А.М. УЗДИН, д.т.н., профессор; И.О. КУЗНЕЦОВА, к.т.н., доцент Е.С. ПРОНЬКИН, аспирант, (ПГУПС)
ОСОБЕННОСТИ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ МОСТОВ
Мосты имеют ряд важных особенностей, которые необходимо учитывать при разработке систем их сейсмоизоляции и сейсмогашения:
- Размещение сейсмоизоляции. Если в зданиях сейсмоизоляция размещается в уровне фундамента, то в мостах обычно в верхней части конструкции — между опорами и пролетным строением.
- Области защиты. В зданиях защищают часть системы выше сейсмоизолирующего слоя, а в мостах — ниже этого слоя. Пролетные строения обычно не требуют дополнительной защиты, а сейсмоизоляция должна снизить нагрузки на опоры.
- Особые требования по эксплуатации. На мосты действуют значительные эксплуатационные нагрузки от проезда транспортных средств, особенно на железнодорожных мостах. Тормозные нагрузки на одном из пролетов при наличии сейсмоизолирующих опорных частей приведут к большим взаимным смещениям пролетных строений и, следовательно, к расстройству пути на мосту.
- Специфические предельные состояния. Помимо обеспечения несущей способности защищаемых мостовых опор при сильных землетрясениях необходимо исключить сброс пролетных строений с опор и опрокидывание подвижного состава, а также исключить разрыв рельсовых плетей при умеренных землетрясениях и обеспечить сохранение положения дорожного полотна при слабых частых землетрясениях.
- Наличие временной нагрузки, которая определяет как поведение сооружения при землетрясении, так и его предельные состояния.
- Протяженность сооружения и неоднородность поля возмущения по его длине. Русловые опоры обычно расположены на слабых русловых отложениях, которые требуют повышения расчетной сейсмичности на балл, а береговые опоры располагаются на коренной породе, допускающей снижение сейсмичности на балл. В результате сейсмоизолирующие опоры под концами пролетного строения будут смещаться по-разному, что может привести к их разрушению или сбросу пролетного строения с опор.
- Различные динамические характеристики элементов мостового перехода. В систему входят подвижной состав, верхнее строение пути, пролетное строение, опорные (сейсмоизолирующие) части, опоры, фундамент и грунтовое основание. Каждый из названных элементов имеет свои жесткостные и демпфирующие характеристики, определяющие значения модальных частот и модального демпфирования.
Указанные особенности следует учитывать при подборе параметров и выборе технических решений систем сейсмоизоляции.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ
Все системы сейсмоизоляции можно разделить на две группы: простая сейсмоизоляция и объединяющая сейсмоизоляция.
В системах с простой сейсмоизоляцией каждое пролетное строение опирается на подвижную и сейсмоизолирующую опорные части. При этом система остается статически определимой и опоры работают независимо друг от друга. Неравномерность поля ускорений по длине моста сказывается только на ходе опорной части. Усилия в опорных частях от температуры определяются только силой трения в подвижных опорных частях. Системы с простой сейсмоизоляцией применяются в железнодорожных мостах в России и Казахстане.
В системах с объединяющей сейсмоизоляцией все опорные части податливые, то есть создают возвращающую силу. При этом мост представляет собой единую рамную систему с податливыми узлами. Эта система статически неопределимая, и в ней возникают усилия при изменении температуры и при взаимном смещении опор. Определенным достоинством такой системы являются меньшие по сравнению с простой сейсмоизоляцией взаимные смещения пролетных строений. Объединяющая сейсмоизоляция считается основной для автодорожных мостов во всем мире.
По способу создания возвращающей силы опорные части мостов, так же как и зданий, разделяются на упругие и гравитационные. В первых возвращающая сила является силой упругости, а во вторых — силой тяжести. В качестве упругих опорных частей обычно используют резиновые опорные части (РОЧ). В России, особенно для железнодорожных мостов, используются стальные пружины различного вида.
Параллельно с упругими элементами сейсмоизоляция должна включать демпферы. Так же как в сейсмо изолирующих системах для гражданского строительства, в мостах используют вязкие (гидравлические) и пластические демпферы, работающие за счет пластических деформаций материала или за счет трения между обжатыми элементами.
Представляется важным разделять полную и частичную сейсмоизоляцию. При полной сейсмоизоляции другое антисейсмическое усиление не требуется. При частичной сейсмоизоляции необходимо дополнительное усиление конструкции. Частичная сейсмоизоляция применяется и в гражданском строительстве. Так, при проектировании в 9-балльном районе достаточно легко снизить нагрузку на сейсмоизолированную часть в 2 раза (на балл). При этом для восприятия 8-балльного воздействия потребуется дополнительная арматура и крепежные детали. Для мостов подобная ситуация более актуальна. У железнодорожных мостов велики силы от торможения и поперечных ударов подвижного состава. Эти нагрузки могут превышать сейсмические нагрузки 7-балльных воздействий. В связи с этим нет смысла добиваться полной сейсмоизоляции. В железнодорожных мостах, как правило, невозможно достичь полной сейсмоизоляции не нарушив условия нормальной эксплуатации моста. При этом снижение сейсмических нагрузок на 30–40% за счет частичной сейсмоизоляции снимает до 80% стоимости антисейсмических мероприятий.
