Краткая характеристика конструкций эксплуатируемых мостов и труб
ИСКУССТВЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
Сборник лекций
В 2 частях
Часть 2
СОДЕРЖАНИЕ, РЕМОНТ И РЕКОНСТРУКЦИЯ МОСТОВ И ТРУБ
Рекомендовано
Методическим советом ДВГУПС
в качестве учебного пособия
Хабаровск
Издательство ДВГУПС
УДК 624.21:625.1(075.8)
ББК О 112.02я73
Б 830
Рецензенты:
Кафедра «Мосты, основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО
Тихоокеанского государственного технического университета
(заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор
И.Ю. Белуцкий)
Начальник отдела «Искусственные сооружения» службы пути
Дальневосточной дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД»
В.В. Буренок
| Б 830 | Боровик, Г.М. Искусственные сооружения на железных дорогах : сб. лекций. В 2 ч. Ч. 2. Содержание, ремонт и реконструкция мостов и труб / Г.М. Боровик. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. – 160 с. : ил. |
Сборник лекций соответствует ГОС ВПО по специальностям 270204.65 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство», 270201.65 «Мосты и транспортные тоннели», а также ФГОС ВПО по специальности 271501.65 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей».
Сборник состоит из 2 частей. В части 2 рассмотрены способы и методы содержания, оценки и диагностики технического состояния, ремонта и реконструкции железобетонных и металлических мостов, водопропускных труб, применяемые в современных условиях эксплуатации.
Предназначен для студентов 3-го – 5-го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Искусственные сооружения на железных дорогах», «Содержание, ремонт и реконструкция мостов и труб», «Содержание и реконструкция мостов и тоннелей», выполняющих курсовые и дипломные проекты, а также полезен для специалистов, занимающихся вопросами содержания, ремонта и реконструкции мостов и труб.
УДК 624.21:625.1(075.8)
ББК О 112.02я73
© ДВГУПС, 2013
ВВЕДЕНИЕ
Процесс эксплуатации мостов и труб на железных дорогах является многогранным, включает в себя решение широкого спектра задач. Мосты и трубы, запроектированные и построенные по разным нормам и нагрузкам, при постоянно увеличивающейся грузонапряженности железных дорог со временем стареют, получают износ. Данное обстоятельство приводит к необходимости проведения специальных мероприятий для обеспечения их требуемых эксплуатационных качеств.
Эксплуатация искусственных сооружений осуществляется в течение длительного времени (до 100 лет и более), поэтому в целях обеспечения безопасного пропуска по ним поездов и нормального гидравлического режима разрабатывают и реализуют комплекс различных мероприятий, направленных на поддержание соответствующего технического состояния. Данный комплекс включает в себя работы, связанные с постоянным надзором, оценкой технического состояния и грузоподъемности, технической диагностикой, своевременным производством ремонтно-восстановительных работ, а также в необходимых случаях их реконструкцией. Для решения проблем, возникающих в процессе эксплуатации мостов и труб, требуются специальные знания. Особенно это актуально при эксплуатации искусственных сооружений в сложных природно-климатических условиях, характерных для северной строительно-климатической зоны, где все работы по поддержанию требуемого уровня эксплуатационной пригодности мостов и труб являются более сложными и дорогостоящими. Знание особенностей эксплуатации искусственных сооружений в различных природно-климатических зонах позволит специалисту быстрее адаптироваться в производственных условиях, а также решать широкий круг вопросов по поддержанию требуемого уровня технического состояния, грузоподъемности, надежности и долговечности для обеспечения безопасного пропуска поездов с установленными скоростями.
В части 2 сборника лекций рассмотрены вопросы содержания мостов и труб, эксплуатируемых на железных дорогах, в том числе в сложных природно-климатических условиях сурового климата. Дана краткая характеристика наиболее распространенных конструкций (пролетных строений, опор мостов, водопропускных труб), эксплуатируемых на участках железных дорог. Рассмотрены общие вопросы оценки технического состояния, грузоподъемности и технической диагностики с использованием современных методик, нашедших практическое применение. Изложены рекомендации по эксплуатации мостов и труб в условиях распространения вечномерзлых и многолетнемерзлых грунтов оснований и наледеобразования, даны краткое описание работ текущего содержания эксплуатируемых мостов и труб; различные способы усиления железобетонных, металлических пролетных строений и опор балочных мостов, а также ремонта водопропускных труб. Описаны различные виды реконструкции мостов и труб.
