Проект реконструкции автодорожного перехода был разработан на основании технического задания ФГУП «Канал имени Москвы». Согласно техническому заданию, было необходимо создать условия безостановочного движения транспорта по автодорожному переходу в двух направлениях с обеспечением безопасной и беспрепятственной работы сотрудников Иваньковской ГЭС.

Здание администрации ГЭС, вид со стороны южного подхода
Здание администрации ГЭС, вид со стороны южного подхода

Мостовой переход через сооружения Иваньковской ГЭС был построен в 1937 году. По ряду своих свойств он не отвечает современным нормативным требованиям:

  • мост расположен на низовой стороне плотины;
  • водосливная часть плотины перекрыта балочными разрезными пролетными строениями расчетной длины 21 м (пролеты 1−8). Пролетные строения 2−8 имеют по две консоли длиной 2,875 м, пролетное строение 1 — только одну консоль над опорой 1. Полная длина пролета 1 — 24,325 м, пролетов 2−8 — 26,75 м.

Водосборы машинного зала перекрыты балочными разрезными одноконсольными пролетными строениями расчетной длины 13,65 м (пролеты 9−10). Длина консолей — 2,125 м. Полная длина пролетов — 16,25 м.

Пролетные строения моста, водосливная часть плотины, вид со стороны нижнего бьефа
Пролетные строения моста, водосливная часть плотины, вид со стороны нижнего бьефа
Пролетные строения моста, водосбросная часть плотины, вид со стороны нижнего бьефа
Пролетные строения моста, водосбросная часть плотины, вид со стороны нижнего бьефа
Поперечный разрез водосливной секции до реконструкции
Поперечный разрез водосливной секции до реконструкции
Поперечный разрез водосбросной секции до реконструкции
Поперечный разрез водосбросной секции до реконструкции

Пролетные строения выполнены из монолитного железобетона. Материалы пролетных строений по проектным данным — бетон марки 110 и арматура Ст3.

Мост был запроектирован под две полосы движения и имел ширину проезжей части 6 м. По краям проезжей части устроены тротуары повышенного типа. Верховой тротуар имеет ширину 0,85 м, низовой — 1,15 м.

Сооружение было рассчитано на нормативную нагрузку от подвижного состава Н10 и нормативную нагрузку от пешеходов на тротуарах интенсивностью 400 кгс/м2

Пролетное строение длиной 21 м (пролеты 1−8) в поперечном сечении состоит из четырех главных балок высотой 2,25 м в середине пролета и 2,35 м над опорой. Расстояние между главными балками в осях составляет 2 м. Толщина ребер балок — 0,6 м. Главные балки объединены между собой железобетонной плитой проезжей части толщиной 0,15 м и поперечными балками (диафрагмами).

Пролетное строение длиной 13,65 м (пролеты 9−10) в поперечном сечении состоит из трех главных балок высотой 1,5 м. Расстояние между главными балками в осях составляет 2,5 м. Толщина ребер балок — 0,6 м. Главные балки объединены между собой железобетонной плитой проезжей части толщиной 0,15 м и поперечными балками (диафрагмами).

При реконструкции моста производится уширение габарита проезжей части до 7,5 м и устройство тротуара с низовой стороны шириной 1,5 м, при этом ось моста после реконструкции смещается относительно оси моста до реконструкции на 0,5 м к низовой стороне.

Уширение моста в пределах пролетов 1−8 происходит за счет устройства монолитной железобетонной накладной плиты в границах проезжей части, которая включается в совместную работу с главными балками, а также за счет устройства металлической тротуарной консоли.

Железобетонная накладная плита после реконструкции имеет максимальную толщину по оси моста 0,28 м и уклоны поверхности в поперечном направлении 2.0%.

Балки пролетов 9−10 при усилении накладной плитой не обладают несущей способностью, достаточной для современных нагрузок. В проекте предусмотрена замена балок. Конструкции новых пролетных строений запроектированы сталежелезобетонными.

