Особенности создания и эксплуатации мостовых сооружений

Лекция № 4. Особенности создания и эксплуатации

        мостовых сооружений (2 часа)

Учебные вопросы:

1.  Влияние нестабильности свойств материалов на надежность конструкций.

2.  Факторы, не учитываемые при проектировании мостовых сооружений, и их влияние на надежность конструкций.

3.  Характер действия на мост нагрузок и воздействий.

1.  Влияние нестабильности свойств материалов на надежность конструкций

Процесс разработки, сооружения и эксплуатации мостовых сооружений определяют многочисленные факторы, точный учет которых по самым различным причинам невозможен. Эти факторы носят случайный характер, но влияют на их надежность и работу. Рассмотри некоторые, наиболее важные из них.

Нестабильность свойств материалов

Физико-механические свойства материалов определяются только экспери-ментально.

Если взять несколько одинаковых образцов одного и того же материала (одного листа стали, бетона одного замеса и т. д.) и в одинаковых условиях исследовать какую-либо характеристику, например, s_у, s_Т, s_вр , то результаты испытаний у различных образцов будут различными.

Можно составить график-гистограмму результатов испытаний, которая в пределе характеризуется некоторой кривой (при стремлении элементарного интервала к нулю). Вершина этой кривой будет иметь абсциссу R_т, называемую математическим ожиданием рассматриваемой характеристики.

Фактически во всех точках любой конструкции свойства материала различны. От того, какое значение характеристики мы примем при проектировании и расчете, зависит возможность отклонения этой величины в проектируемой конструкции в неблагоприятную сторону (пример с маркой и классом бетона).

2.  Факторы, не учитываемые при проектировании мостовых сооружений,

и их влияние на надежность конструкций

А. Применение идеализированных расчетных схем

Вместо пространственных расчетных схем мы чаще всего используем плоские, как более понятные и доступные для расчета.

Жесткие узлы при расчете сквозных ферм заменяем шарнирными.  Вертикальные и горизонтальные нагрузки от подвижного состава считаем равномерно-распределенными по длине или площади.

Геологические и гидрологические характеристики, полученные для одной конкретной скважины, распространяем на некоторое окружение, иногда на десятки и даже сотни метров.

В динамических расчетах заменяем, к примеру, целый вагон одной материальной точкой (и не всегда учитываем массу вагона, поезда и т. д.).

Заменяем криволинейные эпюры (например, e-s ) прямолинейными. 

При расчете заклепочных соединений и опорных частей не учитываем силы трения, etc.

Б. Сложность и малоизученность физических процессов

Например, изменение механических характеристик бетона во времени и различие свойств бетона на поверхности и в глубине конструкции из-за различных условий твердения и разной степени влияния окружающей среды, etc.

В. Нестабильность технологических процессов

Например, характеристики трущихся поверхностей в соединениях на высокопрочных болтах у каждого болта будут несколько отличаться друг от друга, а это означает, что несущая способность каждого болта будет различна.

Фактические усилия в пучках напрягаемой арматуры будут различны, даже если приложены одинаковые усилия натяжения и длина пучков.

Размеры и свойства сварных швов даже при автоматической сварке не постоянны по длине, etc.

Г. Разнообразие условий эксплуатации, изменение их во времени  и невозможность предварительного учета всех вариантов  условий и изменений

Вариантов условий эксплуатации – бесчисленное множество. И они имеют свойство меняться со временем.

Растут нагрузки (вес поездов, автомобилей), скорости движения. Внедряются новые конструкции мостового полотна или проезжей части. Изменяются требования к габаритам (в автодорожных мостах появились полосы безопасности).

Как все факторы влияют на надежность конструкции моста?  Если говорить о качественной стороне – да, однозначно, влияют. Но ответить точно, как велик вклад каждого фактора, какова количественная сторона дела – очень сложно. И постепенно, мостовая наука находит более-менее точные оценки влияния.

 Появляются новые методы расчета, например, использующие пространственные расчетные схемы. Разрабатываются и внедряются программные комплексы, позволяющие учитывать всё большее количество неизвестных, следовательно, и факторов. Накапливаются статистические данные для более точной оценки характеристик материалов и конструкций, обращающихся нагрузок и т. д.

3.  Характер действия на мост нагрузок и воздействий

Случайный характер временной нагрузки

Проходящая по мосту нагрузка (автомобиль, ж. д. подвижной состав) будет в каждом случае различной, отличаясь весом, длиной, давлением на оси, распределением вагонов по длине состава.

Каждое очередное загружение (нагружение) будет отличаться от предыдущих. При этом усилия или деформации в элементах или сечениях каждый раз будут изменяться в зависимости от конкретных особенностей проходящей нагрузки. Заранее предсказать конкретные параметры и характеристики временной нагрузки нельзя.

Отказы, в первую очередь внезапные, определяются неблагоприятными сочетаниями различных случайных факторов. Поэтому, вследствие случайного характера этих факторов при оценке надежности приходится оперировать случайными величинами, используя соответствующий математический аппарат.