2.8. Классификация повреждений опорных конструкций по степени опасности

Развитие повреждений в эксплуатируемых опорных конструкциях приводит к уменьшению их прочности и повышению деформативности. Процесс этот длительный. Опасность повреждений с увеличением их размеров нарастает. С учетом этого было предложено [19, 53] все повреждения в зависимости от степени их опасности подразделить на три категории:

I - повреждения, не оказывающие существенного влияния на прочность, но снижающие долговечность конструкций;

II - повреждения, размеры которых предельно допустимы по условиям эксплуатации;

III - повреждения таких размеров, при дальнейшем увеличении которых прочность конструкций может оказаться меньше требуемой.

При такой классификации все основные повреждения будут с течением времени переходить из категории I в III. Это позволит планировать замену или усиление эксплуатируемых конструкций, своевременно готовя материалы и технику.

Так как конструкции с течением времени снижают свои начальные характеристики, естественным было признать, что первоначально они имеют некоторый запас прочности, который постепенно исчерпывается. Определение размеров запаса прочности представляет собой сложную задачу. В явном виде при проектировании строительных конструкций запасов прочности не закладывается. Выявить их можно на основе более глубокого изучения механики работы конструкций, определения реальных прочностных свойств материалов.

Наиболее ясное представление о запасе прочности и варьировании этих величин можно получить расчетным путем. При таком подходе можно дифференцированно учесть влияние каждого фактора. Экспериментальным методом определить запасы прочности у эксплуатируемых конструкций практически нереально. В этом случае пришлось бы их довести до стадии, близкой к разрушению, после чего дальнейшая эксплуатация уже становится невозможной, так как появляются необратимые пластические деформации в самих конструкциях и в грунте.

При загружении опор и фундаментов до нормальной или расчетной нагрузки можно оценить работоспособность только данной конструкции с определенными видами повреждений, распространять результаты этих испытаний на другие опоры и фундаменты нельзя, так как прочность материалов у них может быть иной. При увеличении размеров повреждений нужно снова проводить испытания. Работа эта трудоемкая и не всегда выполнимая, не говоря уже о том, что в случае потери несущей способности вышедшая из строя конструкция должна быть немедленно заменена. Поэтому в качестве основного метода оценки пригодности поврежденных опорных конструкций, по-видимому, должен быть аналитический метод. Он приемлем в тех случаях, когда можно определить прочностные свойства материалов и размеры повреждений. Если же этого сделать нельзя, то приходится прибегать к двум другим: методу контролируемых параметров и непосредственному испытанию поврежденных конструкций на прочность. Все три метода не исключают один другого и должны применяться в зависимости от возможностей их использования.

Развивающиеся в опорах и фундаментах повреждения по характеру влияния на механику их работы можно подразделить на два класса:

не меняющие характера распределения внутренних усилий;

изменяющие распределение усилий между элементами конструкций.

К первому классу относятся повреждения, связанные с коррозионным износом и разупрочнением материалов, например ослабление поперечных сечений металлических опор и ригелей при равномерной и неравномерной коррозии, уменьшение толщины стенок железобетонных опор из-за разрушения бетона в поверхностных слоях, снижения прочностных свойств бетона при морозном разрушении его или растворении компонентов цементного камня. Опасность и допустимые размеры этих повреждений легко определяются расчетным путем, так как прочность, поперечных сечений проверяют по тем же расчетным формулам, что и неповрежденных конструкций. При этом в расчет вводятся прочностные свойства материалов реальных конструкций и размеры поперечных сечений их элементов. Проверке прочности подвергаются наиболее ослабленные сечения.

Значительно сложнее обстоит дело при развитии повреждений второго класса, когда происходит, например, растрескивание железобетонных конструкций при коррозии и особенно электрокоррозии арматуры, температурно-влажностных деформациях бетона или выключаются из работы отдельные элементы металлических конструкций. В этих случаях принципы работы конструкций резко меняются. Рассмотрим их подробнее.

При электрокоррозии арматуры и анкерных болтов фундаментов и фундаментных частей опор, как было отмечено ранее, еще задолго до исчерпания прочности арматуры защитный слой бетона откалывается. При групповом расположении анкерных болтов в фундаментах трещины могут соединять их между собой. Танкостенные конструкции опор кольцевого и двутаврового сечений рассекаются по плоскостям арматурных каркасов и в поперечном направлении. Все это приводит, с одной стороны, к потере сцепления арматуры с бетоном, а с другой - к нарушению характера распределения усилий в самих бетонных элементах и частичному выключению их из работы. В свою очередь из-за потери сцепления (например, в фундаментах) анкерных болтов с бетоном изгибающий момент воспринимается только бетоном. Прочность его всецело определяет общую несущую способность конструкции. Этому явлению часто не придается должного внимания. У эксплуатирующего персонала сложилось в общем неправильное представление о том, что прочность фундаментов зависит в основном от степени износа арматуры. Необходимо изменить это положение и принимать во внимание не только степень износа арматуры и анкерных болтов, но и сцепление ее с бетоном, а также условия работы отсеченных трещинами бетонных элементов. Составление расчетных моделей таких растрескавшихся конструкций и экспериментальное исследование их представляют специальную задачу, которую необходимо решить прежде, чем оценивать опасность повреждений. Естественно, что в зависимости от характера развития трещин в опорах и фундаментах в поперечных сечениях и по глубине расчетные схемы будут меняться.

