Характеристика дефектов и повреждений

для оценки состояния и содержания
эксплуатируемых искусственных сооружений

Состав дефектов и повреждений приведен в Инструкции по оценке технического состояния и содержанияискусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации [4].

По приведенным балльным коэффициентам оценки состояния и содержа­ния искусственных сооружений устанавливают показатели их качества, категорию технического состояния и требуемый вид ремонта [4] (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Категории технического состояния
искусственных сооружений

Категория технического состояния	Приведенная балльная оценка	Показатель качества	Требуемый вид ремонта
0 категория	4,5 и более	Отличное состояние	Работы профилактического характера
I категория	От 3,5 до 4,5	Хорошее состояние	Работы текущего содержания
II категория	От 2,5 до 3,5	Удовлетворительное состояние	Капитальный ремонт
III категория	Менее 2,5	Неудовлетворительное состояние	Реконструкция или срочный капитальный ремон

Приведенные балльные оценки , рассчитывают ежемесячно, оформляя при этом документ специальной формы – акт периодического осмотра.

Второй момент балльной системы включает в себя определение средних баллов оценки состояния и содержания группы или всех сооружений, эксплуатируемых на рассматриваемом отдельном участке, дистанции пути или дороге в целом.

Средние балльные оценки состояния и содержания искусственных сооружений в пределах дистанции пути (участка) определяют как среднеарифметические значения из соответ­ствующих приведенных балльных оценок всех сооружений по формуле [4]

, (1.2)

где , – приведенные балльные оценки состояния и содержания i-го сооружения; т – количество сооружений на дистанции пути (отдельном участке дистанции пути).

Балльную оценку производят мостовые (тоннельные) мастера по результатам периодического осмотра сооруженийили данных об устранении дефектов.

Объективность оценок состояния сооружений проверяют комиссионными осмотрами, а также в процессе обследований, выполняемых мостоиспытательными станциями ОАО «РЖД», дорожными мостоиспытательными станциями и специализированными организациями.

В настоящее время оценку технического состояния и содержания эксплуатируемых искусственных сооружений производят с применением информационно-аналитической компьютерной системы АСУ ИССО [5]. Использование компьютерной технологии значительно ускоряет процесс оценки технического состояния искусственных сооружений и способствует повышению объективности в решении задач ремонтопригодности конструкций.

Таким образом, система управления состоянием искусственных сооружений, принятая на Российских железных дорогах (РЖД), включает в себя три основных уровня: сбор информации; оценку технического состояния; принятие решения о требуемом виде ремонта, объеме и составе ремонтно-восстановительных работ.

В странах Европы (Германия, Франция, Англия, Финляндия, Дания, Швеция) и США оценку технического состояния эксплуатируемых мостов производят также по балльной системе с учетом градации состояний, отражающей уровни повреждений в различных конструкциях. При этом приняты различные оценки, включающие в себя 4- – 10-балльные системы состояний: отличное, очень хорошее, хорошее, удовлетворительное, неопасное, приемлемое, плохое, критическое, опасное, аварийное. Данным состояниям соответствуют определенные виды работ, к числу которых относят содержание, профилактический ремонт, ремонт, капитальный ремонт, обновление, восстановление, функциональную модернизацию, замену. Принятая за рубежом система управления состоянием мостов обеспечивает планирование работ по их содержанию ремонту, а также, в отличие от отечественной системы, разработку различных стратегий эксплуатации.

Система оценки технического состояния искусственных сооружений, принятая РЖД, обеспечивает традиционный прием по четырем состояниям, что приемлемо в сложившейся структуре различных подразделений по содержанию и ремонту.

Следующий этап оценки эксплуатационной пригодности искусственных сооружений связан с расчетами грузоподъемности наиболее слабых и дефектных конструкций, установленных по результатам оценки технического состояния (соответствующие II и III категориям, см. табл. 1.3).

