Глава 3. Основные принципы расчета прочности поврежденных опорных конструкций

3.1. Основы расчета опорных конструкций

Опорные конструкции контактной сети (включая фундаменты) рассчитываются по методу предельных состояний [51]. За предельное состояние принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям, т. е. либо теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, либо получает недопустимую деформацию или местное повреждение. Строительными нормами установлены две группы предельных состояний:

первая группа - по исчерпанию несущей способности (прочности, устойчивости, выносливости);

вторая группа - по пригодности к нормальной эксплуатации.

Расчет по первому предельному состоянию выражается неравенством

N_max≤Ф_min

где N_max - максимально возможное расчетное усилие от суммы расчетных нагрузок Р в наиболее невыгодной комбинации;

Ф_мин - минимально возможная несущая способность конструкций, являющаяся функцией геометрических размеров элементов и сопротивления материалов.

Таким образом, прочностной расчет состоит из двух основных частей:

определения усилий (изгибающих моментов, продольных и поперечных сил), действующих на конструкцию в целом или ее Элемент в том или ином сечении;

определения прочности поперечных сечений элементов.

Методы определения изгибающих моментов продольных и поперечных сил изложены в учебниках по контактной сети [32, 54], нормах проектирования [51], методических пособиях. Поэтому рассмотреть следует лишь специфику расчета прочности сечений железобетонных и металлических конструкций.

У железобетонных опор и фундаментов на стадии проектирования проверяется прочность поперечных сечений в зонах действия максимальных изгибающих моментов и поперечных сил. В надземной части железобетонных опор рассчитываются сечения на уровне пяты консоли и условного (или действительного) обреза фундамента. При этом подразумевается, что сцепление арматуры и анкерных болтов с бетоном обеспечено и нарушений сплошности поперечных сечений нет.

Расчетные формулы прочности поперечных сечений изгибаемых железобетонных конструкций (опор и фундаментов) построены в предположении, что все усилие растянутой зоны воспринимается только арматурой, а сжимающее-бетоном у струнобетонных опор и совместно бетоном и продольной стержневой арматурой у ненапряженных опор. При этом принимается, что напряжения в арматуре и бетоне в предельной стадии работы конструкций достигают расчетных сопротивлений.

У металлических решетчатых конструкций опор и ригелей рассчитываются поясные уголки и раскосы ib тех местах, где на конструкции (или их секции) действуют максимальные моменты и поперечные силы. При этом сами элементы рассчитываются как центрально-сжатые или центрально-растянутые. Возникающие в поясах и раскосах усилия определяются в предположении, что соединение этих элементов в узлах шарнирное. Такое допущение приводит к незначительному увеличению расчетных усилий, но резко упрощает расчет. В этом случае конструкции рассматриваются как статически определимые системы.

Структура применяемых расчетных формул прочности поперечных сечений элементов металлических и железобетонных опор будет рассмотрена далее применительно к каждому виду конструкций, а также с учетом влияния повреждений. Здесь же следует отметить, что независимо от вида напряженного состояния элемента (изгиб, растяжение или сжатие) прочность его сечения Ф характеризуется произведением расчетного сопротивления материала R на геометрическую характеристику сечения А:

Ф=RA.

Величины эти (R и A) - варьирующие в довольно широких пределах, особенно прочность материалов R, да и к тому же изменяющиеся во времени. Нестабильно значение и самой нагрузки на конструкции. Поэтому, чтобы более надежно оценивать возможность эксплуатации поврежденных конструкций, необходимо ясно представлять, каким образом это варьирование учитывается в современном расчетном аппарате и за счет чего у большинства конструкций имеются запасы прочности, исчерпываемые в процессе эксплуатации.

Нагрузки, действующие на опорные конструкции, подразделяются на постоянные и временные, а последние - на кратковременные и особые. К постоянным нагрузкам относятся вес проводов, изоляторов, оборудования и арматуры контактной сети, собственный вес конструкции, поддерживающих и фиксирующих устройств, усилия от натяжения и изменения направления проводов. К кратковременным нагрузкам относятся ветровые нагрузки, вес гололеда, вес монтеров на проводах и опорных конструкциях. К особым нагрузкам и воздействиям относятся нагрузки, возникающие при обрыве проводов контактной сети и сейсмические воздействия.

Опорные конструкции рассчитываются на основные, дополнительные и особые сочетания нагрузок. В основные сочетания (нормальный режим) входят постоянные и возможные кратковременные сочетания нагрузок, наиболее существенно влияющие на напряженное состояние конструкций, например постоянные нагрузки плюс воздействия максимального для данного района ветра, минимальной температуры при отсутствии гололеда и ветра или действие ветра на провода, покрытые гололедом.

