Последнее обновление: 07.08.2020
Общие принципы обеспечения сейсмостойкости мостовых сооружений
Главная задача проектирования мостов в сейсмоопасных районах – обеспечить нормальную эксплуатацию сооружений для относительно частых землетрясений (с повторяемостью 1 раз в 500 лет, т.е. по карте «А» и возможность эффективного выполнения восстановительных работ после редких сильных землетрясений (с повторяемостью 1 раз в 5000 лет, т.е. по карте «С»).
Действующие СНиП оперируют одним условным расчетом. Усиление конструкций в соответствии с этим расчетом должно обеспечить отсутствие повреждений при частых слабых воздействиях, ограниченность повреждаемости при землетрясениях средней силы и возможность быстрого восстановления движения после разрушительных землетрясений. Опыт землетрясений показывает, что в среднем этого действительно удается добиться. Средние сейсмологические условия предполагают ситуационную сейсмичность 7, 8, 9 баллов. При этом ускорения расчетного воздействия в 4 раза меньше максимального. Во многих случаях это условие не выполняется, т.е. повторяемость слабых воздействий по отношению к сильным оказывается существенно выше.
Сказанное накладывает на проектировщика дополнительные требования. Во-первых, необходимо формально удовлетворить требованиям СНиП, рассчитав конструкцию на условные сейсмические нагрузки. Во-вторых, оценить сейсмостойкость моста на действие «слабого» проектного землетрясения (ПЗ).
Если оба расчета оказываются благоприятными, то дальнейшего анализа не требуется. Если же расчет на реальное ПЗ показывает, что мост не удовлетворяет требованиям нормальной эксплуатации, то представляется возможным снизить требования к ПЗ до уровня СНиП, т.е., по существу, до 7 баллов. Однако такое снижение приведет к снижению надежности объекта, поэтому проект должен сопровождаться сценарием накопления повреждений в элементах моста. Объем повреждений при росте нагрузки от 7 до 8 – балльной не должен приводить к существенному усложнению эксплуатации.
В связи со сложностью сейсмологических условий необходимо принимать специальные сейсмозащитные мероприятия – сейсмоизоляцию и сейсмогашение.
Предлагаемые технические решения
ООО «СК Стройкомплекс-5» совместно с ОАО «Трансмост», ЗАО «Машстроймост-СПб» и специалистами ПГУПС (проф. А.М. Уздин и его команда) разработаны системы активной сейсмозащиты мостовых сооружений, основанные на принципах сейсмогашения и сейсмоизоляции. Эти системы обеспечивают стабильность конструкции, возможность эксплуатации моста после землетрясения разрушительной силы при минимальных ремонтно-восстановительных работах и минимизируют дополнительные затраты на обеспечение сейсмостойкости сооружения.
В частности, разработан и внедрен на строительстве железнодорожного моста через р. Аму-Дарью в Туркмении комплекс сейсмозащитных устройств, включающий:
- использование системы стопоров с амортизаторами, обеспечивающих снижение сейсмических воздействий за счет обжатия тарельчатых пружин амортизаторов (конструктивная схема);
- использование тангенциальных скользящих опорных частей (конструктивная схема), прикрепляемых к подферменникам и пролетным строениям через демпферы сухого трения (фрикционно-подвижные соединения), обеспечивающие смещение опорных частей на расчетную величину при превышении горизонтальными силами от сейсмических воздействий величин, определяемых расчетом на основные сочетания расчетных нагрузок. Демпферы представляют собой двойную фрикционную пару, имеющую стабильный коэффициент трения. Сжимающее усилие создается высокопрочными шпильками, натягиваемыми динамометрическими ключами или гайковертами на расчетное усилие. Количество болтов определяется с учетом воздействия собственного веса пролетного строения;
- крепление амортизаторов к жестко закрепленным на подферменниках стопорам также через демпферы сухого трения, что дает второй уровень сейсмозащиты, включающийся в работу при экстремальных воздействиях (максимальные расчетные землетрясения);
- применение предусмотренных типовым проектом пролетных строений устройств против сброса пролетных строений (опрокидывания), модифицированных с учетом использования совместно с перечисленными выше устройствами;
- использование дополнительных стяжек между смежными пролетными строениями, предотвращающих возможные удары в случае асинфазных колебаний смежных опор моста.
На основе «ноу-хау» нашей фирмы Старокраматорский завод на Украине изготовил комплект опорных частей и сейсмозащитных устройств для этого моста, открытого для движения поездов в 2009 г.
Применение тангенциальных скользящих или шаровых сегментных опорных частей для опирания пролетных строений в сейсмических условиях является удачным решением, поскольку они не имеют мелких деталей, ненадежных при динамических воздействиях, и обеспечивают свободные перемещения пролетного строения относительно опоры на любую расчетную величину без деформаций каких-либо элементов. Кроме того, такие опорные части весьма эффективны при совместной работе с амортизаторами, демпферами и другими антисейсмическими устройствами.
Многообразие природных факторов и параметров сооружений, строящихся в сейсмических районах, требует индивидуального решения комплекса сейсмозащитных устройств для каждого конкретного объекта. Тем не менее, при выборе типа сейсмозащиты и соответствующих конструктивных решений можно рекомендовать следующие положения, основанные на результатах выполненных расчетов и проектных разработок для одного конкретного объекта в районе с расчетной сейсмичностью 9 баллов.
