TECHNICAL CONDITION ASSESSMENT OF CONCRETE BRIDGE SPANS AND THE DEFINITION OF THE VOLUME AND STRUCTURE OF THEIR CURRENT CONTENT

УДК 624.21:625.1

В. И. СОЛОМКА, В. Л. ГОРОБЕЦ, В. И. БОРЩОВ (ДИИТ)

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА И СТРУКТУРЫ

ИХ ТЕКУЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ

Викладеноосновніположеннязапропонованоїметодикиоцінкиобсягуіструктурипоточногоутримання залізобетоннихпрогоновихбудов мостівзаїхстаном, розробленоїнаосновіметодівтеоріїнадійностііма

-тематичноїстатистики. Вметодиціпередбачається, щоплануваннянеобхіднихремонтівізамінпрогонових будов мостів виконується на основі аналізу стану споруд в заданий період часу і їх поведінки протягом усьогострокуексплуатації, шляхоммінімізаціївитратнапроведенняремонтнихробітчизамін. Врезультаті визначаєтьсядоцільністьподальшоїексплуатаціїспорудзаумови, щовитратинаремонтинеперевищують доходіввідїхексплуатації.

Изложены основныеположения предложеннойметодикиоценки объемаиструктуры текущего со

-держанияжелезобетонных пролетных строениймостовпо ихсостоянию, разработаннойсприменени

-емметодовтеориинадежности иматематическойстатистики. Методикапредполагает, что планирова

-ние необходимых ремонтов и замен пролетных строений мостов выполняется на основе анализа со

-стояниясооружениявзаданныйпериодвременииповедениясооруженияна протяжениивсегоперио

-да его эксплуатации, путем минимизации затрат на проведение ремонтных работ или замен.

Определяется целесообразность дальнейшей эксплуатации сооружений при условии, что затраты на ремонтынепревышаютдоходовотэксплуатации.

The article enlists fundamentals of the proposed method of estimating the volume and structure of current maintenance of reinforced concrete spans of bridges, according to their current state, developed with the use of methods of reliability theory and mathematical statistics. The method stipulates that the planning of obligatory repairs and changes of the span structures on the bridge is carried out on the basis of an analysis of the state of the facility in a certain period of time and its behavior during all of the service life, by way of minimization of the costs of the repair works or changes. Expediency of further operation of the facility is determined, provided that the costs of its repair do not exceed the incomes from its operation.

В настоящее время вопросы повышения на

-дежности эксплуатируемых сооружений и уме

-ньшениезатратнаихтекущеесодержаниеявля

-ютсяважными иинтересуютне только службы,

которые непосредственно занимаются эксплуа

-тацией и содержанием сооружений, но и науч

-ных работников в области строительных конст

-рукций и мостостроения. Сегодня безусловным

является применение вероятностных методов

при оценке технического состояния эксплуати

-руемыхсооруженийипрогнозированияихдаль

-нейшей эксплуатации. На основе этих методов

разрабатываютсяположенияистроительныено

-рмы оценки технического состояния сооруже

-ний, нормируютсяпоказателинадежностиидол

-говечностикакдля проектируемых сооружений,

такидляэксплуатируемых.

В лаборатории искусственных сооружений

Днепропетровского национального университета

железнодорожного транспорта имени академика

В. Лазаряна в результате научных исследований

разработанаметодика оценки объема и структу

-ры текущего содержания железобетонных про

-летных строений мостов по их состоянию. Ос

-новной целью расчета по разработанной мето

-дике является планирование необходимых ре

-монтови замен пролетных строениймостов на

основе анализа состояния сооружения в задан

-ный период времени и поведения сооружения

на протяжении всего срока его эксплуатации,

путем минимизации затрат на проведение ре

-монтных работ или замен. В результате чего

определяется целесообразность дальнейшей

эксплуатации сооружения при условии, что за

-траты на его ремонты не превышают доходов

отегоэксплуатации.

