Автореферат: Исследование и диагностика технического состояния мостов арочных конструкций

Рисунок 10 - Интерпретация риска p_RE и индекса надёжности ?_RE в случае предельного состояния: а) несущей способности; б) пригодности к эксплуатации

Предполагается, что переменные вероятности, описывающие характеристики состояния, имеют нормальное распределение, в таком случае между индексами надёжности и величинами риска имеется математическая взаимосвязь. На этом основании индексы надёжности могут быть выведены следующим образом:

,. (4)

Для исследования предельного состояния несущей способности отклонение распределения равнодействующей приближенно формулируется следующим образом: , где s_R - отклонение сопротивления (несущей способности); s_E - отклонение воздействий (нагрузок).

Предложены приближенные методы проверки надежности, связанной с несущей способностью конструкции, обеспечивающие увеличение оперативности оценки надежности арочных мостов при достижении необходимого уровня точности результатов.

Для оценки на основе индекса надежности используется отношение

(5)

где ?_RE - расчётный индекс надёжности; ?_RE,opt. - оптимальная величина индекса надёжности.

В ходе расчётов производится анализ, каким образом воздействует на индекс надёжности конструкции неопределенность входных параметров, оказывающих влияние на сопротивление конструкции. Неопределенность входных параметров характеризуется относительным рассеянием, причем рассматривается три уровня: низкой, средней и высокой точности. В случае использования первого уровня предполагается, что при определении параметров в качестве основы используется приближенная оценка. Для второго уровня величина основных параметров устанавливается простыми измерениями, а третий уровень соответствует минимальной практически возможной неопределенности параметров. Расхождения между уровнями учитываются и при определении величины коэффициента вариации, указывающего на неопределенность создания модели. Примеры расчета, позволяющие судить об эффективности метода, приведены ниже (Таблица 1, Рисунок 11).

В результате проведенных исследований установлено, что уточнение основных входных параметров, применяемых в расчётах (то есть уменьшение их коэффициента вариации), значительно снижает отклонение сопротивления, при этом, соответственно, значительно повышается индекс надёжности ?_RE. Кроме того установлено, что подтверждение эксплуатационной пригодности моста требует снижения неопределенности входных параметров, например с применением целенаправленных диагностических исследований. На основе средних, установленных с учётом результатов примеров-образцов, определено, что коэффициент вариации сопротивления соответственно уровню неточности входных параметров составляет: уровень низкой точности V_R 0,50; средний уровень V_R 0,25; уровень высокой точности V_R 0,13.

Проверка пригодности может быть осуществлена и путём сопоставления проектировочных данных сопротивления и нагрузок. Для этого, в общем случае, необходимо применять метод, основанный на способе применения частичных факторов надёжности. Таким образом, должно выполняться требование

, (6)

где R_d и E_d являются проектировочными величинами сопротивления и нагрузки.

Исходя из формулы (8), связанной с характерной величиной (R_k,0.05), относящейся к 5%-ой пороговой величине сопротивления, коэффициент вариации сопротивления (V_R) можно приблизительно оценить с помощью формул (7),(8):

(7)

(8)

Таблица 1 - Расчёты коэффициента вариации и индексов надёжности

Рисунок 11 - Величина индексов надёжности в зависимости от уровня неточности входных параметров

Поскольку определение характерной величины параметров, описывающих геометрическую неопределенность и неопределенность создания модели, довольно затруднено, в связи с этим R_k,0.05 может быть определено и на основе характерных величин параметров. Таким образом, из формулы (8) можно вывести коэффициент вариации (V_RA) сопротивления, вытекающего из неточности характеристик материалов. Вслед за этим коэффициент вариации сопротивления вследствие неточности модели расчёта и геометрических данных необходимо увеличить по следующей формуле:

, (9)

где V_RA - коэффициент вариации из-за неопределенности материальных параметров; V_RG - коэффициент вариации из-за неточности геометрических параметров; V_RM - коэффициент вариации из-за неточности модели расчёта.

Проектировочные величины сопротивления и нагрузок:

, (10)

, (11)

где ?_R и???_E являются факторами взвешивания сопротивления и нагрузки: , .

Принципиальный алгоритм приближенного метода оценивания может быть описан следующим образом:

1. Вычисление R_m при помощи ожидаемой величины входных конструктивных параметров и параметров материала.

2. Вычисление R_k при помощи характерной величины входных конструктивных параметров и параметров материала.

3. Вычисление коэффициентов вариации V_RA и V_R на основе формул (8) и (9).

4. Вычисление взвешивающих факторов ?_R и ?_E.

5. Определение R_d и E_d на основе (10) и (11).

6. Проверка пригодности к эксплуатации моста с использованием формулы (6).

Также предложен метод приближенной оценки проектировочной величины сопротивления R_d непосредственно на основе ожидаемой величины R_m в том случае, когда характерные величины входных параметров отсутствуют или их величину затруднительно определить из-за небольшого количества измерительных данных.

Предложен и разработан и приближенный метод контроля несущей способности арочных мостов, обеспечивающий проверку соответствия несущей способности данной конструкции предъявляемым требованиям и позволяющий определить необходимость проведения дополнительных исследований.

