Вступление Российской Федерации в ВТО и создание зоны свободной торговли в рамках Таможенного союза потребовало пересмотра действующей системы нормативной документации в строительстве. Министерством регионального развития, а затем и Минстроем были утверждены актуализированные редакции СНиПов, которые вступили в силу с 01.07.2015 г. Здесь следует отметить, что в СССР пересмотр и актуализация нормативных документов выполнялись каждые 10 лет, что обеспечивало существовавшей тогда строительной отрасли современный научно-технический уровень проектных решений и высокую степень соответствия практическим потребностям. Несмотря на все изменения, которые происходили в промышленном и гражданском строительстве в течение последних 25-30 лет, база нормативных документов оставалась неизменной. В этой связи произошедшую актуализацию нормативных документов можно расценивать как положительную тенденцию, особенно в свете начавшейся гармонизации российской системы с европейскими аналогами. Однако, утвержденные актуализированные версии нормативных документов, точнее ряд их положений, вызвали недоумение у известных специалистов-практиков и научных работников в соответствующих отраслях. В частности, речь пойдет о нормировании динамического воздействия подвижной нагрузки на транспортные сооружения, предусмотренном в СП 35.13330.2011 "Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*".

Это особенно важно в условиях постоянного увеличения грузоподъемности и скоростей движения тяжелых транспортных средств, что приводит к возникновению новых качественных и количественных особенностей и эффектов динамического воздействия подвижной нагрузки на транспортные сооружения, которые раньше не проявлялись или были незначительными.

Известно, что в отечественных нормах расчет пролетных строений на действие подвижной нагрузки выполняется без строгого учета инертных свойств как самой конструкции, так и подвижной нагрузки. По сути, весь динамический расчет сводится к статическому, а величины нагрузок и значения внутренних силовых факторов умножаются на некоторый коэффициент, который учитывает специфику динамического воздействия подвижной нагрузки, геометрические размеры конструкции, условия ее эксплуатации и т.д. При этом сами величины динамических коэффициентов регламентируются нормами на основе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Так для тележек нагрузки АК эти величины достигают 1,4 для стальных и сталежелезобетонных мостов, 1,3 - для железобетонных мостов и т.д., а для равномерно распределенной нагрузки АК и одиночной НК - 1,0, то есть динамика вообще не учитывается. Исключение составляют нагрузки АБ, для которых приводятся эмпирические формулы. Величины вычисленных по ним динамических коэффициентов могут достигать больших значений.

Существенный вклад в развитие теории динамического воздействия автомобилей на мосты массового строительства на основе использования методов статистической динамики был сделан в восьмидесятые и середине девяностых годов XX века в Воронежском ИСИ под руководством проф.А.Г. Барченкова, проф.В.С. Сафронова и их учеников [2, 3]. Следует отметить, что с начала 90-х годов количественно публикаций, посвященных подвижной нагрузке, резко сократилось. В связи со стремительным развитием ЭВМ, исследование динамики транспортных средств и пролетных строений в основном пошло по пути конечноэлементного моделирования. Во многом это вызвано приходом в нашу страну мощных зарубежных программных комплексов на основе МКЭ и попытках создания отечественных аналогов. Вместе с тем все эти продукты обладают рядом известных недостатков и, предоставляя широкий спектр возможностей, по сути, подразумевают наличие у пользователя достаточных знаний для их адекватного использования. Хочется добавить, что использование этих комплексов делают отечественные исследования зависимыми от их иностранных разработчиков, что, как показали последние политические события, весьма рискованно с точки зрения укрепления государственного суверенитета и обороноспособности страны.