В дополнительные сочетания (монтажный режим) входят все возможные в действительных условиях одновременно действующие постоянные нагрузки плюс одновременное действие монтажных нагрузок при отсутствии гололеда и ветра.

В особые сочетания входят возможные в действительных условиях постоянные и временные нагрузки при одновременном действии нагрузок, возникающих при обрыве проводов контактной сети или же при сейсмических воздействиях.

Основными характеристиками нагрузок являются их нормативные значения P_н. Расчетные нагрузки, на которые рассчитываются опоры, ригели, фундаменты по первому предельному состоянию, принимаются несколько больше нормативных. Расчетные нагрузки определяются как произведение нормативных на коэффициенты перегрузки n, учитывающие опасность неблагоприятного отклонения нагрузки от нормативного значения вследствие возможной изменчивости.

Коэффициенты перегрузки n для собственного веса проводов, деталей и конструкций контактной сети принимаются равными 1,1. Но в тех случаях, когда уменьшение нагрузок от веса проводов и строительных конструкций контактной сети вызывает утяжеление расчетных условий, коэффициент перегрузки рекомендуется принимать равным 0,9. Коэффициент перегрузки ветровых нагрузок равен 1,2, а гололедных - 1,3-1,4 для проводов контактной сети и 1,7-2 для остальных одиночных проводов (в зависимости от района). Коэффициент перегрузки от воздействия температуры принимается равным 1,15 для некомпенсированного несущего троса и 1,2 для одиночных усиливающих и питающих проводов.

Расчетные нагрузки на консольные опоры контактной сети от обрыва проводов цепной подвески определяются с учетом коэффициента динамичности, равного 1,9, а на ригели жестких поперечин - с учетом коэффициента динамичности, равного 1,5.

При расчете конструкций Контактной сети на различные состояния нагрузок некоторые из них вводятся в расчетные формулы с понижающими коэффициентами. Этим учитывается малая вероятность одновременного появления максимально возможных нагрузок.

От воздействия расчетных нагрузок в конструкциях определяют расчетные усилия - изгибающие моменты M, осевые растягивающие или сжимающие усилия N. Находят их, пользуясь 4 общими правилами строительной механики и сопротивления t материалов. По расчетным значениям осевых усилий и изгибающих моментов подбирают сечения элементов конструкций. При этом прочностные свойства материалов (стали, бетона и др.) характеризуются расчетными сопротивлениями R, которые получают делением нормативных сопротивлений R^н на коэффициенты безопасности по материалу к. Этим учитывается отклонение сопротивления материалов конструкции от нормативного значения вследствие изменчивости свойств материала и их отличия от свойств контрольных образцов:

R=R^н1/к.

Величина 1/к<1 характеризует однородность свойств материала и ранее называлась коэффициентом однородности. Коэффициенты к при расчете конструкций по первому предельному состоянию приняты равными 1,3 для бетона, работающего в конструкциях на сжатие, и 1,5 при работе бетона на растяжение, например при проверке прочности бетонных фундаментов (но не железобетонных).

Коэффициенты безопасности по арматуре ка при расчете предельных состояний первой группы для стержневой ненапрягаемой арматуры класса A-II составляют 1,1, классов А-I и A-III - 1,15. Для высокопрочной проволоки, которой армируют струнобетонные опоры, к_а=1,55.

При расчете стальных конструкций (опор, ригелей), изготовляемых из мягкой стали класса С38/23 (марки ВСтЗ), коэффициент безопасности по материалу принимается равным 1,1, когда за нормативное сопротивление принимается предел текучести, т. е. R^н=σ_нт Если же допускается работа материала за пределом текучести и за нормативное сопротивление RHв принимается временное сопротивление, то при определении расчетного сопротивления стали коэффициент безопасности принимается равным 1,45.

Для того чтобы учесть специфику условий работы конструкции и ее элементов, введены коэффициенты условий работы Они понижают значения расчетных сопротивлений материалов, в результате чего появляются некоторые запасы прочности.

При проектировании основных элементов стальных конструкций контактной сети коэффициенты условий работы принимаются равными 0,8-0,9. Сжатые раскосы из одиночных уголков, анкерные устройства и анкерные болты рассчитываются с коэффициентом условий работы m=0,75, а стяжные болты, работающие на растяжение, - m=0,65.