1.5. Основные положения расчета
грузоподъемности мостов

Мосты, эксплуатируемые на железных дорогах, строились в разные периоды и имеют различные сроки службы. Каждому периоду строительства соответствовали свои нормы проектирования сооружений, которые в определенной степени отличаются друг от друга (подразд. 1.1). Например, при строительстве мостов по нормам 1907 г. предусматривали временную нагрузку от подвижного состава (двух пятиосных паровозов) с осевым давлением 196,2 кН, а в современных условиях эти мосты должны обеспечивать пропуск более тяжелых нагрузок – 250 кН/ось и выше.

Большое количество мостов на действующих железных дорогах
построено в первой половине ХХ в., срок их службы составляет более 70–80 лет. Данные мосты не единожды претерпевали не только изменения временной подвижной нагрузки, но в результате природно-клима­ти­ческих воздействий окружающей среды, реальных условий эксплуатации получили определенный моральный и физический износ. Износ конструкций, в свою очередь, снижает их работоспособность и необходимое качество технического состояния для обеспечения безопасного движения поездов с установленными скоростями.

При решении вопросов возможности пропуска временных нагрузок по ослабленным мостам, при переходе на обращение более тяжелого подвижного состава, а также усиления или реконструкции дефектных эксплуатируемых мостов, производят их перерасчет по грузоподъемности.

Для этих целей разработаны специальные Руководства по определению грузоподъемности пролетных строений и опор мостов [6–9], включающие в себя расчетную оценку несущей способности конструкций с учетом их технического состояния методом классификации. Расчеты производят, как правило, специалисты мостоиспытательных станций и научно-исследовательских организаций с учетом материалов обследования и анализа фактического состояния мостов.

Метод классификации мостов по грузоподъемности состоит в том, что допускаемую временную вертикальную нагрузку, приходящуюся на элемент, выражают в единицах эталонной нагрузки, число единиц которой называют классом этого элемента. Минимальный класс элементов характеризует класс пролетного строения или опоры моста.

В качестве эталонной принимают временную вертикальную нагрузку по схеме Н1 проектировки 1931 г.

Класс элемента пролетного строения или опоры моста определяют [6–8] как

, (1.3)

где – допускаемая временная равномерно распределенная нагрузка; – эквивалентная нагрузка для эталонной нагрузки по схеме Н1, определяемая для аналогичной линии влияния, что и ; – динамический коэффициент для эталонной нагрузки, определяемый в зависимости от материала пролетного строения и длины загружения линии влияния.

Значения допускаемой временной равномерно распределенной нагрузки , которую может выдержать элемент, определяют для металлических пролетных строений по прочности, выносливости и устойчивости; железобетонных пролетных строений – по прочности и выносливости; опор мостов – по среднему и максимальному давлению, устойчивости против сдвига и опрокидывания, по положению равнодействующей (относительному эксцентриситету) [8]. В расчетах учитывают геометрические параметры сечений элементов, принимая во внимание их износ и фактическое техническое состояние, установленное при обследовании.

При расчете грузоподъемности мостов классифицируют подвижной состав (локомотивы, вагоны, транспортеры, краны и другие нагрузки). Число единиц эквивалентной подвижной нагрузки, выраженное в долях эталонной нагрузки, называют классом подвижного состава.

Класс нагрузки определяют [6–9] по формуле

, (1.4)

где – эквивалентная нагрузка от классифицируемого подвижного состава, определяемая по линиям влияния; – динамический коэффициент для рассматриваемой нагрузки.

Значения эквивалентной нагрузки от классифицируемой временной нагрузки в настоящее время определяют по таблицам Руководства по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам [9].

Учитывая, что класс элемента и класс нагрузки выражают в одинаковых единицах, то при их сравнении определяют условия пропуска поездных нагрузок по мосту.

Режимы безопасной эксплуатации моста будут обеспечены, если класс пролетного строения или опоры больше класса рассматриваемой поездной нагрузки ( ).