Исследования динамического воздействия движущегося автотранспорта на проезжую часть в большинстве случаев выполнялись при постоянной скорости подвижной нагрузки. Это было вызвано допущением о незначительном доле неравномерного движения в общем объеме ездового цикла транспортных средств. В современных условиях из-за постоянного увеличения плотности транспортного потока, участившихся авариях на дорогах и установления нового скоростного режима такие явления, как экстренное торможение становятся широко распространенными и требуют глубокого изучения. Расстроенные деформационные швы, неудовлетворительное состояние проезжей части, ремонтные работы и даже изменение психоэмоционального состояния водителя при въезде на мост или путепровод также являются объективными причинами изменения режима движения. Исследования ряда авторов показывают, что режим движения с переменной скоростью, включая режимы разгона и торможения, на сегодняшний день составляет до 75% всего ездового цикла. Именно неравномерное движение определяет реальные условия эксплуатации транспортного сооружения. В сложившейся ситуации стали проявляться новые качественные и количественные особенности поведения пролетных строений автодорожных мостов под воздействием подвижной нагрузки. В тоже время существенно увеличились объемы перевозок по автомобильным дорогам нашей страны жидких, сыпучих и других видов специальных грузов. Учет неравномерности движения особенно важен для оценки динамического воздействия автомобилей, транспортирующих в кузовных цистернах жидкие грузы с часто встречающимся в практике эксплуатации значительным недоливом. В таких случаях за счёт физических свойств перевозимых жидкостей (гидравлический удар, значительная вязкость и др.) существенно возрастают дополнительные динамические воздействия на несущие конструкции от неравномерности движения.

С другой стороны, развитие и совершенствование методик расчета транспортных сооружений привело к снижению их материалоемкости и более полному использованию резервов прочности и долговечности. В условиях возрастания динамического воздействия подвижной нагрузки и одновременного снижения веса самих пролетных строений динамические явления становятся определяющими и поэтому требуют более глубокого и всестороннего изучения, а анализ колебательных процессов транспортных сооружений при таких условиях эксплуатации приобретает важное практическое значение.

В ходе разнообразных исследований, выполненных в МАДИ в 2011 г. по заданию Росавтодора, было установлено, что численное значение класса усилий от любой реальной нагрузки в элементах мостовых сооружений в единицах А1 существенно зависит от состава колонны автомобилей, распределения нагрузки между их осями, дистанции между ними, от формы и длины линии влияния. Особенно важно то, что при прочих равных условиях это численное значение значительно возрастает при увеличении длины линий влияния.

Анализируя представленные в СП 35.13330.2011 "Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*" эмпирические формулы для динамических коэффициентов, можно прийти к выводу, что эти коэффициенты во всех случаях не зависят от длины пролета сооружения. В действительности же, основываясь на представлениях строительной механики, величины динамических коэффициентов определяются к конкретным видам подвижной нагрузки в зависимости от ее массы, динамических особенностей и, если речь идет не о непосредственно воздействии, а о деформациях и внутренних силовых факторах в несущих конструкциях, безусловно, длины пролета сооружения. Принимая во внимание обоснованную критику [1] в области нормирования временных вертикальных нагрузок на автодорожные мосты типа АК (аналога европейской LM и американской HL) и НК, изучение динамического воздействия подвижной нагрузки видится очень своевременным и весьма актуальным.

В работах [4, 5, 10 - 12] авторами исследовано и оценено динамическое воздействие одиночных автомобилей и автопоездов седельного типа на транспортные сооружения при переходных режимах движения по гладкому пути и с учетом неровностей профиля проезжей части. Методика учета подвижности жидкости с использованием механического аналога предложена в [9]. В [7, 10], где разработана плоская динамическая модель автоцистерны с учетом подвижности жидкости, явления гидроудара и разбиения полости цистерны на независимые отсеки для корректного определения дополнительных нагрузок на транспортные сооружения. Методике моделирования совместных колебаний балочных систем и автомобилей с твердыми и жидкими грузами посвящены работы [6, 13, 16]. Дополнительно в [13, 16] по разработанным методикам проведены численные исследования и оценены динамические коэффициенты. Натурные измерения рассмотрены в [8]. Там же даны некоторые практические рекомендации по испытаниям мостов балочных схем на проезд в режиме установившегося ускорения автомобилей с жидкими и твердыми грузами. Отдельное внимание уделено сопоставлению результатов расчетов с экспериментальными данными [14, 15]. Влиянию длины пролетных строений на величины динамических коэффициентов посвящена работа [17]. По всем разработанным алгоритмам и методикам составлены вычислительные программы для их реализации на ЭВМ, которые зарегистрированы в ОФПА Агентства по образованию РФ.

Выполненные авторами численные исследования динамического воздействия одиночных автомобилей с твердыми и жидкими грузами, движущихся с постоянной скоростью, а также в режиме торможения и разгона, на пролетные строения автодорожных мостов различной длины направлены на подтверждение обоснованности критических замечаний к подходу нормирования динамических коэффициентов к временной нагрузке, сделанных П. М Саламахиным в [1].