Железобетонные опоры и фундаменты проектируются по общестроительным нормам, в которых расчетные сопротивления бетона назначены с учетом коэффициента условий работы m_б=1. Этот коэффициент принимается в тех случаях, когда конструкции эксплуатируются в условиях, благоприятных для нарастания прочности бетона, т. е. при влажности воздуха окружающей среды выше 75%. В остальных случаях его следуег принимать меньшим единицы. Влияние длительно действующей нагрузки, например чрезмерно большого продольного обжатия бетона усилием предварительного напряжения арматуры, а также попеременного замораживания и оттаивания в водонасыщенном состоянии, должно учитываться коэффициентами условий работы m_б=0,7÷0,95. Например, при эксплуатации конструкций в районах с расчетной зимней температурой наружного воздуха ниже минус 40° С коэффициент m_б=0,7, а при температуре от минус 5 до минус 20° С m_б=0,9.

При подборе сечения арматуры железобетонных опор и фундаментов коэффициент условий работы ее та принимается равным единице. Снижение прочностных свойств арматуры в процессе эксплуатации не предполагается.

Принятая система понижающих коэффициентов позволяет дифференцированно учитывать изменение прочностных свойств, материалов, условий работы конструкций, возможное превышение нагрузки над нормативным значением. Совместный учет этих коэффициентов обеспечивает некоторый запас прочности конструкций. Но в то же время оценить конкретно величину этого запаса при принятой методике расчета по предельным состояниям практически невозможно, так как указанные коэффициенты по сути своей отражают не запас прочности в явном виде, а вероятность отклонения расчетных значений от нормативных. В некоторых, хотя и очень редких, случаях эти отклонения в прочностных свойствах материалов и превышение нагрузки могут иметь место. Несущая способность конструкций, деформации или раскрытие поперечных трещин (у железобетонных опор) тогда окажутся близкими к предельным значениям. Поэтому считать, что все без исключения опоры, ригели, фундаменты даже в начальной стадии работы имеют запасы прочности, нет оснований. В определенных ситуациях этих запасов может и не быть. Но вероятность появления таких ситуаций чрезвычайно мала [43]. Подавляющая часть конструкций изготовляется из материалов с прочностью выше нормативной, которая определяется [31] так:

R^н=R(1-1,64υ),

где R - среднее значение прочности материала по результатам механических испытаний;

υ - коэффициент вариации, равный отношению среднего квадратичного отклонения к среднему значению.

Полученное по формуле (3.4) сопротивление имеет обеспеченность (доверительную вероятность) не менее 0,95, т. е. в 95% случаев прочность материалов не ниже нормативного сопротивления.

В целом принятая методика расчета строительных конструкций, в том числе и опор контактной сети но предельным состояниям, обеспечивает достаточно высокий уровень надежности, позволяет в большинстве случаев предусмотреть возможное снижение прочностных свойств материалов в тех или иных эксплуатационных условиях, рекомендует средства защиты от агрессивного воздействия окружающей среды. Но в то же время она не позволяет расчетом определить сроки службы конструкций. Количественные зависимости по варьированию свойств материалов получены только для стадии изготовления конструкций. Прямые методы уменьшения прочности и повышения деформативности материалов с течением времени в нормах пока отсутствуют. Это, с одной стороны, затрудняет прогнозирование долговечности вновь создаваемых сооружений и конструкций, а с другой - вносит неопределенность в регламентные мероприятия по обеспечению долговечности их на стадии эксплуатации. Б нормах проектирования нет указаний на то, как характеризовать износ эксплуатируемых конструкций или их частей, что считать предельной стадией работы в тех или иных условиях. Все это необходимо учитывать при оценке работоспособности разрушающихся в процессе эксплуатации конструкций. При этом следует обращать внимание на:

состояние материалов - оценивать изменения прочностных свойств и размеров поперечных сечений элементов с течением времени;

изменение механики работы конструкций в результате появления тех или иных повреждений.

Только полный учет этих двух факторов позволяет правильно охарактеризовать состояние опор, ригелей; фундаментов. В то же время нужно принимать во внимание то, что с достаточно высокой точностью определить прочностные свойства бетона, арматуры, уголковой стали довольно трудно. Поэтому расчет прочности будет не всегда целесообразен. Его следует производить лишь тогда, когда свойства материалов изменились незначительно по сравнению с начальными, а размеры сечений уменьшились существенно. Аналогично нужно поступать и при оценке опасности повреждений, изменяющих механику работы конструкций.

Наиболее рационально применять расчетные методы оценки прочности поврежденных конструкций к металлическим опорам и ригелям. Прочностные свойства стали при рассмотренных ранее видах коррозии не меняются, лишь уменьшаются сечения элементов. Методика расчета ригелей и опор относительно пробста и вполне может быть использована электрификаторами при оценке работоспособности металлических конструкций в конкретных условиях загружения эксплуатационной нагрузкой. Использование этого пути во многих случаях позволяет увеличить допуски по повреждениям по сравнению с рекомендациями действующей Инструкции [19], так как учитываются конкретные условия загружения во многих случаях более легкие, чем те, на которые рассчитывались типовые опоры и ригели.