При определении условий пропуска классифицируемой нагрузки по металлическим пролетным строениям учитывают следующее. Если класс пролетного строения по прочности и устойчивости больше класса нагрузки, а по выносливости меньше, то пропуск такой нагрузки возможен без ограничений. Но при этом необходимо произвести оценку усталостного ресурса слабых по выносливости элементов по методике определения усталостного ресурса [9]. Если класс элемента по прочности и устойчивости меньше класса нагрузки, то эту нагрузку пропускать по мосту нельзя, а пролетные строения подлежат усилению или замене. В этом случае до производства работ по усилению или замене пролетного строения возможен пропуск поездов с ограничением скорости движения. Для этого определяют класс нагрузки без динамики . Если класс поездной нагрузки без динамики больше класса слабого элемента пролетного строения, т.е. > К, то пропуск ее по мосту невозможен. Если < К, то пропуск временной нагрузки возможен с ограничением скорости, а допустимую скорость движения по мосту определяют по специальным графикам в зависимости от отношения К / и длины загружения линии влияния [9].

Для определения возможности пропуска нагрузки по железобетонным пролетным строениям учитывают следующее: если класс элементов пролетного строения по прочности и выносливости К больше соответствующего класса нагрузки, т. е. К , то эту нагрузку допускают к обращению без ограничений.

Допустимую скорость движения поездов для железобетонных пролетных строений устанавливают по графику Руководства [9] в зависимости от значения К / и динамической добавки . При этом если классы элементов железобетонного пролетного строения по прочности больше, а по выносливости меньше класса нагрузки, то ограничение скорости движения не вводят, но устанавливают наблюдение за развитием трещин и изменением прочностных характеристик бетона.

В настоящее время установлено пять категорий мостов по грузоподъемности [3, 6].

К первой категории относят мосты, рассчитанные под нагрузку С14 и Н8, и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 350 кН; второй категории – обеспечивающие обращение поездов с вагонами с погонной нагрузкой 105 кН/м (К-10,5) и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 270 кН, а также транспортеров грузоподъемностью до 300–500 т и со скоростью 25–40 км/ч; третьей категории – обеспечивающие обращение поездов с вагонами с погонной нагрузкой 90 кН/м (К-9) и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 270 кН, а также транспортеров грузоподъемностью до 300–500 т и со скоростью 15–25 км/ч; четвертой кате­гории – обращение поездов с вагонами с погонной нагрузкой 75 кН/м (К-7,5)
пути и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 260 кН, а также транспортеров грузоподъемностью до 300–500 т и со скоростью не менее 15 км/ч; пятой категории – все остальные мосты, не обеспечивающие пропуск нагрузок, указанных для первой – четвертой категорий.

Мосты прошлых лет постройки, на которых произведена замена пролетных строений на новые металлические или железобетонные, рассчитанные под нагрузку С14 или Н8, при удовлетворительном состоянии опор относят ко второй категории, а в случае, если по имеющимся расчетам опоры удовлетворяют расчетной нагрузке С14 или Н8 – к первой категории грузоподъемности. Но при наличии в опорах дефектов или повреждений категорию грузоподъемности мостов устанавливают по техническому состоянию и грузоподъемности опор [3, 9].

Таким образом, отечественная система оценки эксплуатационной пригодности мостов предусматривает два этапа: первый – балльную оценку по четырем категориям технического состояния и определение приоритетности вида ремонта; второй – расчеты грузоподъемности мостов, соответствующих высшим категориям состояния, и установление режимов их безопасной эксплуатации. Данная система анализа для управления состоянием искусственных сооружений опирается в основном на использование технических инструментов.

В зарубежной практике (развитые страны Европы и США) для оценки эксплуатационной пригодности мостов используют не только технические, но и экономические приемы. Для принятия решения там активно используют выбор экономически эффективных решений для достижения необходимого уровня эксплуатационной пригодности с учетом объема финансирования. Основная схема в принятии решения – увязка экономического обоснования с результатами оценки приоритетности ремонтных работ.