В соответствии с принципом поведения при землетрясениях различной силы сейсмоизоляцию также можно разделить на две группы: постоянная сейсмоизоляция и включающаяся сейсмоизоляция.
Постоянная сейсмоизоляция всегда находится в эксплуатации. Это основной способ сейсмоизоляции железнодорожных мостов в России. При условии ограничения гибкости опор с сейсмоизоляцией такое техническое решение может уменьшить только часть сейсмической нагрузки (40–60%), что зачастую вполне достаточно.
Другое решение предусматривает включение сейсмоизоляции только при сильных сейсмических нагрузках. Для этого в конструкцию вводятся выключающиеся элементы (связи). Такие конструкции используются в Европе и Японии. В этом случае опоры должны быть усилены, чтобы выдерживать нагрузки, предшествующие выключению связей и включению сейсмоизолирующих элементов.
ТОРМОЗНОЕ УСИЛИЕ ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ
1. Требования нормальной эксплуатации в отсутствии сейсмических воздействий
Для мостов требования нормальной эксплуатации сейсмоизолированного сооружения оказываются намного более важными, чем для объектов гражданского строительства. Сейсмоизолированный мост должен пропускать транспортные средства и не требовать увеличения эксплуатационных расходов. Между тем сейсмоизолирующие опорные части ведут к увеличению взаимных смещений пролетных строений и расстройству пути на мосту вследствие тормозных нагрузок, центробежных сил для мостов на кривой и поперечных ударов транспортных средств.
Для автодорожных мостов указанные вопросы можно считать решенными. В мире разработаны надежные деформационные швы, обеспечивающие расчетные взаимные смещения пролетных строений без ущерба для пути на мосту.
Для железнодорожных мостов вопрос представляется достаточно сложным. В нормах России есть ограничение податливости верха опоры. Смещение u от тормозной нагрузки должно удовлетворять условию (1)
где L — величина пролета. Это условие позволяет реализовать частичную сейсмоизоляцию для жестких опор. Если условие (1) не выполняется, необходим расчет моста с верхним строением пути на действие поперечных ударов и центробежной силы (для кривых участков пути). При этом оцениваются усилия в рельсах и перемещения пути относительно пролетного строения. Кроме того необходима оценка зазора при случайном изломе рельса. При отсутствии сейсмоизоляции этот зазор не должен превышать 8 см. Это условие должно сохраняться и для сейсмоизолированного моста. Для этого может понадобиться дополнительное крепление рельса к пролетному строению.
2. Требования нормальной эксплуатации при частых слабых землетрясениях
Эти требования аналогичны упомянутым в п. 1. Основное отличие состоит в том, что в качестве возмущения рассматривается расчетное проектное землетрясение и его сочетание с подвижной нагрузкой. Во втором случае следует обосновывать соответствующие коэффициенты сочетаний. В России при проектировании мостов поездная нагрузка берется с коэффициентом сочетаний 0,7, а сейсмическая — с коэффициентом 0,8.
3. Требования по ограничению повреждений при землетрясениях умеренной силы и повреждаемости (умеренное землетрясение или УЗ)
Обычно к умеренным землетрясениям относят землетрясения с повторяемостью раз в 300–500 лет. При таких землетрясениях допускается разрыв рельсовой плети и, как следствие, расчет моста без учета объединяющего действия пути. В опорах допускаются ограниченные повреждения. При отсутствии необходимых исследований расчет опор производится с коэффициентом предельных состояний К1 = 0,5. Для подвижного состава не допускается обезгруживание колес. 4. Требования по ограничению повреждений опор и пролетных строений при сильных землетрясениях (максимальное расчетное землетрясение или МРЗ)
Уровень ускорений при МРЗ назначается исходя из ответственности моста и сейсмической опасности территории. Обычно в России в качестве МРЗ принимают землетрясения с повторяемостью раз в 1000 лет. При действии МРЗ необходимо исключить:
- разрушение опор;
- разрушение опорных частей;
- опрокидывание подвижного состава.
Проверка прочности опор сейсмоизолированных мостов производится так же, как и несейсмоизолированных. Допускается производить расчеты по линейно-спектральной методике с коэффициентом редукции К1 = 0,25. При расчете с использованием акселерограмм землетрясений следует брать реальные диаграммы деформирования тела опоры и критерии ее разрушения. Полная сейсмоизоляция позволяет исключить усиление тела опоры для восприятия сейсмических нагрузок, и проверка прочности тела опоры носит формальный характер. При частичной сейсмоизоляции обычно удается снизить нагрузки на опоры примерно в 2 раза. При этом опоры, проектируемые в районах с сейсмичностью 9 баллов, приходится усиливать на действие землетрясений силой до 8 баллов. При расчете опор на действие МРЗ не учитывается (если это не предусмотрено проектом) объединение пролетных строений проезжей частью.
Расчет опорных частей является основным при проектировании систем сейсмоизоляции мостов. При этом рассчитывается перемещение опорной (сейсмоизолирующей) опорной части и ее работоспособность в процессе землетрясения.
