Николай Козак, старший преподаватель кафедры автомобильных дорог, мостов и тоннелей, разрабатывает методику для оценки надёжности пролётных строений мостов с учётом рисков усталостных разрушений элементов объединения стальных балок и железобетонной плиты. Данное исследование проводится в рамках конкурса грантов на выполнение научно-исследовательских работ научно-педагогическими работниками СПбГАСУ в 2023 г.
Проведённые ранее исследования показали, что под воздействием фактических нагрузок от транспортного потока элементы объединения сталежелезобетонных пролётных строений мостов (т. е. таких, в которых главные балки – металлические, а плита проезжей части – железобетонная) в процессе эксплуатации получают значительные усталостные повреждения, которые по прошествии 20–30 лет могут привести к разрушению этих элементов. Однако очевидно, что разрушение одного элемента объединения, при том, что обычно на один погонный метр балки их приходится 10 и более, не приведёт к разрушению всего пролётного строения.
В основе текущего исследования лежит вопрос о степени влияния возможных повреждений и разрушений элементов объединения на общее состояние конструкции пролётного строения моста. Иными словами, может ли пролётное строение моста обрушиться, если со временем выйдут из строя 10, 100 или все элементы объединения?
Для ответа на этот вопрос был проведён численный эксперимент, моделирующий работу пяти различных пролётных строений мостовых сооружений в различных сценариях состояния элементов объединения. По результатам анализа воспринимаемых усилий все элементы объединения были распределены на группы по их расположению с наибольшим или наименьшим риском выхода из строя. Затем были разработаны 16 сценариев, моделирующих исключение отдельных групп или наборов элементов объединения из работы ввиду накопления ими усталостных повреждений путём значительного понижения их горизонтальной жёсткости. Далее с помощью разработанных скриптов была произведена автоматизированная генерация расчётных схем каждого пролётного строения для каждого из сценариев, а затем – анализ работы конструкций как под постоянными нагрузками, так и под временными транспортным нагрузками.
В качестве критериев исправной работы пролётного строения на данном этапе исследования выступили условия обеспечения прочности главных несущих элементов по первой группе предельных состояний (максимальные напряжения в фибрах балок) и условия непревышения максимальных вертикальных деформаций от временных транспортных нагрузок по второй группе предельных состояний.
Результаты исследования показали, что на начальных уровнях сценариев исключение из работы элементов объединения приводит к увеличению напряжений в главных балках на величину до 3% и незначительному увеличению прогибов, что, в целом, для большинства конструкций пролётных строений не является критичным. В то же время неконтролируемое прогрессирующее развитие разрушений элементов объединений (в том числе уже не по причинам исчерпания выносливости, т. к. невоспринятый сдвиг с «отключённых» элементов передаётся в первую очередь на соседние, и может произойти срез элемента объединения) приводит к увеличению напряжений на величину до 20%.
Подобный рост напряжений в случае отсутствия изначальных инженерных резервов способен привести к разрушению главных несущих конструкций пролётного строения, и, таким образом, становится очевидной необходимость регламентации требований по выносливости для элементов объединения стальной и железобетонной частей пролётных строений автодорожных мостов, которые на настоящий момент отсутствуют в отечественной нормативной базе. Также в развитии данного исследования запланировано дать количественную оценку рисков подобных разрушений пролётных строений и связать показатели надёжности элементов объединения с общими показателями надёжности пролётного строения.