В настоящее время большое внимание уделяют вопросам, связанным с системами управления состоянием и качеством содержания искусственных сооружений. Ставится задача, чтобы система управления включала в себя не только планирование работ по содержанию и ремонту, но и на основе сопоставления различных стратегий эксплуатации устанавливала наиболее оптимальное решение в целях обеспечения заданного срока службы сооружения и рационального распределения средств. При этом важными являются определение показателей надежности, особенно долговечности или остаточного ресурса, математическое моделирование деградации и разрушения конструкций во времени, методы оптимизации ремонтно-восстановительных работ по поддержанию сооружений на необходимом уровне безопасного пропуска поездов и эксплуатационной надежности.

1.6. Техническая диагностика и оценка показателей
надежности эксплуатируемых мостов и труб

Технической диагностикой называют науку о распознавании и определении технического состояния сооружения. Под техническим состоянием понимается состояние сооружения, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленными технической документацией. К видам технического состояния относят исправное, работоспособное, неисправное, неработоспособное в зависимости от значений параметров в данный момент времени [34].

Согласно ГОСТ 20911-89 [34] методология технической диагностики эксплуатируемых искусственных сооружений включает два основных направления:

· оценку технического состояния в целях обеспечения режима дальнейшей эксплуатации;

· прогнозирование технического состояния в целях определения вероятностей сохранения работоспособного состояния на заданный интервал времени.

Техническое диагностирование искусственных сооружений, эксплуатируемых на железных дорогах, включает такой важный оценочный показатель, как работоспособность. В соответствии состандартами работоспособное техническое состояние – состояние сооружения, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

Работоспособность мостов и труб, эксплуатируемых на железных дорогах, оценивают:

· по четырем категориям технического состояния, каждая из которых характеризует степень повреждения конструкций и устанавливает требуемый вид ремонта для обеспечения режима дальнейшей эксплуатации (см. подразд. 1.4);

· по пяти категориям грузоподъемности, каждая из которых характеризует класс несущей способности конструкций с позиций обеспечения безопасного пропуска по ним классифицируемых временных подвижных нагрузок (см. подразд. 1.5).

Целью технической диагностики эксплуатируемых искусственных сооружений является повышение их надежности. Под эксплуатационной надежностью понимают свойство сооружения сохранять во времени в установленных пределах значения контролируемых параметров, характеризующих способность обеспечивать безопасный режим эксплуатации в заданных условиях.

Эксплуатационная надежность является комплексным свойством, для мостов и труб ее оценивают по трем основным показателям:

– вероятности безотказной работы (безотказность);

– долговечности (остаточный срок службы, технический ресурс);

– ремонтопригодности (фактическая наработка на ремонт, межремонтный срок).

Оценку технического состояния искусственных сооружений на железных дорогах осуществляют в процессе контроля качества эксплуатации (табл. 1.1). При этом на основе анализа информации о наличии и степени развития повреждений дается оценка приоритетности ремонтных работ. Она производится одномоментно, по мере поступления достоверной информации (с использованием информационно-аналитической системы АСУ ИССО). Но при рассмотрении тенденций принятия стратегии эксплуатации мостовых сооружений одним из определяющих является вопрос изменения технического состояния во времени. Виды ремонтов и объемы ремонтно-восстановительных работ для каждой стратегии определяют не только с учетом степени повреждения сооружений, но и прогноза изменения фактического состояния в реальных условиях эксплуатации.

Таким образом, техническая диагностика и оценка показателей эксплуатационной надежности искусственных сооружений базируются на изучении и анализе фактического поведения конструкций в реальных условиях эксплуатации с учетом воздействия комплекса природно-климатических факторов окружающей среды, внешних силовых нагрузок, внутренних удерживающих от разрушения сил, свойств строительных материалов.

Для оценки показателей эксплуатационной надежности дорожных искусственных сооружений нашли практическое применение различные методики, разработанные Московским государственным университетом путей сообщения (МИИТ) [17–20], Сибирским государственным университетом путей сообщения (СГУПС) [4, 5], Дальневосточным государственным университетом путей сообщения (ДВГУПС) [21–23] и др.