Предлагаемая методика разработана на

основе положений теории надежности, чис

-ленных методов прикладной математики и

нормативно-технической документации, ка

-сающейся текущего содержания пролетных

строениймостов.

Блок-схемаметодикиоценкиобъемаистру

-ктуры текущего содержания железобетонных

пролетных строений мостов по их состоянию

Рис. Блок-схемапроведенияработпооценкеобъемаиструктурытекущегосодержания

Однимиз серьезных ограниченийиспользо

-вания теории выносливости является её зави

-симость от объема и достоверности исходных

данных. Всоответствии с этим, помимоэтапов

основного цикла работ (отмеченных жирным

шрифтомнаблок-схеме) предусмотреныдопол

-нительные работы, направленные на возможное

повышениедостоверностиполучаемыхсисполь

-зованием методики оценок. Соответствующие

этапыработ отмеченыобычнымшрифтом – эта

-пыработ№ 4.1, 4.3, 4.4.

Действиеметодики распространяется на ос

-новные элементы железобетонных пролетных

строений.

При оценке объема и структуры текущего

содержания железобетонных пролетных строе

-ниймостовиспользуютсяследующиеисходные

данные, характеризующие состояние их основ

-ныхэлементов:

− анализ эксплуатационной документации

(периодичностьпоявленияиустранениядефек

-товнапролетномстроениимоста);

− оценка степени влияния дефектов желе

-зобетонных пролетных строений на пропуск

-нуюспособностьискусственногосооружения;

− история сооружения с указанием воз

-можных аварийных и иных ситуаций, влияю

-щихна долговечность основных элементовис

-кусственныхсооружений.

Оценки целесообразных характеристик вы

-полненияработ по текущему содержанию про

-летных строений железобетонных железнодо

-рожных мостов, полученные с применением

данной типовой методики, могут служить ос

-нованием для назначения их периода, объемов

иструктуры.

В предлагаемой методике рассматривают

-ся дефекты пролетных строений мостов, воз

-никновение которых не связано с физико

-механическими и химическими процессами в

процессе длительной эксплуатации, например,

усталостные разрушения. Данное ограничение

связано с основными принципами теории на

-дежности и невозможностью сбора представи

-тельной статистики данного типа для отдель

-ных регионов эксплуатации мостов и отдель

-ныхискусственныхсооружений.

Положенияиосновныерасчетные экономи

-ческие соотношения предлагаемой методики

могут быть распространены на дефекты, при

-водящие сооружение к предельному состоя

-нию. Приэтомонидолжныбытьобъединеныс

расчетнымисоотношениямиутвержденныхме

-тодик оценки сроков возникновения таких де

-фектов при эксплуатации искусственного со

-оружения.

Основной особенностью искусственных со

-оружений, в частности железобетонных пролет

-ныхстроенийжелезнодорожныхмостов, являет

-ся то, что они, подобно большей части инфра

-структурыжелезной дороги неприносятприбы

-ли в денежном исчислении непосредственно.

Выделениедолиприбыли, получаемойблагодаря

наличиюиработоспособномусостояниюмостов,

являетсявесьмасложнойзадачей.

Неудовлетворительное состояние искусст

-венных сооруженийможетвызывать снижение

общей прибыли от процесса перевозок, связан

-ноесоследующимиобстоятельствами:

− потери на уменьшение и последующий

набор скорости, связанные с ограничением

скорости движенияпоездов поискусственному

сооружению;

− потери, связанные с ограничением гру

-зоподъемности искусственного сооружения и

недоиспользованием пассажиро- и грузопропу

-скнойспособностинаправления;

− потери, связанные с обходным движе

-ниемпоездов, минуянеработоспособноеискус

-ственноесооружение.

Трактуя уменьшение потерь от неработо

-способного (ограниченно работоспособного)

состояния как условную прибыль, для сущест

-вующего и действующего искусственного со

-оружения (без учета капитальных вложений на

его постройку) можно предложить следующий

подходкоценкеэкономическойэффективности

его эксплуатации: расходы на приведение ис

-кусственного сооружения в работоспособное

состояние не должны превышать уменьшение

потерь прибыли от перевозочного процесса,

связанных с его неработоспособностью или

ограниченнойработоспособностью.