Описание результатов выполненных численных исследований

Ниже в таблице 1 представлены максимальные динамические коэффициенты, полученные для транспортного средства с твердым грузом по каждой из осей в отдельности (R1 - R3). Для иллюстрации влияния кинематического возмущения был принят реальный характерный профиль асфальтобетонного покрытия в удовлетворительном состоянии. В случае отсутствия профиля величины R2 и R3 совпадают. Из таблицы видно, что при неравномерном движении величины давлений осей могут в два и более раз превышать соответствующие статические значения. Влияние профиля при этом также весьма значительно для наиболее нагруженной задней оси.

Таблица 1 Максимальные динамические коэффициенты давлений осей

Выполненные более детальные численные исследования разгона и торможения указанной автоцистерны с учетом подвижности жидкости показали необходимость выделения транспортных средств с жидкими грузами в особый вид подвижной нагрузки. При этом динамические коэффициенты давлений осей колеблются в пределах 1,12 - 3,6 и более в зависимости от величины ускорения, количества независимых отсеков в полости цистерны и уровня их заполнения. Столь высокие значения, характерные для экстренного торможения, свидетельствуют о явной аварийности такого воздействия и возможных катастрофических последствиях.

Выводы по 1:

• при переходных режимах движения в ряде случаев динамические давления могут вдвое превышать аналогичные величины, полученные для равномерного движения, что указывает на необходимость учета неравномерности движения при формировании нормативной базы динамических коэффициентов.

• при неравномерном движении по гладкому профилю проезжей части начальная и конечная скорости не влияют на характер колебательного процесса. Основным фактором, определяющим величину динамического эффекта, можно считать ускорение. Максимальные динамические коэффициенты по отношению к статическим значениям в состоянии покоя составили для равнозамедленного движения: 2,57 - передняя ось, 1,21 - задняя; для равноускоренного: 1,43 - передняя, 1,36 - задняя;

• равномерное движение по предложенному характерному профилю дает увеличение максимальных динамических давлений для передней оси - 1,31, для задней оси - 1,78 при максимальной рассматриваемой скорости 20 м/с;

• неравномерное движение с учетом неровностей проезжей части является сложным нестационарным колебательным процессом и требует отдельного глубокого изучения в вероятностной постановке. Комплекс проведенных расчетов на предложенном характерном микропрофиле проезжей части в удовлетворительном состоянии позволил выявить некоторые особенности. Так, для рассмотренного автомобиля учет профиля при неравномерном движении привел к небольшому увеличению динамических давлений передней оси. Динамические коэффициенты составили: 2,64 при торможении и 1,57 при разгоне. Существенное влияние профиля, главным образом сказалось на колебаниях задней оси и привело к росту динамических коэффициентов: 1,79 при торможении и 1,93 при разгоне.

2. Исследование зависимости прогибов от величины ускорения и положения участка изменения скорости. Динамический эффект на пролетном строении от воздействия подвижной нагрузки будем оценивать динамическим коэффициентом как отношением максимального значения прогиба, полученного при моделировании совместных колебаний, к значению статического прогиба от силы, равной весу рассматриваемого автомобиля. Для оценки динамического эффекта в качестве исследуемого (расчетного) сечения примем середину балки. При этом основной изучаемой величиной будет динамический прогиб. Длина пролета - 42,5 м.

Ниже на рис.1 и 2 приведены графики динамических коэффициентов по прогибам среднего сечения при торможении указанной автоцистерны с учетом и без учета подвижности жидкости.

Рис. 1. Максимальные динамические коэффициенты для прогибов среднего сечения пролет в зависимости от величины ускорения и участка торможения, полученные без учета подвижности жидкости (выполнен авторами)

Рис. 2. Максимальные динамические коэффициенты для прогибов среднего сечения пролета при торможении с различными ускорениями с учетом подвижности жидкости и возможного деления на отсеки (выполнен авторами)

Выводы по 2:

• при определении максимального динамического эффекта для пролетного строения от неравномерного движения наряду с величиной установившегося ускорения определяющим является выбор участка появления ускорения (начало, середина или конец пролета) и длительности его действия. Для однопролетной шарнирной схемы наиболее опасным является торможение и разгон в пределах первой половины пролета. Начальная скорость при отсутствии кинематического возмущения на колебания практически не влияет;