Далее в качестве примера приводится последовательность расчета пролетных строений водосливной части плотины мостового перехода.

Поперечный разрез водосливной секции после реконструкции
Поперечный разрез водосливной секции после реконструкции
Поперечный разрез водосбросной секции после реконструкции
Поперечный разрез водосбросной секции после реконструкции

По заданию на проект реконструкции сооружение должно воспринимать временные вертикальные нагрузки от транспортных средств класса А14 и Н14 в соответствии с ГОСТР 52748−2007.

Отметка верха ездового полотна моста 127 м.

Расчеты конструкций моста выполняются в соответствии со следующими нормативными документами:

  • СНиП 2.05.03−84* «Мосты и трубы»;
  • ГОСТ Р 52748−2007 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения»;
  • ВСН 51−88 «Инструкция по ушире-нию автодорожных мостов и путепроводов»;
  • а также на основе «Анализа состояния моста по результатам обследования и расчетов с предложениями по ремонту и дальнейшей эксплуатации», выполненного филиалом ОАО ЦНИИС «НИЦ МОСТЫ» в ходе инженерных изысканий по объекту.

В результате натурного обследования мостового перехода плотины Иваньковской ГЭС были обнаружены дефекты, снижающие его несущую способность на 5% (экспертная оценка). Было установлено, что грузоподъемность мостового перехода определяется грузоподъемностью его пролетных строений. Критическим компонентом напряженно-деформированного состояния пролетных строений являются изгибающие моменты в сечениях главных балок в середине пролета.

Оценка несущей способности производится с использованием зависимости: M < Mult, где:

  • M — экстремальные расчетные изгибающие моменты от эксплуатационных нагрузок в сечениях главных балок в середине пролета;
  • Mult — предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением.

Расчетные изгибающие моменты в сечениях главных балок в середине пролета от эксплуатационных нагрузок M определяются с учетом поэтапности работы пролетного строения на стадиях возведения (реконструкции) и эксплуатации по причине того, что на этих стадиях сечения конструкций обладают различными жесткостными характеристиками, то есть конструктивная схема является внутренне статически неопределимой.

На стадии возведения (реконструкции) пролетного строения учитываются постоянные нагрузки:

  1. От собственного веса основных несущих конструкций пролетного строения до реконструкции (главных балок, поперечных балок, плиты проезжей части, но с исключением веса демонтируемых тротуарных консолей у крайних балок).
  2. От собственного веса укладываемой накладной плиты.

На стадии эксплуатации учитываются постоянные нагрузки:

  1. От веса нового мостового полотна.
  2. От веса барьерных ограждений.
  3. От веса парапетов.

Также на стадии эксплуатации учитываются и временные длительно действующие вертикальные нагрузки:

  1. От подвижного состава на автомобильных дорогах (А14, Н14).
  2. От пешеходов.

Рассматриваются следующие схемы нагружений временными нагрузками:

  • вариант 1 — движение транспортных средств и пешеходов без каких-либо ограничений;
  • вариант 2 — временное стеснение габарита проезда;
  • вариант 3 — пропуск специальных транспортных средств в одиночном порядке.

Расположение временных нагрузок по схемам нагружений осуществляется для каждой балки в отдельности в соответствии с построенными для их сечений поверхностями влияния изгибающих моментов и условиями ГОСТ Р 52748−2007 таким образом, чтобы получить экстремальные значения изгибающих моментов.

Конструктивная схема пролетного строения моста водосливной части плотины
Конструктивная схема пролетного строения моста водосливной части плотины

На стадии эксплуатации жесткость накладной плиты включается в состав жесткостей конструкций пролетного строения.

Поскольку геометрическая схема пролетного строения на обеих стадиях не изменяется, а жесткость накладной плиты, включенная в состав жесткостей конструкций пролетного строения, на стадии эксплуатации распределяется по всей схеме равномерно, то результаты поэтапного расчета отразятся на перераспределении напряжений по сечениям элементов и на деформациях конструкции, но не повлияют на перераспределение внутренних усилий между элементами.

