АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЯХ МОСТОВ С ОРТОТРОПНЫМИ ПЛИТАМИ

Металлические пролетные строения с ортотропными плитами являются современными конструкциями и имеют ряд преимуществ перед другими типами пролетных строений. Они имеют небольшой собственный вес, могут перекрывать значительные пролеты и быть достаточно широкими, что актуально для многополосных городских мостов. Основной конструктивной особенностью таких пролетных строений является система перпендикулярных (продольных и поперечных) ребер жесткости (стрингеров), которые подкрепляют горизонтальные листы главных балок. Жесткость листов отличается в зависимости от направления ребер, поэтому такая конструкция и называется ортотропной. Поперечные ребра жесткости, как правило, имеют двутавровое сечение, поддерживают продольные ребра, объединяя их в единую конструкцию, и служат для более равномерной передачи вертикальных нагрузок на главные балки пролетного строения. Продольные ребра жесткости имеют различные очертания поперечного сечения. Различают открытые и закрытые типы продольных ребер. Основным требованием к современным конструкциям продольных ребер является относительно высокая крутильная и изгибная жесткости. В зависимости от конструкции повышение этих характеристик позволяет увеличивать шаг продольных ребер и их пролет. На рисунке 1 приведены стандартные поперечные сечения продольных ребер жесткости.

Рисунок 1. Поперечные сечения продольных ребер жесткости

а) Плоское полосовое ребро; б) Тавровое ребро; в) Трапециевидное ребро

Плоское полосовое и тавровое ребра привариваются к горизонтальной плите двумя сварными швами. Трапециевидное ребро приваривается одним швом лишь с внешней стороны. Этот шов требует большего проплавления. Внутреннее пространство такого ребра должно быть герметичным.

Наличие большого количества сварных швов в области сопряжения продольных и поперечных ребер является недостатком таких конструкций. Как известно, в области сварных швов возникают концентрации напряжений, которые являются причиной образования усталостных трещин. Усталостные трещины — это опасный дефект для ортотропных конструкций. Развитие таких трещин в местах примыкания продольных и поперечных ребер жесткости к плите настила может привести к выключению ребер из работы конструкции, а значит, к понижению как общей, так и локальной изгибной и крутильной жесткости. Для уменьшения количества мест концентрации напряжений в местах пересечения продольных ребер с поперечными устраивают специальные вырезы. Но этих мер зачастую недостаточно, так как на сегодняшний день полностью отказаться от сварных швов в этих элементах невозможно, а значит, всегда есть вероятность появления в них усталостных трещин.  Наибольшему трещинообразованию подвержены замкнутые продольные ребра, имеющие односторонний сварной шов с плитой настила. При пропуске по пролетному строению транспортных средств возникают местные деформации настила. На рисунке 2 представлены возможные деформации плиты настила пролетного строения от проходящей подвижной нагрузки, а также траектории развития усталостных трещин в местах примыкания продольных ребер к плите настила.

Рисунок 2. Местные деформации плиты настила пролетного строения. Усталостная трещина со стороны корня сварного шва

Рисунок 3. Местные деформации плиты настила пролетного строения. Усталостная трещина со стороны пятки сварного шва

Рисунок 4. Местные деформации плиты настила пролетного строения. Усталостная трещина по металлу сварного шва

Другой причиной образования усталостных трещин может быть увеличение интенсивности движения за период эксплуатации сооружения. За последние 30 лет интенсивность движения автомобильного транспорта на федеральных дорогах увеличилась более чем в 2 раза. Увеличение трафика необходимо отслеживать и учитывать при расчетах.

По данным «Автоматизированной базы данных мостов» на федеральных автомобильных дорогах России эксплуатируется 215 автодорожных мостов с металлическими пролетными строениями с ортотропными плитами. В настоящее время число зарегистрированных в базе данных дефектов, связанных с усталостными трещинами, крайне мало. Это может означать, что такие дефекты отсутствуют, либо не выявлены.

По опыту зарубежных исследователей можно сделать вывод, что отсутствие сведений в базе данных о таких дефектах может являться следствием сложности их обнаружения. Так F.B.P.de Jong на Orthotropic Bridge Conference, Sacramento, California, USA в 2004 году представил доклад о выявлении в Нидерландах в период с 1997 по 2003 год таких дефектов на многих крупных мостах с металлическими пролетными строения с ортотропными плитами, хотя до этого о дефектах такого рода не было никаких данных. Причем данный дефект может появиться в первые 10 лет эксплуатации сооружения. В таблице 1 приведены данные об обнаруженных в Нидерландах усталостных трещинах в металлических пролетных строениях с ортотропными плитами.

Таблица 1

Данные об обнаруженных в Нидерландах усталостных трещинах

Анализируя данные из таблицы 1, можно заметить, что данные дефекты обнаружены в течение 6-ти лет, хотя срок эксплуатации сооружений до обнаружения разнится от 7 до 35 лет. Можно сделать вывод, что некоторые из вышеприведенных сооружений какое-то время эксплуатировались с необнаруженными усталостными трещинами.

Средний срок эксплуатации таких сооружений в России меньше, но сегодня он приближается к сроку, когда за рубежом началось повсеместное обнаружение такого рода дефектов. Выявление усталостных трещин в таких пролетных строениях является сложным по нескольким факторам. Такие трещины трудно обнаружить визуально, а существующие методы дефектоскопии достаточно трудоемки. Для обнаружения таких дефектов необходимо проводить тщательные обследования конструкций, улучшать и внедрять современные методы дефектоскопии.

В ходе анализа вышеприведенных фактов, можно сделать вывод о возможности образования усталостных трещин в металлических пролетных строениях с ортотропными плитами.

Список литературы:

1. Корнеев М.М. Стальные мосты: теоретический и практический курс для проектирования. – В двух томах. К.: Академпрес, 2010. – Т.1. – 532 с.
2. F.B.P.de Jong. Overview fatigue phenomenon in orthotropic bridge decks it the Netherlands // Orthotropic Bridge Conference. – Sacramento, 2004. – С.489–513.