Глава 1. Тематические исследования потери устойчивости в мостостроении
Литературный обзор разрушений объектов в следствии потери устойчивости
В данном разделе собраны примеры разрушения мостовых конструкций в следствии потери устойчивости в одном из элементов. Следует отметить, что эти данные взяты из открытых источников. Основным критерием их отбора является доказанный факт разрушения в виде потери устойчивости.
Разрушение Квебекского моста через реку Святого Лаврентия в 1907 году демонстрирует, что потеря устойчивости мостов во время строительства не являются современным явлением. Действительно, обрушение мостов как во время строительства, так и во время эксплуатации стало главным стимулом при разработке технических условий проектирования и строительства, которые мы используем сегодня.
Однако, несмотря на прогресс в инженерных знаниях и технических характеристиках, сбои во время строительства продолжают происходить, о чем свидетельствуют приведенные ниже примеры. Сюда относятся не только случаи полного или частичного обрушения, но также и прогиб моста или локальная потеря устойчивости элементов, требующие принятия мер по исправлению положения. Рассмотренные сбои иллюстрируют важность надлежащего решения проблемы устойчивости пролетных строений как посредством анализа, так и внимания к практике строительства в полевых условиях и деталям монтажа, отмечая, что часто присутствуют предупреждающие признаки потенциальных проблем. Приведем два наиболее характерных примера разрушения мостов.
Пример 1. МАРШРУТ 17, НЬЮ-ЙОРК (2010)
Строящееся сооружение представляло из себя стальной мост с параллельными балками и ортотропной плитой, выполненный по неразрезной двухпролетной схеме, по которому планировалось провести шоссе «I-86» в штате Нью-Йорк.
Каждая балка была изготовлена из трех сегментов, с центральной секцией, проходящей через опору, и двумя концевыми частями, которые начинались в местах крепления и заканчивались у опор. Балки были установлены на временных стальных опорных каркасах, расположенных по обе стороны сооружения. Каждая рама состояла из двух стальных башен и одной стальной опорной балки типа W33, проходящей между башнями в простой конфигурации пролета. Балка W33 опиралась на связь типа W12 на вершине каждой башни. Каждая рама была расположена на двух деревянных распределительных площадках, по одному у основания каждой башни (1.1).
Центральные пять сегментов балок над опорой были возведены в четверг летом, и, как сообщается, были установлены все поперечные рамы и диагонали нижних фланцев, но с частично болтовыми соединениями. Из-за плохого прогноза погоды на пятницу никаких дополнительных работ не планировалось. В субботу вечером ответственный инженер был уведомлен о громком взрыве и, прибыв на место, обнаружил, что балки моста ненадежно закреплены на насадке опоры и частично разрушенная опора, как показано на рисунке 1.1. Погода с момента возведения и до обрушения не была чем-то необычным: ветер дул в среднем со скоростью от 7 до 10 миль в час, а иногда порывы достигали 25 миль в час.
Последующий судебно-инженерный анализ, проведенный заказчиком, выявил многочисленные проблемы с временным креплением. Были выявлены недостатки в несущей способности опорной балки W33 к боковому изгибу при кручении, а также к локальному деформированию полотна и податливости в тех местах, где балки моста опирались на верхний фланец W33. Кроме того, расследование установлено, что передаточная балка W12 в верхней части каждой башни имела недостаточную прочность на изгиб, а штифты, используемые для соединения сегментов опорной башни вместе, были значительно перенапряжены. Анализ данных обследования до и после аварии показал, что одна из распределительных площадок, поддерживающих одну из временных опор, просела на 3 с половиной дюйма (около 90мм) между моментом монтажа и расследованием. В данном примере потеря устойчивости произошла во вспомогательной констрнукции.
Рисунок 1.1 - Маршрут 17 Разрушенные опоры и балки
Пример 2. МАРСИ БРИДЖ, НЬЮ-ЙОРК (2002)
Мост Марси был спроектирован таким образом, чтобы перекинуться примерно на 170 футов (50 метров) через скоростную автомагистраль в штате Нью-Йорк, и должен был служить пешеходным мостом. Мост был спроектирован как составная конструкция, включающая стальную коробчатую балку с монолитным бетонным настилом шириной 14 футов (4,3 метра). Поперечное сечение моста, включая опалубку настила.