Эпюра нормальных напряжений в сечении главной балки в середине пролета от полной нагрузки
Эпюра нормальных напряжений в сечении главной балки в середине пролета от полной нагрузки

Напряжения в сечениях элементов между той частью, которую представляет накладная плита, и частью усиливаемого сечения распределяются крайне неравномерно, поэтому проверку по прочности и по трещиностойкости этих конструкций необходимо производить раздельно.

Определение части изгибающего момента, которая приходится непосредственно на балку, производится по наибольшим растягивающим напряжениям, возникающим в сечении с учетом жесткости накладной плиты на стадии эксплуатации, по следующей формуле:

где:

  • М1 - изгибающий момент в сечении главной балки в середине пролета на стадии возведения;
  • M2max - изгибающий момент в сечении главной балки в середине пролета на стадии эксплуатации, максимальный из различных схем нагружения;
  • I1 - момент инерции сечения главной балки без учета площади накладной плиты;
  • I2 - момент инерции сечения главной балки с учетом площади накладной плиты;
  • Y1max - расстояние от центра тяжести сечения главной балки без учета площади накладной плиты до наиболее растянутой грани балки;
  • Y2тах - расстояние от центра тяжести сечения главной балки с учетом площади накладной плиты до наиболее растянутой грани балки.
Поперечные сечения главной балки без накладной плиты и с накладной плитой, армирование
Поперечные сечения главной балки без накладной плиты и с накладной плитой, армирование

Предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением главной балки в середине пролета Mult, определяется по геометрическим характеристикам сечения без учета площади накладной плиты в соответствии со схемой армирования, принятой в проекте, то есть с учетом расположения, количества и диаметров стержней арматуры. В качестве материалов строительных конструкций принимаются:

  • бетон класса по прочности B20;
  • арматурная сталь класса AI в соответствии с «Инструментальными исследованиями примененного бетона и арматуры», выполненными филиалом ОАО ЦНИИС «НИЦ МОСТЫ». При определении предельного изгибающего момента учитывается снижение несущей способности сечений на 5% (экспертная оценка).

Предельный изгибающий момент вычисляется в соответствии с п. 3.62 и п. 3.63 СНиП 2.05.03−84* «Мосты и трубы» как для тавровых сечений с плитой в сжатой зоне при ξ =x/h0 < ty в зависимости от положения границы сжатой зоны по следующим формулам:

  1. Если граница сжатой зоны проходит в плите, то есть соблюдается условие:
    Rs < Rb·bf'·x + Rsc·As',
    расчет производится как для прямоугольного сечения шириной bf:
    Mult = Rb·b·x·(h0 - 0.5·x) + Rsc·As'·(h01-as'),
    при этом высота сжатой зоны бетона х определяется по формуле:
    Rs·As - Rsc·A's = Rb·b·x.
  2. Если граница сжатой зоны проходит в ребре, то есть условие пункта 1 не соблюдается, расчет выполняется по формуле:
    Mult = Rb·b·x(h0 % 0.5·x) + Rb·(bf' % b) hf'·(h0 - 0,5·hf') + Rsc·As'·(h01 - as'),
    при этом высота сжатой зоны бетона х определяется по формуле:
    Rs·As - Rsc·As' = Rb·b·x + Rb·(bf' - b) hf'.

Расчетные схемы пролетных строений представляют собой линейно-упругие пространственные модели несущих конструкций для вычисления в них деформаций и внутренних усилий от заданных нагрузок по методу конечных элементов.

Конструкция плиты проезжей части представлена четырехугольными четырехузловыми конечными элементами пологих оболочек, работающих без учета деформаций сдвига по теории Кирхгофа.

Расчетная схема пролетного строения: изометрия, вид сверху
Расчетная схема пролетного строения: изометрия, вид сверху

Конструкции главных и поперечных балок представлены двухузловыми пространственными стержневыми конечными элементами, работающими без учета деформаций сдвига по модели Бернулли.