При проектировании тангенциальных скользящих или шаровых сегментных опорных частей должна быть принята величина допускаемых продольных перемещений подвижной опорной части, соответствующая расчетным перемещениям при проектной силе землетрясения (ПЗ), что, как правило, превышает величину перемещений по расчету на температурные воздействия. При этом должна быть обеспечена конструктивно величина предельно возможных продольных перемещений подвижной опорной части при максимальном расчетном землетрясении (МРЗ). Причем, если перемещения при ПЗ обеспечиваются соответствующей длиной плиты скольжения (рабочим ходом), то предельно возможные перемещения при МРЗ – недопущением сбрасывания пролетного строения с подвижной опорной части, когда ось верхнего балансира не выходит за пределы плиты скольжения при допущении разрушения защитных кожухов и поперечных (водоотбойных) бортов.
Демпферы сухого трения должны быть запроектированы на расчетное сдвигающее усилие, на 20-25% превышающее действующие усилия по расчетам на основные сочетания расчетных нагрузок с обеспечением расчетных перемещений, соответствующих ПЗ. Амортизаторы должны быть запроектированы на предельное усилие на одну опорную часть, на 10-15% превышающее действующие усилия по расчетам на основные сочетания расчетных нагрузок. При таких соотношениях расчетных усилий в случае превышения сейсмической силой указанных усилий опорная часть с установленным на нее пролетным строением смещается по рабочим плоскостям демпфера. В процессе смещения происходит гашение энергии, сейсмическое воздействие на сооружение уменьшается и система стабилизируется. Основным рабочим элементом амортизатора является пакет тарельчатых пружин по ГОСТ 3057-90. При проектировании амортизаторов использовано важное свойство тарельчатых пружин: прямо пропорциональный рост усилий в них при увеличении деформаций, что позволяет применять одни и те же пружины при различных соотношениях усилий и перемещений за счет работы пружин в разных диапазонах деформаций.
Демпферы крепления амортизаторов к жестко закрепленным на подферменниках стопорам рассчитываются на усилия, на 10-15% меньшие, чем усилия, на которые рассчитываются амортизаторы. При таком соотношении расчетных усилий в случае, если внешнее воздействие превысит несущую способность опорных частей и их демпферов, произойдет смещение амортизатора по рабочим плоскостям демпфера. В процессе смещения также происходит гашение энергии, сейсмическое воздействие на сооружение уменьшается и система стабилизируется. Но это – второй уровень сейсмозащиты, включающийся в работу в случае превышения внешними усилиями величин, предусмотренных СНиП для землетрясений проектной силы.
Устройства против опрокидывания пролетных строений, выполненные в виде металлических листовых тяг, снабжаются овальными отверстиями, обеспечивающими рабочий ход, соответствующий расчетным перемещениям пролетного строения относительно подферменника.
Стяжки между смежными пролетными строениями рассчитываются на суммарное усилие, соответствующее МРЗ, могут быть выполнены, например, из металлических листов с овальными отверстиями, обеспечивающими расчетные перемещения при МРЗ.
Применительно к мостовым сооружениям, строящимся на железнодорожных линиях в рамках создания транспортной инфраструктуры Олимпиады 2014 г. в г. Сочи разработана система сейсмозащиты, включающая амортизаторы стержневые (столики) и вязкоупругие демпферы конструкции ЦКТИ «Вибросейсм». Схема такого решения для эстакады с неразрезным пролетным строением из монолитного предварительно напряженного железобетона приведена на конструктивной схеме.
В этом случае пролетное строение опирается на продольно или всесторонне подвижные опорные части, а функции неподвижной опорной части обеспечивает амортизатор в виде стержневой пружины («столик»).
Выполненные НИИ Мостов и ООО «Стройдинамика» испытания модели амортизатора стержневого в натуральную величину на стенде и на сейсмоплатформе позволили уточнить расчетные предпосылки и подтвердить надежность конструкций при динамических воздействиях.
Для эстакады подхода к аэропорту г. Сочи под 2 железнодорожных пути и пассажирскую платформу была разработана схема сейсмозащиты с использованием противофазности колебаний пролетных строений под железнодорожные пути и платформы, расположенной на самостоятельном пролетном строении. Для обеспечения этого принципа железнодорожные пролетные строения на центральной опоре фиксировались стержневыми амортизаторами, играющими роль неподвижных опорных частей, а пролетное строение платформы закреплялось к той же опоре через пружинный амортизатор (см. конструктивную схему). Жесткости амортизаторов были подобраны, исходя из инерционных масс конструкций.
Фирма «Стройкомплекс» завершила выполнение заказа на изготовление стержневых и пружинных амортизаторов для железнодорожных эстакад для транспортной инфраструктуры Олимпиады 2014 г. в г. Сочи. Всего было изготовлено более 100 амортизаторов (стержневых и пружинных) и фрикционно подвижных соединений для вязкоупругих демпферов.
Кроме того, для моста через р. Иле в Казахстане, где была использована такая же схема сейсмозащиты, было изготовлено 10 стержневых амортизаторов.
Для одного пешеходного моста в г. Сочи было предложено: для обеспечения устойчивости пролетного строения против опрокидывания при сейсмических воздействиях между балками были установлены металлические диафрагмы, с помощью которых тяжами через пакеты тарельчатых пружин пролетное строение притянуто к опорам (см. конструктивную схему). Заказ был выполнен в 2011 г.
Сейсмозащитные устройства всех типов изготовляются ООО «СК Стройкомплекс-5» по заказам строительных организаций. Их стоимость определяется договором с Заказчиком.
Дополнительно:
- Регламент монтажа амортизаторов стержневых для сейсмозащиты мостовых сооружений
- Сертификаты соответствия и ТУ