• наиболее опасным режимом эксплуатации следует считать около 85% наполнения для цистерны без отсеков, так как в этом случае при больших ускорениях наряду с существенным увеличением динамических давлений осей возможно появление резонансных колебаний, что крайне опасно для балочных систем средних пролетов с собственными частотами до 20 с^-1. В случае разбиения котла цистерны на отсеки резонансные явления для мостов малых и средних пролетов практически исключены вследствие того, что периоды вынужденных колебаний находятся в пределах 0,5 - 0,7 с;

• для рассмотренного пролетного строения при торможении и разгоне автоцистерны общей массой 24 т с ускорениями 2 - 6 м/с² были получены следующие результаты. Без учета подвижности жидкости, то есть в предположении, что жидкость “заморожена”, максимальный динамический коэффициент при торможении с ускорением 6 м/с² - 1,26, при разгоне с ускорением 4 м/с² - 1,27.

С учетом подвижности жидкости изучался только процесс торможения. Максимальные динамические коэффициенты составили: 3,25 - без отсеков, 1,93 и 1,65 - при 2 и 3 отсеках соответственно.

Отдельно от учета подвижности жидкости динамические коэффициенты по жидкости составили соответственно 2,54, 1,51 и 1,29. Таким образом, в предположении, что жидкость “заморожена”, максимальный динамический эффект по прогибам для данного случая получается недоучтен минимум на 29%.

3. Исследование влияния длины пролета рассмотрено в три этапа.

На первом этапе изучалось равномерное движение одиночного автомобиля на пролетных строениях различной длины с учетом пяти участков характерного профиля асфальтобетонного покрытия.

По результатам вычислительного эксперимента сделана выборка максимальных значений, которые сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Динамические коэффициенты при равномерном движении по заданному микропрофилю

Как видно из таблицы 2, наиболее неблагоприятные скорости движения для заданного микропрофиля преимущественно находятся в диапазоне 10-15 м/с. Это связано с тем, что основным фактором, определяющим величину динамического воздействия, здесь является кинематическое возмущение и его параметры, то есть статистические характеристики микропрофиля. Влияние длины пролета здесь является второстепенным фактором.

На втором этапе предметом анализа стало неравномерное движение одиночного автомобиля с максимальным по величине ускорением в различных частях пролета и с различной продолжительностью. Результаты вычислительного эксперимента для торможения представлены в таблице 3 и наглядно демонстрируют рост величин динамических коэффициентов при увеличении длины пролета во всех диапазонах начальных скоростей

Таблица 3 Торможение с ускорением 6 м/с²

Третий этап исследования должен был выявить закономерности изменения динамических коэффициентов при воздействии одиночной подвижной нагрузки в виде транспортного средства с жидким грузом (автоцистерны). Рассматривался наиболее характерный вариант разбиения полости на два независимых отсека. Изучался преимущественно процесс торможения. Результаты сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Торможение автоцистерны с ускорением 6 м/с²

Существенный рост динамических коэффициентов при использовании модели жидкого груза по сравнению с твердым обусловлен наличием свободной поверхности жидкости и появлением гидравлического удара в полости цистерны при больших ускорениях. Значительные колебания жидкости в полости цистерны приводят к практически не контролируемому процессу торможения и могут стать причиной аварийных ситуаций на дорогах, вызывая тем самым сверхнормативные нагрузки на транспортные сооружения.

Выводы по 3:

• при наличии значительных неровностей проезжей части влияние кинематического возмущения становится определяющим для равномерного движения одиночной подвижной нагрузки; динамические коэффициенты для различных длин пролетных строений близки по значению при фиксированной скорости движения;

• при неравномерном движении одиночного автомобиля по относительно гладкой проезжей части влияние длины пролета сооружения на динамические коэффициенты становится весьма существенным; при этом во всех диапазонах начальных скоростей наблюдается их рост с увеличением длины пролета. Максимальные величины динамических коэффициентов составили 1,28 - 1,46 в зависимости от длины пролета;

• подвижность жидкого груза значительно увеличивает величины динамических коэффициентов при неравномерном движении, отмечается их рост в среднем на 30-70% по отношению к твердым грузам;

• длина пролета сооружения при движении одиночного автомобиля с переменной скоростью по проезжей части в хорошем состоянии (наряду с величиной ускорения и расположением участка изменения скорости) определяет величины динамических коэффициентов. В рассмотренном случае максимальный разброс указанных величин составил 28 - 88%.

Выводы