Аналогично влияют на механику работы опор кольцевого сечения трещины в стенках. От количества их в одной зоне по высоте конструкции и характера расположения в сечении зависит распределение внутренних усилий в опорах. Наибольшее искажение в распределение внутренних усилий в центрифугированных опорах вносят трещины, расположенные на концевых участках - в вершине и в комлевой части. При развитии трещин в средней по высоте части опоры монолитность конструкции сохраняется в большей степени, чем в случае растрескивания концевых участков, но здесь нужно дифференцированно подходить при оценке их роли, выделяя случаи, когда отсеченные трещинами элементы могут выходить из строя из-за потери устойчивости. Возможность выхода из строя отсеченных трещинами элементов конструкций определяет допустимую длину их и место расположения в сечении. Кроме рассмотренных видов повреждений, изменять механику работы железобетонных опор могут:

трещины в зоне сопряжения полок со стенками у двутавровых опор;

отслаивание защитного слоя из-за коррозии арматуры или "морозного" разрушения бетона у опор кольцевого и двутаврового сечений в надземной части.

У металлических опор и ригелей изменяется характер распределения усилий в конструкциях при сильном ослаблении сечений или полном выключении из работы элементов решетки (раскосов, стоек, связей), болтов, заклепок, сварных швов. Выключение из работы указанных элементов приводит к появлению в поясах местных изгибающих моментов, на которые они при проектировании не рассчитывались. Значения этих дополнительных усилий будут зависеть от конкретных условий загружения и конкретного месторасположения вышедшего из строя элемента. С учетом этого определять допустимость эксплуатации опор и ригелей с разрушенными отдельными элементами следует применительно к конкретным условиям, используя общие принципы расчета конструкций и специфику влияния повреждений.

Распространенное у металлических решетчатых опор повреждение- погнутость поясов, раскосов и стоек - также следует отнести к повреждениям второго класса, если погнутым оказывается один из двух элементов в пределах одной панели. В этом случае нагрузка с искривленного элемента передается на оставшийся прямолинейный (пояс или раскос смежной плоской формы). При одновременном изгибе двух сжатых поясных уголков или стоек в пределах одной панели такое повреждение следует рассматривать как ослабление сечений и относить к первому классу.

Систематизируя повреждения по характеру влияния на работоспособность конструкций, следует, по-видимому, выделить внеклассные повреждения. Они не снижают прочности, но могут сказаться на долговечности конструкций, если их своевременно не устранить. К числу таких повреждений относятся в основном повреждения защитных средств - разрушение защитных покрытий, карбонизация защитного слоя бетона или пропитка его электролитами, а также небольшие сколы углов опор и фундаментов, повреждение электроизоляции и др.

Правильная оценка опасности повреждений позволяет, с одной стороны, обеспечить безопасность движения, а с другой - длительно эксплуатировать поврежденные конструкции, выбирая запасы прочности и тем самым экономя средства на замену конструкций. Поэтому вопросу прочности постепенно разрушающихся опор и фундаментов следует придавать особое значение не только в инженерном, но и в экономическом отношении. Чтобы не проводить преждевременной замены опор и фундаментов, необходимо ясно представлять механику работы их при каждом виде повреждения, уметь расчетным путем оценить напряженное состояние и общую несущую способность конструкций, а также ориентировочный срок службы. Задача эта сложная и требует специальных знаний. В связи с этим рассмотрим далее основы механики работы и расчета опорных конструкций с учетом конкретных видов повреждений, главными из которых, наиболее распространенными и представляющими опасность, являются следующие:

равномерная и неравномерная коррозия металлических конструкций;

продольные трещины в надземной части опор кольцевого сечения;

коррозия арматуры;

электрокоррозионные разрушения фундаментов и фундаментных частей опор;

морозные разрушения бетона в надземной части опор. Коррозионное и электрокоррозионное разрушения бетона хотя 1И являются распространенными повреждениями в сильно минерализованных грунтах, однако значительно менее опасны и протекают медленнее, чем коррозия арматуры в тех же условиях. Поэтому оценку опасности их будем вести одновременно с рассмотрением влияния на прочность конструкций других повреждений.