Методики МИИТ позволяют определять и прогнозировать остаточный ресурс железобетонных и металлических пролетных строений эксплуатируемых мостов [17–20]. Наибольший интерес представляют следующие методики.

1. Методика расчета остаточного срока службы железобетонных пролетных строений по выносливости бетона эксплуатируемых мостов. Она базируется на наличии следующей предварительной информации:

· фактического напряженно-деформированного состояния конструкций;

· скорости развития повреждений (раскрытие трещин, коррозия арматуры);

· скорости протекания процессов нагружения и изменения при этом свойств строительных материалов (годовое число циклов воздействий поездной нагрузки, снижение прочности бетона и арматуры) [18].

Рассматриваемая методика включает в себя модель постепенного накапливания повреждений и разрушения бетона конструкций при действии повторяющихся нагрузок. В краткой форме ее можно описать следующим образом [17, 18].

Концентрация напряжений на концах трещин при многократно повторяющихся воздействиях нагрузки способствует разрыхлению бетона и снижению прочности материала.

Образование микротрещин в бетоне при первом его загружении создает опасность разрушения материала от воздействия многократно повторяющейся нагрузки. Часть площади бетона под нагрузкой постепенно выключается из работы и перестает оказывать сопротивление внешней силе. Скорость разрушения прогрессирует по мере усиления числа циклов повторений. Разрушение наступает в тот момент, когда на оставшейся части сечения статическая прочность окажется равной повторяющейся нагрузке.

В результате разрыхления структуры и перераспределения напряжений в бетоне образуется цепной механизм постепенного накапливания повреждений, приводящий к исчерпанию выносливости и разрушению бетона.

Срок службы пролетных строений по признаку исчерпания выносливости бетона определяют [17, 18] как

, (1.5)

где = 2×10⁶; – число циклов нагружения в единицу времени; – характеристика безопасности (обеспечение работоспособности в течение расчетного срока службы с вероятностью Р(t) = 0,99, которой соответствует = –2,33; – коэффициент, учитывающий уровень нагружения и статистические свойства нагрузок, определяемый по формуле [10, 11]

,

, (1.6)

где – математическое ожидание напряжений от полной нагрузки; – коэффициент, учитывающий изменение прочности бетона во времени, который принимают в зависимости от класса бетона по [18]; – призменная прочность бетона, определяемая как [18]

, (1.7)

– кубиковая прочность бетона, МПа, [18]

, (1.8)

В – класс бетона на сжатие; – коэффициент вариации временной нагрузки; – коэффициент, зависящий от значения напряжений постоянной нагрузки и (определяют по [18]); = 20 – характеристика кривой выносливости.

Методика предусматривает, что расчетный срок службы Т по (1.5) должен быть не меньше нормативного Т_н = 80¸100 лет.

Если срок службы Т, определенный на основе вероятностных характеристик прочности материалов и параметров нагрузок, выше допустимого Т_н, то конструкция пролетного строения удовлетворяет требованиям безопасной работы по признаку выносливости бетона в эксплуатации и имеет резерв надежности.

2. Методика вероятностной оценки сроков службы эксплуатируемых железобетонных пролетных строений по выносливости бетона сжатой зоны [19] включает в себя следующие основные положения.

Срок службы железобетонных пролетных строений зависит от многочисленных факторов – воздействий внешней среды и нагрузок, с одной стороны, и прогнозируемого и контролируемого расчетом характера накопления повреждений в самой конструкции, ее износа – с другой. Учесть все эти факторы функциональными зависимостями практически невозможно, поэтому оценку сроков службы предлагается производить в интервале доверительных границ.

Формализация условия безопасной эксплуатации железобетонных пролетных строений имеет следующий вид [19]

, (1.9)

где – значение меры ресурса прочности бетона на момент технической диагностики; – допустимое значение меры этого ресурса (назначают по оптимальному уровню надежности U, рис. 1.68).