Для передачи усилий между элементами оболочек плиты проезжей части и стержневыми элементами поддерживающих их балок с учетом эксцентриситета, равного расстоянию по высоте между продольной осью балки и срединной плоскостью плиты, в начале и в конце каждого стержневого элемента балки вводятся вертикальные элементы повышенной жесткости (модуль упругости увеличивается на три порядка относительно модулей упругости других элементов), соединяющие эти узлы с соответствующими узлами элементов оболочек и имеющие соответствующие длины. Этот прием моделирует работу абсолютно жестких тел с ведущими узлами, расположенными на оси балки, и ведомыми узлами, находящимися на срединной плоскости плиты проезжей части.

Сетка конечных элементов построена в плане на осях главных и поперечных балок и наружного контура пролетного строения на уровне срединной плоскости плиты проезжей части. Характерная разбивка сетки конечных элементов плиты проезжей части — 0,25 м по оси X и 0,1 м по оси X за исключением полосовых зон над балками, где выделяется ширина балок, и полосовых зон над вутами плиты, где выделяется ширина вутов, для присвоения конечным элементам плиты в этих зонах соответствующих жесткостных характеристик. Разбивка сетки конечных элементов балок соответствует разбивке сетки конечных элементов плиты.

Жесткостные характеристики конечных элементов определяются в зависимости от физико-механических характеристик материалов строительных конструкций и геометрических характеристик их поперечных сечений. Для линейноупругой модели несущих конструкций, материал которых считается изотропным, основными физико-механическими характеристиками являются модуль упругости и коэффициент Пуассона.

В качестве материала строительных конструкций пролетных строений используются:

  1. Для главных балок, поперечных балок, плиты проезжей части и накладной плиты в составе сечений последних:
    • бетон класса по прочности B20, сталь арматурная класса AI;
    • принимается модуль упругости бетона E = 2,75 • 106 тс/м2, коэффициент Пуассона V = 0,2.
  2. Для металлической тротуарной консоли:
    • сталь прокатная 15ХСНД;
    • принимается модуль упругости стали E=2,1−107 тс/м2, коэффициент Пуассона V = 0,3.

Геометрические характеристики поперечных сечений главных балок, поперечных балок, плиты проезжей части и накладной плиты в составе сечений последних (площади, моменты инерции и др.) вычисляются по заданным параметрам, отвечающим их типам.

Параметрами прямоугольных сечений стержневых элементов балок являются высота и ширина, параметром элементов оболочек плиты проезжей части — толщина.

Значения параметров поперечных сечений соответствуют значениям, описанным выше, в конструктивных схемах пролетных строений.

Нагрузки, действующие на рассчитываемые конструкции, задаются в виде узловых сил, а также местных трапециевидных и распределенных сил с расчетными значениями. По характеру и типу воздействия нагрузки объединяются в соответствующие загружения.

Постоянные нагрузки:

  • загружение 1 — собственный вес основных несущих конструкций;
  • загружение 2 — собственный вес конструкций усиления на стадии возведения (реконструкции);
  • загружение 3 — собственный вес конструкций усиления на стадии эксплуатации;
  • загружение 4 — вес мостового полотна;
  • загружение 5 — вес барьерного ограждения;
  • загружение 6 — вес парапетов.

Временные нагрузки на стадии эксплуатации:

  • загружение 7 — от подвижного состава А14: Mmax для балок Б3, Б4;
  • загружение 8 — от подвижного состава А14: Mmax для балок Б1, Б2. Схема нагружений — вариант 2:
  • загружение 9 — от подвижного состава А14: Mmax для балок Б3, Б4;
  • загружение 10 — от подвижного состава А14: Mmax для балок Б1, Б2. Схема нагружений — вариант 1:
  • загружение 11 — от пешеходов на тротуарах. Схема нагружений — вариант 3:
  • загружение 12 — от подвижного состава Н14: Mmax для балок Б3, Б4;
  • загружение 13 — от подвижного состава Н14: Mmax для балок Б1, Б2.
Исходные данные кинематического метода построения поверхностей влияния
Исходные данные кинематического метода построения поверхностей влияния
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б3, план
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б3, план
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б3, виды с фасада и торца пролетного строения
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б3, виды с фасада и торца пролетного строения
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б4, план
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б4, план
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б3, виды с фасада и торца пролетного строения
Поверхность влияния изгибающего момента в сечении стержневого элемента ребра главных балок Б3, виды с фасада и торца пролетного строения
Загружение 7, нагрузки от А14 по варианту 1 для главных балок Б3, Б4
Загружение 7, нагрузки от А14 по варианту 1 для главных балок Б3, Б4
Загружение 9, нагрузки от А14 по варианту 2 для главных балок Б3, Б4
Загружение 9, нагрузки от А14 по варианту 2 для главных балок Б3, Б4
Загружение 11, нагрузки от пешеходов по варианту 1
Загружение 11, нагрузки от пешеходов по варианту 1
Загружение 12, нагрузки от Н14 по варианту 3 для главных балок Б3, Б4
Загружение 12, нагрузки от Н14 по варианту 3 для главных балок Б3, Б4

Схема нагружений — вариант 3:

  • Для получения экстремальных показателей напряженно-деформированного состояния системы, на которую действуют несколько загружений, при расчете конструкций каждого пролетного строения вычисляются комбинации загружений.

При расчете пролетных строений полной длины 26,75 м вычисляются 14 комбинаций загружений, которые состоят из двух групп по 7 комбинаций каждая:

  • первая группа включает комбинации (1−7) с расчетными значениями нагрузок для расчетов по предельным состояниям первой группы;
  • вторая группа включает комбинации (8−14) с нормативными значениями нагрузок для расчетов по предельным состояниям второй группы.

Комбинации загружений 1 и 8 учитывают постоянные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии возведения (реконструкции):

  • загружение 1 — собственный вес основных несущих конструкций;
  • загружение 2 — собственный вес конструкций усиления на стадии возведения (реконструкции).

Комбинации загружений 2−7 и 9−14 учитывают постоянные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии эксплуатации:

  • загружение 3 — собственный вес конструкций усиления на стадии эксплуатации;
  • загружение 4 — вес мостового полотна;
  • загружение 5 — вес барьерного ограждения;
  • загружение 6 — вес парапетов.

Комбинации загружений 2 и 9 учитывают временные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии эксплуатации по варианту 1 схемы нагружений и вызывающие экстремальные значения изгибающих моментов в поперечных сечениях, расположенных в середине пролетов главных балок 3 и 4:

  • загружение 3 — собственный вес конструкций усиления на стадии эксплуатации;
  • загружение 4 — вес мостового полотна;
  • загружение 5 — вес барьерного ограждения;
  • загружение 6 — вес парапетов.

Комбинации загружений 2 и 9 учитывают временные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии эксплуатации по варианту 1 схемы нагружений и вызывающие экстремальные значения изгибающих моментов в поперечных сечениях, расположенных в середине пролетов главных балок 3 и 4:

  • загружение 7 — от подвижного состава А14;
  • загружение 11 — от пешеходов на тротуарах.

Комбинации загружений 3 и 10 учитывают временные нагрузки по варианту 2 схемы нагружений для главных балок 3 и 4:

  • загружение 9 — от подвижного состава А14.

Комбинации загружений 4 и 11 учитывают временные нагрузки по варианту 3 схемы нагружений для главных балок 3 и 4:

  • загружение 12 — от подвижного состава Н14.

Комбинации загружений 5 и 12 учитывают временные нагрузки по варианту 1 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:

  • загружение 8 — от подвижного состава А14;
  • загружение 11 — от пешеходов на тротуарах.