Условиемнаибольшей экономическойцеле

-сообразности эксплуатации существующего и

действующегосооружениябудет

п в max

c c= −c →

∆ ,

где ∆c – удельный показатель эффективности;

п

c – удельные (напринятуюединицу времени)

возможные потери из-за ограничения работо

-способности сооружения; c_в – удельные (на

единицу времени) затратына ремонт илитеку

-щеесодержаниедефектногосооружения.

Максимально эффективным текущее содер

-жание искусственного сооружения является в

случаевыполнениясоотношения

;

0 max

c c

∆ ≥ ∆ → .

При положительном балансе возможных по

-ная величина удельного показателя эффективно

-сти текущего содержания должна быть макси

-мальной, что обеспечивается назначением опти

-мальногообъемаиструктурыработпотекущему

содержаниюискусственногосооружения.

Ккатегории постоянноубыточных относят

-ся искусственные сооружения у которых рас

-ходы на поддержание работоспособного со

-стояния не покрываются условной прибылью

от эксплуатации. В этом случае выполняется

неравенство

0; min

c c

∆ < ∆ → ,

при этом в случае принятия решения об экс

-плуатацииискусственногосооружения система

еготекущего содержания должнаобеспечивать

минимальную абсолютную величину отрица

-тельногобалансавозможныхпотерьизатратна

ихустранение.

Критерием целесообразности замены эле

-ментов искусственного сооружения является

выражение з н 1 _пр 0 n i i _i C c c Т = ∑ ∆ = − ≥ ,

где сн – удельные (на принятую единицу вре

-мени) возможныепотериотнеработоспособно

-го или ограниченной работоспособности со

-оружения; n – количество элементов сооруже

-ния, подлежащих ремонтуили заменеприпро

-изводстверемонта; C_зi – стоимостьзаменыi-го

элемента конструкции искусственного соору

-жения, включая стоимость производства работ

и стоимость элемента (в случае его замены);

прi

Т – назначенный срок службыi-го элемента

конструкциисооружения.

Критерием целесообразности в случае час

-тичной замены основных элементов искусст

-венногосооруженияявляетсяуравнение

з н в 1 _пр 0 n i i _i C

c c c

Т

= ∑

∆ = − − ≥ ,

где c_в – удельные затраты на восстановление

работоспособного состояния сооружения для

всехегоэлементов, втомчисле, новых.

Ограничение работоспособности искусст

-венного сооружения приводит к снижению

скорости движения по нему пассажирского и

грузового подвижного состава. Тем самым

уменьшается его пропускная способность, что

приводиткэкономическимпотерям.

На основании [1] потери от ограничения

скорости движения по искусственным соору

-жениям сводятся, в основном, к убыткуот до

-полнительного расхода энергии на торможе

-ние состава с последующим набором тяги.

Данные потери могут быть сведены к мини

-муму при активном использовании рекупера

-тивноготорможения.

Потери от ограничения скорости движения

подвижного состава по искусственным соору

-жениям, с учетом оценок работы [1], оценива

-ются поформуле

(

)

(

)

₍

₎

огр. пч рт

бр _{2 2}

н огр. ₆ уч1 уч2

1 1 3,8 10 v i i n i i i T Т

N t C K

P Q c x a e = × ∑ ⎡ _{⋅ ∆ ⋅ + − ×} ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥

= ϑ − ϑ ×

⎢ ⎥ ⎢_{× ⋅} ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ,

где n_v – количество градаций ограничений

скорости движения по искусственному соору

-жению; x_огр.i – вероятность нахождениясоору

-жения в состоянии ограничения скорости дви

-жения 2

уч2i

ϑ ; K_рт=N_рт N_о – коэффициент ис

-пользования рекуперативного торможения при

отсутствии надежных данных принимается

равным нулю K_рт=0; N_рт – количество поез

-дов, использующих рекуперативное торможе

-ние при проходе сооружения за выбранный

промежуток времени (предпочтительно сутки);