В результате изучения данного сборника лекций студент должен освоить современные методы оценки технического состояния эксплуатируемых мостов и труб, способы содержания, ремонта, усиления и реконструкции искусственных сооружений, в том числе в сложных условиях северной строительно-климатической зоны. Кроме того, он должен уметь решать вопросы по организации и проведению оптимальных ремонтно-восстановительных работ, а также по установлению наиболее рациональной стратегии их эксплуатации в целях обеспечения безопасного пропуска поездов с установленными скоростями.
Лекция 1 СОДЕРЖАНИЕ МОСТОВ И ТРУБ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
План лекции
1.1. Краткая характеристика конструкций эксплуатируемых мостов и труб.
1.2. Организация содержания искусственных сооружений на железных дорогах.
1.3. Дефекты и повреждения эксплуатируемых мостов и труб.
1.4. Основные положения оценки технического состояния искусственных сооружений.
1.5. Основные положения расчета грузоподъемности мостов.
1.6. Техническая диагностика и оценка показателей надежности эксплуатируемых мостов и труб.
1.7. Особенности содержания мостов и труб в условиях сурового климата.
Краткая характеристика конструкций эксплуатируемых мостов и труб
Мосты, трубы и другие искусственные сооружения, эксплуатируемые на железных дорогах Дальнего Востока и Сибири, построены в различные периоды, начиная с конца ХIХ в.
Средний срок службы мостовых сооружений на Транссибирской магистрали, проходящей по территории Дальнего Востока и Сибири, составляет более 90 лет при проектной долговечности 100 лет. На отдельных участках, например, на линии Владивосток–Хабаровск мосты и трубы эксплуатируют с 1898 г., срок службы которых уже превышает нормативную долговечность. На Дальнем Востоке много железных дорог построено в период 1936–1948 гг., к их числу относятся линии Известковая–Чегдомын, Волочаевка–Комсомольск, Угловая–Находка и др., где средний срок службы искусственных сооружений составляет 60–70 лет.
Каждый этап строительства мостов и труб отражал реализацию уровня знаний и достижений проектировщиков и строителей, использования лучших строительных материалов и технологий, характерных для своей эпохи.
Мосты, трубы и другие искусственные сооружения, эксплуатируемые на железных дорогах Дальнего Востока и Сибири, были запроектированы и построены по различным нормам проектирования и подразличные расчетные нагрузки [1]:
· по нормам 1896 г. расчетная нагрузка представляла собой два четырехосных паровоза с нагрузкой на ось 147,4 кН, с трехосными тендерами с осевой нагрузкой 117, 7 кН и вагонной нагрузкой интенсивностью 58,9 кН/м;
· по нормам 1907 г. расчетная нагрузка – два пятиосных паровоза с нагрузкой на ось 196,2 кН, с четырехосными тендерами с осевой нагрузкой 137,4 кН и вагонной нагрузкой интенсивностью 58,9 кН/м;
· по нормам 1931 г.расчетная нагрузка– в виде схемы эталонной нагрузки Н1, в которой максимальная нагрузка на ось составляет 34,3 кН, а погонная – 9,81 кН/м. Эталонную нагрузку по схеме Н1 умножают на соответствующий класс К. При проектировании постоянных мостов принимали класс К = 8 (Н8) К = 7 (Н7), а временных – К = 6 (Н6);
· по нормам 1962 г.предусмотрена нормативная перспективная нагрузка СК в виде эквивалентных нагрузок, полученных как объемлющие от воздействий различных типов и сочетаний подвижного состава. При проектировании капитальных сооружений в нагрузке СК принимают класс К = 14, а временных – К = 10. В расчетах от сосредоточенного груза на ось принимают 2,5 К.
Таким образом, в течение 90 лет эксплуатации мостов и труб на участках Транссибирской магистрали таких, как Владивосток–Хабаровск, расчетная нагрузка была увеличена в 1,8 раза.