Проектировочная величина несущей способности арки определяется таким образом:

, (кН) (12)

где W - рабочая ширина арки в метрах (предельная величина: W= 3 м); ?_R - коэффициент глобальной надёжности несущей способности; ??? - коэффициент динамики нагрузок от транспортного средства на основе UIC Leaflet 776-1R:

; (13)

? - коэффициент, зависящий от степени повреждения арки (0,8 ? 1,0); A = 2100-600h; k = 1,5+0,2h; B = 10h-2,5; C = 1000h; h - полная высота/толщина насыпи над аркой (м).

Также предложен укрупненный алгоритм проверки пригодности к эксплуатации мостов арочной конструкции в соответствии с критериями, обеспечивающими отсутствие усталостного разрушения конструкции под воздействием нагрузок, имеющих характер сжатия. Сложность и трудоемкость задачи оценки надёжности мостов арочной конструкции определяет необходимость проведения сложной и многоуровневой процедуры оценивания, которая описывается предложенным многоуровневым алгоритмом оценки надёжности железнодорожных мостов арочной конструкции (Рисунок 12).

Четвертая глава посвящена описанию разработанных и предложенных методик исследования характеристик железнодорожных арочных мостов с применением современных аппаратных методов исследования и использованием соответствующей приборной базы. Для обеспечения эффективности исследований состояния арочных мостов была разработана и проведена программа испытаний, целью которой явилась систематизация существующих методик испытания арочных мостов и определения их основных конструктивных характеристик, характеристик материала и показателей, характеризующих их эксплуатационное состояние.

Результатом выполнения программы явилась разработка рекомендаций по практическому применению методов исследования железнодорожных мостов арочной конструкции, основная часть которых сведена в таблицу (Таблица 2). В ходе работы над выполнением программы разработан целый ряд методик выполнения исследований с применением таких средств и методов, как использование георадара, измерение температуры путем регистрации инфракрасного излучения, сейсмическая томография, геофизические испытания отверстий в кладке, видеоэндоскопические испытания, испытания прочности на сверлёных пробах, измерение влажности поверхности, автоматическое лазерное измерение профиля моста, измерение прогиба моста под нагрузкой от транспорта. Предложенные методики прошли апробацию и показали высокую эффективность при оценке состояния железнодорожных мостов арочной конструкции.

Рисунок 12 - Блок-схема многоуровневого алгоритма оценки надёжности железнодорожных мостов арочной конструкции

Таблица 2 - Рекомендации по практическому применению методов исследования железнодорожных мостов арочной конструкции

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе выполнения работы получены следующие теоретические выводы и практические результаты:

1. На основании анализа, проведенного с позиций системного подхода, с применением метода неподвижного блока, установлены геометрические параметры и характеристики материала, которые имеют наибольшее влияние на несущую способность арочных мостов, арки которых имеют полукружную форму или форму кругового сегмента, и характеризуются средними значениями параметров. Выявлены основные характерные тенденции, определяющие их воздействие в определенных диапазонах параметров.

2. На основании исследования параметров, проведённого с применением модели дискретных элементов в плоскости, было показано, что характеристики механики грунта подстилающего слоя на уровне эксплуатационных нагрузок оказывают значительное влияние на распределение напряжения и формопреобразование арки моста, а в предельном состоянии несущей способности также на величину разрушающей нагрузки и характер механизма разрушения арки.

3. Разработан метод, позволяющий определить параметры, имеющие наибольшее значение с точки зрения оценки конструктивного сопротивления арочных мостов (стохастическая чувствительность, статистические характеристики, сопротивление конструкции).

4. На основе применения метода оценки надёжности при исследовании числовых параметров мостов, имеющих арочную конструкцию, установлен коэффициент вариации сопротивления конструкции (V_R). Доказано, что индекс надёжности (?_RE), который может быть связан с несущей способностью, в значительной мере зависит от уровня неопределенности входных параметров, применяемых при расчётах.

5. На основании численного моделирования показано, что предложенные методы проверки надежности обеспечивают необходимую точность оценки надёжности мостов арочной конструкции.

6. На основании исследования параметров, проведённого с применением метода «неподвижных блоков», установлена эмпирическая зависимость для приближенной оценки несущей способности мостов арочной конструкции с небольшими пролётами (2,0 м L 10 м) с арками полукружной формы.

7. Разработан приближенный метод расчета для контроля пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов, основанный на применении принципа допустимых напряжений.

8. Сформирована система критериев относительно допустимого напряжения сжатия, возникающего внутри арки, которая независимо от количества повторных циклов обеспечивает предотвращение усталостного разрушения конструкции в связи с нагрузками сжатия.

9. Разработан многоуровневый алгоритм оценки несущей способности моста арочной конструкции, предусматривающий три уровня оценки несущей способности арочного моста в соответствии с его состоянием. Практическая апробация разработанного алгоритма показала его высокую эффективность.

10. Разработана методика георадарного исследования кладочных материалов арочных мостов, которая может успешно применяться для установления толщины кладок многослойной структуры, а также для определения границ отдельных слоёв кладки в случае кладки, состоящей из нескольких слоёв и с коэффициентом нестабильности в 5-10%. В случае совместного применения георадара в эндоскопическом методе или методе исследования отверстия с помощью камеры ошибка может быть уменьшена до величины 2-3%.

11. В результате проведенных исследований и контрольных испытаний с применением видеоэндоскопии доказана эффективность метода сейсмических и радарных исследований в отверстиях для определения аномалий в конструкции и состоянии кладки арочных мостов.