о

N – общее число поездов, проходящих со

-оружение за выбранный промежуток времени;

огр.i

N – число поездов на участке за период

действия предупреждения; ∆t_i – изменение вре

-мениходапоездапоучастку, ч; C_пч – стоимость

простояпоезда втечении 1 ч; P – массалокомо

-тива, брутто, т; Q_бр – масса поезда брутто, т;

уч1i

ϑ , ϑ_уч2i – участковыескорости, установлен

-ные соответственно на перегоне и в период

действия предупреждения в i-й градации огра

-ниченияскорости; a _т – удельныйрасходуслов

-ного топлива для перевозки 1 млн т груза, т.;

т

е – стоимость 1 тусловноготоплива, грн.

Неработоспособность искусственного соору

-женияприводиткнеобходимостииспользования

альтернативных путей и способов направления

пассажиро- и грузопотока. Это приводит к эко

-номическимпотерям засчетудлинениямаршру

-тов или перегрузки грузов при использовании

альтернативныхвидовтранспорта.

Потери от неработоспособного состояния

искусственного сооружения, с учетом данных

(

)

ср пч ₆

2 2

н нр

уч1 уч1

т

уч1 уч2

т

3,8

10 P Q

N t C

c x L L a e t t ⎡ ₊ ⎤ ⎢ ⋅ ∆ ⋅ + ×⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ = _{⎛ ⎞} ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎢ _{⎜ ⎟} ⎥ × ⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⋅ ⎢ _{⎜⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎟} ⎥ ⎜ ⎟ ⎢ _⎝⎝ ⎠ ⎝ ⎠ _⎠ ⎥ ⎣ ⎦ ,

где x_нр – вероятность нахождения искусствен

-ного сооружения в неработоспособном состоя

-нии; N _ср – среднее число поездов на участке

при работоспособном состоянии сооружения;

уч1

L – длина участка, измеренная от узловых

станций обходного маршрута; t_уч1 – время в

пути придвижении по маршруту, включающе

-мунеработоспособноесооружение; t_уч2 – время

впутипридвижениипообходномумаршруту.

Затраты, связанные с единовременным уси

-лением пролетных строений и их дальнейшей

эксплуатацией, определяются по формуле, раз

-работанной на основе выражения в [2], приме

-няемого при оценке технико-экономической эф

-фективностипроизводства работпореконструк

-цииметаллическихжелезнодорожныхмостов

(

)

в 0 пр

1

нп

1 t

I У t

t

C

c K k

E ∑ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ = + ⎢ + ⎥ ⎣ ⎦ _,

где K ₀У – единовременныезатратынаусиление

пролетного строения; t – период в годах с мо

-мента производства усиления, ограничивающий

суммирование затрат; C_t – ежегодные эксплуа

-тационные расходы, включающие амортизаци

-онные отчисления и нормативные затраты по

текущему содержанию усиленного или нового

пролетного строения; E_нп – нормативдля при

-ведения разновременных затрат, принимаемый

вразмере 0,08 [2]; k_пр – количествопролетных

строений, на которых произведено единовре

-менноеусиление (ремонт, замена).

В случае, когдана искусственном сооруже

-ниивыполняласьнеоднократнаяреконструкция

пролетных строений, общая затратная часть

восстановленияего работоспособности опреде

-ляется как сумма затрат на производство каж

-догоусиленияилиреконструкции

в в 1 Р k I I i i c с = ∑ = ,

где k_р – количество реконструкций (ремонтов,

усилений) пролетного строения; _вI

i

с – затраты,

связанныеспроведениемi-йреконструкции.