Комбинации загружений 6 и 13 учитывают временные нагрузки по варианту 2 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:

  • загружение 10 — от подвижного состава А14.

Комбинации загружений 7 и 14 учитывают временные нагрузки по варианту 3 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:

  • загружение 8 — от подвижного состава А14;
  • загружение 11 — от пешеходов на тротуарах.

Комбинации загружений 6 и 13 учитывают временные нагрузки по варианту 2 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:

  • загружение 10 — от подвижного состава А14.

Комбинации загружений 7 и 14 учитывают временные нагрузки по варианту 3 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:

  • загружение 13 — от подвижного состава Н14.
Схема для определения изгибающих моментов в конструктивном тавровом сечении главной балки
Схема для определения изгибающих моментов в конструктивном тавровом сечении главной балки

Расчеты конструкций пролетных строений выполняются с использованием программного комплекса SCAD версии 7.31R5 в следующей последовательности:

  1. По соответствующим комбинациям загружений определяются значения внутренних усилий в прямоугольном сечении стержневого конечного элемента главной балки в середине пролета:
    • Nx — продольной силы,
    • Му — изгибающего момента.
    Для получения изгибающих моментов M1 и М2 в конструктивном тавровом сечении главной балки и определения ширины полки используются следующие гипотезы: равнодействующая мембранных сил в конечных элементах оболочки плиты проезжей части Nfx уравновешивает нормальную силу Nx в стержневом конечном элементе балки и приложена в центре плиты, деформация конструктивного таврового сечения главной балки определяется на основе линейной эпюры напряжений в прямоугольном сечении стержневого конечного элемента, то есть применяется подход, основанный на гипотезе плоских сечений.
    Тогда изгибающие моменты M1 (M2) и ширина Bf полки таврового сечения вычисляются по формулам:
  2. Экстремальные расчетные изгибающие моменты M вычисляются по формуле:
  3. Производится оценка несущей способности.
    Сопоставление экстремальных расчетных изгибающих моментов в сечениях главных балок в середине пролета с предельными изгибающими моментами, воспринимаемыми сечениями, показывает, что несущая способность пролетных строений 2−8 при принятых методах реконструкции достаточна для пропуска современных нагрузок А14 и Н14 без ограничений:
Таблица результатов расчета
Усилия и напряжения элементов при комбинации нагружений, т, м
Номер эл. Номер сечен. Номер комб. Усилия и напряжения
N Му Ml, МП М11 max М
Б4 (14221) 1 1 140,103 182,8 330,270
2 111,512 153,892 272,635 283,994 554,732
3 115,453 161,064 283,994
4 99,6419 139,303 245,396
8 127,493 166,348 300,545
9 90,2827 124,609 220,746 230,175 482,469
10 93,5541 130,562 230,175
11 92,7063 129,716 228,424
БЗ (14387) 1 1 134,501 181,486 323,054
2 97,049 135,399 238,733 238,733 511,743
3 94,836 133,768 234,738
4 79,9274 112,07 197,171
8 122,396 165,152 293,979
9 78,6371 109,734 193,464 193,464 446,888
10 76,8003 108,381 190,148
11 74,4925 104,36 183,675
Б2 (14553) 1 1 135,163 181,567 323,833
5 85,8725 114,862 206,325 211,782 491,220
6 87,6507 118,433 211,782
7 74,3975 99,849 179,088
8 122,998 165,226 294,687
12 69,6066 93,1317 167,270 171,799 430,473
13 71,0825 96,0953 171,799
14 69,8761 93,7749 168,198
Б1 (14716) 1 1 142,793 183,164 333,468
5 77,0238 93,6804 175,786 206,223 496,461
6 87,6883 112,796 206,223
7 73,2159 94,3603 172,366
8 129,942 166,679 303,456
12 62,4237 75,9768 142,519 167,782 436,066
13 71,2752 91,8433 167,782
14 69,1402 89,735 163,394
M_ult= 651,51
Георгий Едигаров
ООО НПФ «СКАД СОФТ»