 |
Анализ грузоподъемности пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов
|
|
|
|
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВАГОНОВ С ОСЕВЫМИ НАГРУЗКАМИ
ДО 27 ТС НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ МОСТЫ
В. В. Кондратов, НИИ мостов
Результаты испытаний эксплуатируемых железнодорожных мостов
Таблица 1 – Краткая характеристика испытанных мостов
| Место располо-жения | Общий вид моста | Схема моста, м | Нормы проек-тиро- вания | Год пост-ройки |
| 1201 км ПК 1 | 
| 10,9+3х27+10,9 | 1925г. | 1937г. |
| 1201 км ПК 6 | 
| 1х33,6 | Н8 | |
| 1311 км ПК 3 | 
| 1х46,3 | 1925г. | 1937г. |
| 1420 км ПК 5 | 
| 3х4,4 | С14 | 1972г. |
В соответствии с утверждённой программой обследования и испытаний железнодорожных мостов на участке КОВДОР – МУРМАНСК Октябрьской железной дороги были обследованы и испытаны мосты, краткая характеристика которых приведена в таблице 1. Было испытано 4 моста, в т.ч. 6 пролетных строений и одна опора. Напряженно-деформированное состояние мостовых конструкций измерялось с использованием тензометрической аппаратуры. Места измерения напряжений и деформаций показаны на рисунках 1 и 2 на примере расположения измерительных средств при испытаниях пролетных строений моста на 1201 км ПК 1.
Рис. 1 – Схема расположения датчиков на пролетном строении № 2 моста на 1201 км ПК1
Испытания мостов проводились в два этапа. В августе мосты испытывались под специально сформированным для этого поездом, состоявшем из двух локомотивов – ВЛ80 и ВЛ60 и 10-ти вагонов модели 12-2123 с осевой нагрузкой 25 тс и погонной – 8,2 тс/м. В октябре испытания проводились под обращавшимися тяжеловесными составами, сформированными из вагонов модели 12-2123 с осевой нагрузкой 27 тс. Результаты испытаний в виде диаграмм и схем приведены на рисунках 3-8 и в таблице 2. На железобетонных пролетных строениях толщина балласта составляла порядка 30 см.
|
|
|
Рис. 2 – Схема расположения датчиков на пролетном строении № 1 моста на 1201 км ПК1
Рис. 3 – Величины максимальных измеренных напряжений в поясах главных ферм
Рис. 4 – Величины максимальных измеренных напряжений в раскосах главных ферм
Рис. 5 – Величины максимальных измеренных напряжений в балках проезжей части
Рис. 6 – Максимальные сжимающие напряжения в главных балках железобетонных пролетных строений от испытательной нагрузки
Рис. 7 – Прогибы железобетонных пролетных строений от испытательной нагрузки
Опора моста на 1420 км
| 
|
Рис. 8 – Места измерения напряжений в бетоне ригеля опоры
Таблица 2 – Результаты измерения напряженного состояния ригеля опоры №1 при загружении вагонами с осевой нагрузкой 25 тс
| Скорость поезда | Напряжение в бетоне ригеля в зоне измерения, кг/см2 | |
| 20 км/ч | -19,2 | -16,0 |
| 20 км/ч | -19,2 | -16,4 |
| 40 км/ч | -19,8 | -17,2 |
| 40 км/ч | -19,2 | -17,4 |
| 60 км/ч | -19,4 | -17,4 |
| 60 км/ч | -19,8 | -17,6 |
Результаты испытаний показали, что при воздействии вагонов модели 12-2123 с осевой нагрузкой 27 тс максимальные напряжения в элементах главных ферм не превысили 610 кгс/см2, в балках проезжей части – 710 кгс/см2. С учетом напряжений от собственного веса пролетных строений при расчетном сопротивлении R = 1900 кгс/см2 стали Ст.3 запас несущей способности мостовых ферм по прочности получается двукратным. Меньший запас грузоподъёмности имеют отдельные элементы верхних поясов, работающих на сжатие, в частности ферм с открытым верхним поясом.
Запас грузоподъемности железобетонных пролетных строений под нагрузку С14 и норм проектирования 1925г. по напряжениям равен 4 – 5-ти, по прогибам примерно одинаков и равен двум (рисунки 6,7), т.е. максимальные измеренные прогибы в 2-2,5 раза меньше допустимых при воздействии вагонов модели 12-2123.
|
|
|
Опоры моста на 1420 км также имеют достаточную грузоподъемность. Максимальные сжимающие напряжения в бетоне работающего на изгиб ригеля опоры не превысили 20 кгс/см2, что в 5 раз меньше расчетного сопротивления бетона класса В20.
Анализ грузоподъемности пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов
В настоящее время на сети железных дорог эксплуатируется порядка 44 тысяч железобетонных пролетных строений. По нормам проектирования, технологии изготовления и интенсивности эксплуатации все пролетные строения можно разделить на три большие группы. Первая - это конструкции, изготовленные с 1907 по 1947 г. Вторая - конструкции, изготовленные в период с 1947 г. до середины 60-х годов. Третья - конструкции, изготовленные после 1965 г. по настоящее время, включая пролетные строения из предварительно напряженного железобетона. В связи с необходимостью пропуска по мостам вагонов модели 12-2123 с осевой нагрузкой 27 тс вопросы могут вызывать 3% пролетных строений, спроектированных по нормам до 1907г., или под нагрузку меньше Н7, а также дефектные конструкции разных норм проектирования. Решение о возможности пропуска грузовых вагонов с погонной нагрузкой 8,0 – 9,0 тс/м по этим пролетным строениям должно приниматься на основе оценки их грузоподъемности расчетным путем или испытаний, а также их фактического состояния, в том числе характеристик бетона, и конструктивных недостатков.