Изменения претерпевали не только расчетные нагрузки, но и методы проектирования и методологии расчета: до 1962 г. сооружения проектировали по методу допускаемых напряжений, затем с 1962 г. – по методу предельных состояний.
На дорогах Дальнего Востока и Сибири эксплуатируются разнообразные конструкции мостов и труб.
Металлические пролетные строения. Для малых, средних и больших мостов нашли применение:
· клепаные пролетные строения со сплошными главными балками расчетной длиной от 7,0 до 27,6 м по нормам 1896 г., 1907 г., 1931 г. и расчетной нагрузкой Н7, Н8 (рис. 1.1; 1.2; 1.3, а; 1.4), а также болтосварные расчетной длиной от 18,2 до 33,6 м по нормам 1962 г. и расчетной нагрузкой С14 (рис. 1.3, в; 1.5);
| Рис. 1.1. Схема металлического клепаного пролетного строения со сплошными балками: а – под нагрузку 1907 г., расчетной длиной 6,958 м; г – то же длиной 11,503 м; б, д – поперечное сечение на опоре; в, е – поперечное сечение в пролете |
| Рис. 1.2. Схема металлического клепаного пролетного строения со сплошными балками под нагрузки: а – 1907 г.; г – 1925 г.; б, д – поперечное сечение на опоре; в, е – поперечное сечение в пролете |
| Рис. 1.3. Схема металлического пролетного строения со сплошными балками: а – клепаного под нагрузку Н 7 (1931 г.) по типовому проекту инв. № 6673, Гипротранс,1931 г.; б, г – поперечное сечение; в – болтосварного под нагрузку С 14 по типовому проекту 3.501-75 инв.№ 821/1, Ленгипротрансмост,1971 г. |
· сталежелезобетонные пролетные строения с ездой на балласте расчетной длиной от 18,2 до 55,0 м по нормам 1962 г. и расчетной нагрузкой С14 [12] (рис. 1.6).
Рис. 1.4. Металлические клепаные пролетные
строения со сплошными главными балками
Рис. 1.5. Конструкция болтосварного пролетного строения
Рис. 1.6. Конструкция сталежелезобетонного пролетного строения
В современных условиях применяются сварные коробчатые пролетные строения с ортотропной плитой и ездой по балласту расчетной длиной от 18,2 до 33,6 м [12] (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Конструкция коробчатого пролетного строения
с ортотропной плитой с ездой по балласту
Для больших и внеклассных мостов применяли стальные клепаные пролетные строения со сквозными балочно-разрезными фермами с ездой понизу и поверху расчетной длиной 19,5–129,6 м по нормам 1896 г.; 22,2–158,4 м по нормам 1907 г.; 27,0–158,4 м по нормам 1931 г. и расчетной нагрузкой Н7, Н8; клепаные и болтосварные балочно-разрезные – 55,0–110,0 м и балочно-неразрезные 110,0–154,0 м по нормам 1962 г. и расчетной нагрузкой С14 (рис. 1.8, 1.9).
Для изготовления пролетных строений использовали литое железо при строительстве мостов до 1935 г.; малоуглеродистую сталь мартеновской плавки (Ст 3 мостовая), успокоенную малоуглеродистую сталь М16С, получаемую путем раскисления до 1953 г., а с 1945 г. доминирующее положение в мостостроении заняли низколегированные стали, получаемые путем легирования никелем, хромом, марганцем и другими элементами (Ст10ХСНД, 15ХСНД) [1].
Рис. 1.8. Стальные балочно-разрезные пролетные строения
со сквозными фермами с ездой понизу
Рис. 1.9. Металлическое балочно-разрезное пролетное строение
со сквозной фермой с ездой поверху
Заклепки до 1900 г. изготавливали из сварочного железа, а позже из стали марки Ст2. В настоящее время основным видом монтажных соединений металлических пролетных строений является использование высокопрочных болтов из стали 40Х с термической обработкой и автоматической сварки.