Рисунок 1.2 – Разрушение объекта в 2004
Конструкция рухнула во время укладки бетонного слоя осенью 2002 года, в то время, когда бетонная укладка достигла примерно середины пролета. В результате обрушения один человек погиб и девять получили серьезные травмы. Конструкция состояла из одной трапециевидной стальной балки-ванны с композитным железобетонным настилом. Мост был прямым в плане. Последующее судебно-медицинское исследование установило, что причиной отказа было поперечное изгибание стальной балки-ванны при кручении, в котором участвовало все поперечное сечение балки, в отличие от типичного способа разрушения только компрессионных фланцев. Такие мосты особенно подвержены такому типу поломок, поскольку они очень гибкие в режиме скручивания перед упрочнением настила. Вид моста в плане, показывающий расположение стоек и K -образных расчалок, показан на рисунке 1.3. Расстояние между внутренними креплениями было достаточным для предотвращения прогиба бокового фланца.
Рисунок 1.3 - План моста Марси
Поскольку центр сдвига балки расположен ниже поперечного сечения балки, строительные нагрузки могут создавать нагрузки на кручение в открытом поперечном сечении. Соотношение момент инерции относительно вертикальной оси y по сравнению с моментом инерции относительно горизонтальной оси x для балки составлял 1,75, и, следовательно, изгиб при боковом кручении не рассматривался как способ разрушения. Однако ванночный мост Marcy bridge вел себя как двойной двутавровый мост из-за отсутствия крепления верхнего фланца. Поперечные рамы не обеспечивали внеплоскостной жесткости, позволяя каждой балке прогибаться по отдельности, и все поперечное сечение балки ванны не выдержало глобального поперечного изгиба при кручении.
Рисунок 1.4 Поперечное сечение моста Марси - включая опалубку
Можно было бы сделать несколько вещей, чтобы избежать этого коллапса. Структурный анализ поведения моста во время укладки бетона показал бы, что для обеспечения устойчивости до тех пор, пока бетон не достигнет достаточной прочности, требовались временные опорные конструкции, такие как опорные башни. При желании можно было бы добавить дополнительное боковое крепление верхнего фланца для создания квазизакрытого поперечного сечения и увеличения общей поперечной жесткости на изгиб для предотвращения прогиба. В издании 1978 года US Steel, озаглавленном "Стальные/бетонные композитные коробчатые балочные мосты", Руководство по строительству, рекомендуется боковая система с внутренним верхним фланцем во всю длину, охватывающая более 150 футов. В качестве третьего варианта можно было бы использовать стационарную опалубку, сконструированную таким образом, чтобы она служила боковым креплением верхнего фланца. На мосту действительно использовалась несъемная опалубка; однако опалубка и ее соединение с верхними фланцами не были спроектированы таким образом, чтобы обеспечить поперечную прочность и жесткость, необходимые для предотвращения прогиба балки.
Одним из последствий обрушения моста Марси стало требование Нью-йоркского Министерство транспорта в 2003 году чтобы все балки для ванн были оснащены системой поперечных креплений по всей длине. Аналогичные положения впоследствии были также включены в AASHTO.
Пример 3. ОБРУШЕНИЕ ПУТЕПРОВОДА НА КМ 72 ТРАССЫ ОБСКАЯ – БОВАНЕНКО НА ПОЛУОСТРОВЕ ЯМАЛ, 02.01.2008 Г
2 января 2008 года на строительной площадке в Приуральском районе Ямало-Ненецкого автономного округа произошел трагический случай. На 72-м км автодороги Обская-Бованенко обрушилась эстакада с разрушенной опорой до обрушения 45-метрового пролета. После обследования были сделаны выводы о том, что авария произошла из-за сильного бокового ветра, в результате которого одна из опор путепровода потеряла устойчивость. При обрушении пролет упал на стоящий под путепроводом грузоподъемный кран, в результате погиб крановщик.
Рисунок 1.5 Обрушение путепровода на км 72 трассы обская – Бованенко на полуострове Ямал