вий эксплуатации. Особое значение приобретают исследования работы мостов в условиях высоких скоростей движения поездов и тяжелых ре­жимов нагружения, а также исследования, необходимые для разработки мероприятий по улучшению содержания и ремонта сооружений в различ­ных, в том числе экстремальных, условиях эксплуатации.

Дата добавления: 2015-06-30