Затраты, связанные с заменой пролетных

строений и их дальнейшей эксплуатацией, оп

-ределяются по формуле, применяемой при

оценке технико-экономической эффективно

-сти производства работ по реконструкции ме

-таллическихжелезнодорожныхмостов [2]

(

)

в 0 пр

1 1 _нп

t

II C t

t

C

c K k

E ∑ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ = + ⎢ + ⎥ ⎣ ⎦ ,

где _K0C _{– единовременные затраты на замену}

пролетного строения; t – период в годах с мо

-мента производства замены пролетного строе

-ния, ограничивающийсуммированиезатрат.

Вслучае, когданасооружениивыполнялась

неоднократная замена пролетных строений,

общая затратная часть восстановления его ра

-ботоспособности определяется как сумма за

-трат на производство каждого усиления или

реконструкции в в 1 Р k II II i i c с = = ∑ ,

где k_p – количествозаменпролетныхстроений;

вIIi

с – затраты, связанные с проведением i-й за

-меныпролетныхстроений.

НаосновесозданнойвДИИТе базыданных

по дефектам железобетонных железнодорож

-ных мостов, эксплуатируемых на Приднепров

-ской железнойдороге, определяются интенсив

-ностиотказовметодамитеориинадежности [3],

где дефектыиповреждениятрактуютсякакот

-казы. Времяпоявления дефекта, его обнаруже

-ния и устранения характеризуется как нахож

-дениемоставдефектномсостоянии.

Порядок определения интенсивности отка

-зовследующий:

− на основебазы данных о дефектах желе

-зобетонных железнодорожных мостов состав

-ляются временные диаграммы состояний со

-оружений. В диаграммахотображаетсяизмене

-ниесостояниймостовипереходизсостоянияв

состояние при различных сроках устранения

выявленныхдефектов;

− подсчитываются интенсивности отказов

поформуле ,ср 1 ij ij t

λ = ,

и строятся графы перехода сооружений из со

-стояниявсостояние;

− на основе графов составляются диффе

1

n j

ij i i

dx

x dt =

∑

где j=1,n;

− уравнения решаются путем интегрирова

-ниянаЭВМ.

− определяютсявероятностибездефектного

состоянияисостояниядефектности прикомби

-нацииразличныхгруппдефектовидлякаждой

группыдефектовотдельно.

− строятся и анализируются графики веро

-ятности нахождения мостов в состоянии де

-фектностиибездефектномсостоянии.

На основе изложенных выше основных по

-ложений предложенной методики оценки объ

-емаи структурытекущего содержания железо

-бетонных пролетных строений мостов по их

состоянию можно сделать вывод, что учет

влияниядефектови повреждений приэксплуа

-тационной оценке состояния железобетонных

мостов позволит планировать проведение ре

-монтов по устранению разных групп дефектов

в разные сроки с прогнозом на весь период

жизненного цикла моста. Такой подход позво

-лит значительно сэкономить средства на ре

-монты и даст возможность продлить срок экс

-плуатации сооружений. Применение вероятно

-стного расчета надежности и долговечности

эксплуатируемых железобетонных мостов с

учетом дефектови повреждений, нарядус тра

-диционными расчетами поопределению грузо

-подъемности мостов, позволит получить более

полную картину технического состояния со

-оружения в момент обследования, сделать со

-ответствующиевыводы иразработатьрекомен

-дациипоегодальнейшейэксплуатации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

1. Шульга В. Я. Экономика путевого хозяйства:

Учебник для ВУЗов железнодорожного транс

-порта / В. Я. Шульга, В. И. Анелейко, А. Л.

Комаровидр. – М: Транспорт, 1988. – 303 с. 2. Указания по определению экономической эф

-фективности работ по капитальному ремонту искусственных сооружений. Л: МПС –

ЛИИЖТ, 1977. – 77 с.

3. БорщовВ. И. Анализметодомтеориинадежно

-стидефектовивероятностиихпоявлениявэк

-сплуатируемых железобетонных пролетных строенияхжелезнодорожныхмостов / В. И. Бо

-рщов, А. И. Паламаренко, В. И. Соломка, О. П.

Вышкварок // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2000. – № 59. – С. 12–21.