Рисунок 9 – Распределение количества железобетонных пролетных строений по расчетным нормам проектирования
| 
Рисунок 10 – Распределение количества стальных пролетных строений по расчетным нормам проектирования
|
Металлических пролетных строений разных норм проектирования на железных дорогах России эксплуатируется порядка 11 тыс., в том числе норм начала ХХ века.
Вычисленные классы грузоподъемности по прочности поясов пролетных строений разных норм проектирования приведены на рисунке 11. Для сравнения здесь же на рисунке приведены кривые, отражающие классы мостов второй категории грузоподъемности и классы нормативной нагрузки С14. Приведенные данные показывают, что грузоподъемность по прочности поясов эксплуатируемых пролетных строений, не имеющих повреждений, достаточна для пропуска не только вагонов модели 12-2123, но и перспективных с погонной нагрузкой 10,5 тс/м пути.
|
|
|
Грузоподъемность раскосов пролетных строений, спроектированных по нормам ХХ века и не имеющих повреждений, также достаточна для пропуска перспективных вагонов с погонной нагрузкой 10,5 тс/м пути. При этом грузоподъемность раскосов пролетных строений, спроектированных под нагрузку Н8, достаточна для пропуска нагрузки С14 (рисунок 12). Для сравнения с расчетными значениями на рисунках 11-12 точками показана грузоподъемность элементов главных ферм, определенная по результатам испытаний.
Рисунок 11 – Грузоподъемность поясов главных ферм по прочности
| 
|
| Грузоподъемность раскосов пролетных строе-ний, спроектированных под нагрузку 1907 г. | Грузоподъемность раскосов пролетных строений н.п. 1925 г. |
| 
|
| Грузоподъемность раскосов пролетных строений, спроектированных под нагрузку Н7 | Грузоподъемность раскосов пролетных строений, спроектированных под нагрузку Н8 |
Рисунок 12 – Грузоподъемность раскосов решетчатых пролетных строений
Грузоподъемность балок проезжей части по прочности по нормальным напряжениям для их центральных сечений показана на рисунке 13. Приведенные данные свидетельствуют о том, что грузоподъемность проезжей части пролетных строений рассмотренных норм проектирования при отсутствии существенных дефектов достаточна для пропуска поездных нагрузок с погонной нагрузкой до 10,5 тс/м включительно.
|
| Рисунок 13 – Классы продольных балок (по прочности) и классы нагрузок (альфа=0,5) |
С течением времени, под воздействием поездных нагрузок и внешней среды, конструкции мостов стареют, в них появляются дефекты и повреждения, снижающие эксплуатационные качества сооружений, в том числе и грузоподъемность. Весьма серьезным видом повреждения металлических пролетных строений является коррозия. Негативное влияние коррозии связано не только с уменьшением сечений элементов, но и со снижением их выносливости вследствие влияния коррозионных язв. Часто повреждения коррозией (особенно элементов проезжей части) являются главной причиной преждевременной замены пролетных строений.
|
|
|
Продольные балки пролетных строений, спроектированных по нормам конца ХIX века – первой половины ХХ века, как правило, имеют конструктивные недостатки, приводящие к различным усталостным разрушениям, что в итоге снижает грузоподъемность мостовых ферм. В результате грузоподъемность рассмотренных типов пролетных строений нередко лимитируется состоянием и грузоподъемностью проезжей части.
При образовании выколов в верхних поясных уголках продольных балок и коррозионном износе указанных уголков, несущая способность продольных балок может снижаться до 20% по сравнению с расчетной грузоподъемностью. Такие дефекты зафиксированы в продольных балках пролетных строений моста 1201 км, ПК1.
Схема образования усталостных трещин
| 
Выкол в верхнем поясном уголке. 1201км, ПК 1, 2.10.14
|
Рисунок 14 – Усталостное повреждение верхнего поясного уголка на мосту 1201 км
Для оценки вероятности появления усталостных повреждений в поясных уголках продольных балок, в НИИ мостов были проведены испытания на выносливость уголков с моделированием их работы на изгиб под воздействием мостовых брусьев. Результаты испытаний представлены на рисунке 15. Предварительный анализ результатов показывает, что предел выносливости уголков составляет порядка 2500 – 2000 кгс/см2, что объясняется локальным нагружением уголка под брусом. Указанная величина в два и более раз превышает максимальные измеренные напряжения под мостовым брусом. Это обстоятельство позволяет прогнозировать, что усталостные повреждения поясных уголков (выколы горизонтальных полок) продольных балок следует ожидать в местах ослабления их сечений вследствие коррозионных повреждений и истирания под мостовыми брусьями. Усталостных повреждений поясных уголков продольных балок, перекрытых горизонтальными листами, ожидать не следует.
Рис.15 - Результаты испытаний уголков на выносливость
| Напряжения от поперечного
изгиба горизонтальной полки поясного уголка под давлением мостовых брусьев под рельсовым стыком при проходе испытательного поезда с осевой нагрузкой 25тс с разными скоростями
|
Исследования химического состава и механических характеристик металла эксплуатируемых пролетных строений показывают следующее:
|
|
|
1. Длительная эксплуатация мостовых конструкций приводит к изменению механических характеристик металла, особенно в зоне заклепочных отверстий. После 70-90 лет эксплуатации пролетного строения металл в зонах заклепочных отверстий имеет повышенную на 25-30% прочность, пониженную на 25 % пластичность, пониженную на 40-50 % сопротивляемость хрупкому разрушению.
2. Низкое содержание меди обуславливает более высокую скорость коррозии литого железа по сравнению с современными марками стали.
|
|
|