Прочностную характеристику железобетонных пролетных строений на любой момент времени после циклов загружений получают опытным путем – одним из неразрушающих способов оценки прочности бетона, а также по эмпирической зависимости по результатам лабораторных исследований.

Вероятностно-статистический подход позволяет прогнозировать поведение конструкции во времени, используя статистическую информацию меры повреждений, ограниченную в пределах доверительного интервала: при доверительном интервале вероятности 0,05–0,95 принимают значения меры повреждения = 0,45¸0,15 при среднем значении = 0,3 и коэффициенте вариации = 0,13 [19].

Рис. 1.68 График снижения ресурса эксплуатируемого сооружения: Т_о – период приработки; Т_р – допустимый (нормируемый) срок службы; Т_пр – предельный срок службы;
Б – точка, обозначающая, что дальнейшая эксплуатация опасна; Б* – точка, обозначающая уровень экономической целесообразности ресурса прочности после усиления; В – уровень снижений несущей способности или грузоподъемности при развитии дефектов; В* – момент выполнения капитального ремонта

Методика планирования продолжительности межремонтных сроков железобетонных пролетных строений по критерию допускаемого уровня накопления повреждений базируется на установлении его с учетом значения и категории дороги в зависимости от требуемого уровня надежности по признаку выносливости сжатого бетона, работающего под поездной нагрузкой в условиях неблагополучного воздействия среды. Согласно исследованиям МИИТ оптимальную (по экономическому и прочностному критерию) надежность против образования трещин в сжатой зоне бетона без опасности потери несущей способности рекомендуют принимать 0,95 [19].

Полный ресурс сжатой зоны бетона пролетного строения по признаку выносливости определяют как [19]

, (1.10)

где – мера повреждения пролетного строения; – эквивалентное количество циклов нагружений, определяемое по формуле [19]

, (1.11)

где – напряжения в сжатой зоне бетона от i-го подвижного состава;
– количество циклов от i-го подвижного состава; – значение заранее выбранного уровня напряжений; допускается принимать по таблицам МИИТ в зависимости от структуры подвижного состава и длины пролета (например, для груженых 8-осных вагонов при = 16,5 м
= 11) [19]; – прогнозируемое количество поездов в единицу времени с момента технической диагностики или начала эксплуатации; – мера накопления повреждений при прохождении одного поезда i-го типа.

Остаточный ресурс пролетного строения при нормировании предельного значения ресурса прочности бетона = и полученной в момент технической диагностики меры повреждения определяют как [19]

. (1.12)

При анализе значений полного и остаточного сроков службы железобетонного пролетного строения учитывают следующее: если эти сроки незначительны, то проведением ремонтных мероприятий, исключающих неравномерное загружение балок и деградацию бетона, достигают снижение скорости накопления повреждений и, следовательно, увеличивают полный и остаточный ресурсы.

Методика СГУПС. В настоящее время находит практическое применение методика оценки технического состояния искусственных сооруженийс учетом относительных и абсолютных характеристик показателей надежности.

В соответствии с этой методикой относительные показатели надежности искусственных сооружений определяют по безопасности, грузоподъемности, ремонтопригодности, долговечности [4].

Оценка технического состояния искусственных сооруженийс учетом относительных характеристик показателей надежности включает в себя следующее:

· по безопасности оценивают с учетом развития в них дефектов и повреждений с позиций влияния на безопасность движения поездов и эксплуатацию (табл. 1.4) [4];

· по грузоподъемности– в соответствиисбазовыми оценками состояния и содержания К_г^сост, К_г^сод в зависимости от категории грузоподъемности моста (табл. 1.5) [4];

· по ремонтопригодности в соответствии с базовыми оценками состояния и содержания K_р^{сост(сод)}на основании категории дефектов и средней стоимости ремонтно-восстановительных работ, которые нужно выполнить для их устранения (табл. 1.6) [4];

· по долговечности в соответствии сбазовыми оценками состояния и содержания K_д^{сост(сод)}с учетом для основных несущих конструкций относительного остаточного срока службы (табл. 1.7) [4].

Таблица 1.4