Железобетонные пролетные строения. При строительстве железобетонных железнодорожных мостов применяются пролетные строения с ездой по балласту различных конструктивных форм. К ним относятся плитные пролетные строения расчетной длиной от 3,5 до 6,5 м; ребристые одно- и двухблочные из обычного железобетона расчетной длиной от 5,5 до 15,8 м [1, 7, 12] (рис. 1.10, 1.11); ребристые двухблочные с предварительно напряженной арматурой расчетной длиной от 12,8 до 27,6 м [1, 7, 12] (рис. 1.10, г; 1.12).
Рис. 1.10. Схемы железобетонных пролетных строений старых лет постройки:
а – под нагрузку Н7 (1931 г.), полной длиной 5,9 м; б, в – под нагрузку Н7 (1931 г.), полной длиной 11,5 м; г – под нагрузку Н8 (1934 г.) полной длиной 14,3 м; под нагрузку Н8 (1934 г.) полной длиной 13,5 м
Рис. 1.11. Железобетонные пролетные строения ребристой конструкции:
а – одноблочные; б – двухблочные
Рис. 1.12. Фасад железобетонного пролетного строения
с предварительно напряженной арматурой
Для изготовления железобетонных пролетных строений, запроектированных по нормам 1931 г. под расчетную нагрузку Н7 и Н8, применяли бетон с прочностью на сжатие марки М250–М400 (классами бетона по прочности В20–В30). Пролетные строения, рассчитанные под нагрузку С14, имеют более высокие классы бетона.
Опоры балочных мостов. Опоры железнодорожных мостов строили до 1940 г. преимущественно массивные монолитные из бутовой, бутобетонной и бетонной кладки с каменной облицовкой (марка бетона по прочности М250–М400, бутового камня прочностью 200–400 кг/см2 и выше). Мосты постройки поздних лет сооружали из монолитного и сборного бетона и железобетона с классом бетона по прочности В30–В40 и выше (рис. 1.13, 1.14).
Опоры мостов проектировали и сооружали в основном с фундаментами на естественном основании, а также находили применение кессоны и опускные колодцы. В русловой части больших и внеклассных мостов промежуточные опоры устраивали с ледорежущей гранью (рис. 1.12, б). В зоне сурового климата глубина заложения массивных монолитных фундаментов на естественном основании составляет 3,5–5,0 м. С 1974 г. широкое применение получили сборно-монолитные опоры мостов с фундаментами на естественном основании, а также глубокого заложения на столбах и сваях-оболочках (рис. 1.15) [28].
Рис. 1.13. Конструкции массивных монолитных промежуточных опор эксплуатируемых мостов: а – с каменной облицовкой; б – с ледорежущей гранью; в – с проемами; г – с наклонными гранями
Рис. 1.14. Конструкции массивных монолитных береговых опор эксплуатируемых мостов: а – бетонные; б – бутобетонные с каменной облицовкой
Рис. 1.15. Схемы мостов со сборно-монолитными опорами с фундаментами:
а – на естественном сновании; б – глубокого заложения на столбах
Водопропускные трубы под насыпями. При строительстве водопропускных труб на железных дорогах Дальнего Востока и Сибири применяются каменные, бутобетонные, бетонные и железобетонные конструкции овоидального, прямоугольного и круглого сечений с монолитными фундаментами на естественном основании (рис. 1.16–1.19). В районах сурового климата применяются металлические гофрированные трубы (рис. 1.20).
| Рис. 1.16. Конструкция каменной двухочковой трубы овоидального сечения | Рис. 1.17. Конструкция каменной трубы прямоугольного сечения |
| Рис. 1.18. Конструкция железобетонной трубы прямоугольного сечения | Рис. 1.19. Конструкция железобетонной трубы круглого сечения |
Рис 1.20. Конструкция металлической
гофрированной трехочковой трубы
При строительстве водопропускных труб, запроектированных по нормам 1931 г. с расчетной нагрузкой Н7 и Н8, использовали бетон с прочностью на сжатие марок М250–М400 (класс бетона по прочности В20–В30). Более современные конструкции труб, рассчитанные под нагрузку С14, сооружали с применением бетона класса В30 и более [1,12].
Эксплуатационную пригодность мостов и труб при действии современных нагрузок определяют в основном тремя факторами: фактическим техническим состоянием, расчетной грузоподъемностью и показателями надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность).