АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ,

АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ
СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ,
ВЛИЯЮЩИХ НА ИХ НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
Кокодеев А.В., Раткин В.В.
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Аннотация:
В статье проведен обзор основных видов дефектов и повреждений
сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений. Приведена классификация
дефектов и повреждений по виду, по скорости развития до опасной стадии и по степени
опасности. Проанализированы причины появления и развития дефектов и повреждений
сталежелезобетонных конструкций мостов. Также приведены виды дефектов и
повреждений на отдельных элементах сталежелезобетонных пролетных строений мостов
– на стальной части и на железобетонной плите.
Ключевые слова: сталежелезобетон, транспортное сооружение, мост, дефект,
повреждение, конструкция, коррозия, хлориды, эксплуатация, долговечность
ANALYSIS OF THE CAUSES OF DEFECTS AND DAMAGE OF THE COMPOSITE
REINFORCED CONCRETE TRANSPORT CONSTRUCTION AFFECTING THEIR
CARRYING CAPACITY AND DURABILITY
Kokodeev A.V., Ratkin V.V.
Saratov State Technical University of a name of Gagarin Y.A.
Annotation:
The article provides an overview of the main types of defects and damage to composite
reinforced concrete transport constructions. A classification of defects and damage in appearance,
speed up the development of a dangerous stage and the degree of danger. Analyzed the reasons for
the appearance and development of defects and damages composite reinforced concrete bridges.
Also show the types of defects and damage to individual elements of composite reinforced concrete
bridge spans - a steel part and a reinforced concrete slab.
Keywords: composite reinforced concrete, transport construction, bridge, defect, damage,
structure, corrosion, chloride, maintenance, durability
Введение
Появление и, в дальнейшем, доминирование сталежелезобетонных конструкций в
транспортном строительстве обусловлены тем фактом, что традиционное развитие
металлических и железобетонных конструкций уже исчерпало себя. Совершенствование
классических конструкций из мономатериала (металла или железобетона) позволяет
сэкономить только 10-15% материала, в то время как есть потребность в гораздо большей
экономии. Достичь ее можно развивая комбинированные конструкции - на стыке между
железобетонными и металлическими [1].
В статьях [2-5] проведен обзор технологий сталежелезобетенных конструкций, их
применение в сфере транспортного строительства; рассмотрены вопросы безопасной
эксплуатации сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений в условиях
воздействия агрессивных (к прим. хлоридсодержащих) сред; предпринята попытка учета
влияния агрессивной среды на напряженно-деформированное состояние транспортного
сооружения на примере расчета изгибаемого сталежелезобетонного элемента,
подверженного хлоридной агрессии, с целью прогнозирования поведения конструкций
сооружения, а также возможности появления и развития на них повреждений.
В данной работе авторами проводится анализ и классифицирование причин и факторов,
влияющих на появления дефектов и повреждений на отдельных элементах
сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений.
Дефекты и повреждения сталежелезобетонных конструкций, влияющие на
их несущую способность и долговечность
К настоящему времени стальные и сталежелезобетонные мосты составляют
значительную часть от всего мостового парка России. Возраст большинства сооружений
исчисляется многими десятилетиями. В связи с этим неудивительно, что возрастает
количество сообщений и сведений об обнаружении различного рода дефектов и
повреждений на элементах конструкций мостов, которые в перспективе могут или уже
спровоцировали аварийные ситуации и нарушение безопасной эксплуатации сооружений. И
при этом, несмотря на статус объектов федерального значения, мосты в Российской
Федерации почти не подвергаются периодическим обследованиям и мониторингу, хотя
проведение данных мероприятий свело бы к минимуму расходы на возможные последующие
ремонты и реконструкции сооружения [6, 7].
Наиболее распространенными дефектами и повреждениями сталежелезобетонных
мостов являются [8, 9]:
 нарушение гидроизоляции плиты проезжей части;
 недостаточная толщина защитного слоя арматуры плиты проезжей части;
 коррозия арматуры, сколы и раковины бетона;
 усадочные трещины в плите;
 наличие пор и трещин в местах объединения плиты с балками;
 коррозия стальных элементов (балок и ферм);
 дефекты изготовления стальных конструкций, механические повреждения при
монтаже и эксплуатации;
 дефекты сварных швов в мостах постройки 70-х годов;
 коррозия опорных частей и их неправильная установка.
Классификация дефектов и повреждений сталежелезобетонных конструкций
Все дефекты и повреждения сталежелезобетонных конструкций транспортных
сооружений можно классифицировать по следующим признакам [10]:
1) По виду повреждений:
 повреждения, приводящие к изменению расчетной схемы (превращение
неразрезного пролетного строения в разрезное, распорной конструкции - в
безраспорную и т.д.);
 расстройство заклепочных соединений;
 дефекты соединений на высокопрочных болтах;
 усталостные повреждения в виде трещин в элементах;
 коррозионные повреждения;
 потеря местной или общей устойчивости отдельных элементов или их частей;
трещины;
 механические повреждения.
2) По скорости развития до опасной стадии:
 развивающиеся мгновенно (хрупкое разрушение, потеря устойчивости);
развивающиеся быстро (усталостные трещины);
 развивающиеся постепенно (коррозия элементов, расстройство болтовых и
заклепочных соединений)
3) По степени опасности:
 весьма опасные (трещины в элементах, потеря устойчивости отдельных
элементов, изменение расчетной схемы);
 опасные (расстройство болтовых и заклепочных соединений, сильная коррозия);
 малоопасные (дефекты окраски).
Причины
возникновения
сталежелезобетонных конструкций
и
развития
дефектов
и
повреждений
Причинами появления дефектов и повреждений является совокупность многих
факторов [11, 12]. Значительная их часть связана с проектно-конструкторскими ошибками,
к числу которых следует отнести:
 некорректные допущения;
 неточности принятых моделей, расчетных схем и расчетов сечений конструкций
и отдельных элементов;
 наличие неоднородностей, отклонений в расчетных характеристиках материалов
и не учет их изменений во времени;
 необеспеченность общей и местной устойчивости элементов конструкции
пролетного строения;
 не учет проектировщиками особенностей строительных операций, размыв и
осадка опор и т.д.
Также одними из причин возникновения и развития дефектов и повреждений являются
конструктивно-технологические ошибки, связанные с технологией изготовления и монтажа:
 несоблюдение технологии, некачественное выполнение элементов, конструкций
в целом, их соединений посредством сварных швов, высокопрочных болтов;
 появление чрезмерных просадок, прогибов деформаций и потеря элементами
конструкции устойчивости;
 ненадежность временных приспособлений, лесов и подмостей, их перегрузка;
 отсутствие качественного авторского надзора в период возведения сооружения.
Третья группа причин возникновения большого количества дефектов и повреждений
связана с содержанием и эксплуатацией сооружения:




отсутствие периодических мониторингов, освидетельствований и ухода за
мостами;
несвоевременное и некачественное выполнение ремонтов в связи с дефицитом
квалифицированных кадров;
изменением величин и продолжительности действия нагрузок;
недоучет воздействия окружающей среды и агрессивных веществ.
Перечисленные выше факторы ведут к разрушению элементов конструкции вследствие
водопроницаемости и коррозии, а также температурных воздействий, к появлению
усталостных, коррозионно-усталостных и хрупких трещин в соединениях стальных
элементов, несущих канатах и арматуре железобетонной плиты, к старению материалов.
Основными дефектами и повреждениями автодорожных сталежелезобетонных мостов,
снижающими их несущую способность и долговечность, как отмечалось ранее, являются
коррозия металла, усталостные и коррозионно-усталостные повреждения [11]. Процесс
коррозии металла связан с влажностью воздуха, температурой и составом атмосферы,
длительностью увлажнения металла, а также загрязнением воздуха агрессивными
компонентами в промышленных районах. Регулярные периоды замораживания и оттаивания
вкупе с разрушающим действием растворенных в морской воде солей являются причинами
износа элементов подводных конструкций сооружения, и, как следствие, ухудшения
эксплуатационных показателей моста в целом [13].
Анализ повреждений, аварий и катастроф мостов позволяет прийти к выводу, что
большинство из них можно предотвратить путем совершенствования расчетов, способов
изготовления и монтажа, повышение периодичности и эффективности обследований и
мониторинга, а также углубления уровня знаний об изменчивости свойств материалов, разработки инженерных методов оценки рабочего ресурса мостовых конструкций на всех стадиях
их работы.
Дефекты
и
повреждения
сталежелезобетонного моста
в
стальной
части
пролетного
строения
Опыт эксплуатации пролетных строений показывает, что постепенное разрушение
конструкции происходит от суммарного воздействия всех дефектов и повреждений. Как
следствие, сталежелезобетонные пролетные строения изменяют характер работы своей
расчетной схемы, заложенной на стадии проектирования. Расчетная схема конструкции в
зависимости от расположения и вида дефекта может измениться. Следовательно, можно
дифференцировать дефекты по степени влияния на работу пролетного строения. В таблице 1.1
приведены характерные дефекты и повреждения в стальной части пролетного строения [14].
Таблица 1.1
Вид дефекта (повреждения)
Местоположение дефекта (повреждения)
1
2
Непроваренные
швы
в
сварных В местах соединения вертикального листа
соединений
с нижним горизонтальным листом балок
Развивающиеся
дефекты
сварных
В сварных швах пролетного строения
соединений
По нижнему поясу балок со сплошной
Расслоение пакетов стыков
стенкой
Искривление
накладок,
образование Монтажные стыки блоков балок по
неплотностей
нижним поясам
Загрязнение поверхностей (скопление Нижние пояса главных балок, узлы
агрессивных реагентов)
прикрепления связей
1
Отдельные местные погнутости
Отсутствие
покраски,
коррозия
поверхностей всех металлоконструкций
Провисание балок
Необеспеченность
беспрепятственного
температурного перемещения
пролетного строения
Отслоение краски (с поверхностной
коррозией металла) под прямыми
водоотводными трубками
Погнутость нижнего элемента
Нарушение конструктивных требований
при монтаже перильных консолей
Дефекты и повреждения
сталежелезобетонного моста
2
Продольные и поперечные связи
Поверхность балок
Пролетные строения
Пролетные строения, опорные части
Нижние пояса главных балок
Вертикальные связи
Пролетные строения
железобетонной
плиты
пролетного
строения
Несущая способность сталежелезобетонных пролетных строений в значительной мере
зависит от состояния узлов, обеспечивающих объединение плиты с главной балкой. Из всех
элементов сталежелезобетонных мостов наиболее загруженным, подверженным воздействию
общих и местных временных многократно повторяющихся динамических нагрузок,
окружающей среды (температуры, агрессивной солевой среды), является железобетонная
плита проезжей части. Имеющийся опыт натурных исследований показывает, что именно
плита проезжей части наиболее часто определяет рабочий ресурс, долговечность и
надежность конструкций пролетного строения моста. В таблице 1.2 приведены характерные
дефекты и повреждения железобетонной плиты пролетного строения [14].
Вид дефекта (повреждения)
1
Разрушение защитного слоя бетона
с обнажением арматуры
Поверхностное разрушение бетона
без обнажения арматуры
Выбоины, наплывы, неровности покрытия
Продольные трещины,
непробетонированные участки стыков
Усадочные трещины
Нарушение соединения металлических
коробов и плит проезжей части
Поверхность с неглубокими раковинами
Разрушение плиты проезжей части вдоль
шва омоноличивания их с прогоном
Сплошное выщелачивание консолей плит,
включенных в совместную работу
с главными балками
Таблица 1.2
Местоположение дефекта (повреждения)
2
Железобетонная плита
Железобетонная плита
В районе деформационных швов
Поперечные стыки плиты проезжей части
Поверхность плиты
Железобетонная плита
Поверхность железобетонной плиты
Железобетонная плита
Железобетонная плита
Недостаточная толщина защитного слоя
Железобетонная плита
(арматура "просвечивает" или оголена)
Разрушение
арматуры
1
бетона
с
2
обнажением Консоли сборных плит проезжей части,
нижние поверхности и торцы
Продольные силовые трещины в плите,
поперечные усадочные трещины в плите
Трещины по контакту бетона
омоноличивания и основного бетона плит
Внутренние полости (пустоты)
Наклонные трещины
Некачественное заполнение продольного
шва между металлом и плитой
Наличие пустот под плитой проезжей
части
Хаотично расположенные трещины
Нижняя поверхность плит на участке
между главными балками
Стыки омоноличивания плит
В бетоне омоноличивания плит
Железобетонная плита
Железобетонная плита
Железобетонная плита
Поверхность железобетонной плиты
Особенность оценки надежности элементов сталежелезобетонных пролетных строений
заключается в том, что необходимо учитывать большое количество разнообразных факторов.
Исследования показывают, что решающими для железобетонных плит (с точки зрения
обеспечения их надежности) являются нестационарные динамические воздействия непосредственно колес автомобилей. Длительные, как правило, повышенные в сравнении с
проектными динамические ударные нагрузки ведут к снижению прочностных и
деформационных свойств бетона, расстройству стыковых соединений. В сочетании с
перегрузками от дополнительных слоев дорожной одежды в условиях физического и
морального износа происходит рост деформаций виброползучести, уменьшение величины
момента трещинообразования (до 20% и более) и, как следствие, к снижение долговечности
и надежности плиты [15].
Результаты
экспериментальных
исследований
сталежелезобетонных
мостов
показывают, что, несмотря на достаточно высокие пределы усталостной прочности
железобетонных плит и арматуры, составляющих в среднем 50 и 60% соответственно от
предельной разрушающей статической нагрузки, требуемая эксплуатационная надежность в
настоящее время, как правило, не обеспечена.
Железобетонная плита проезжей части работает в особенно неблагоприятном режиме и
претерпевает интенсивный физический износ в зоне стыковых соединений, деформационных
швов. Например, при относительно небольшой интенсивности движения по городскому
мосту, достигающей 5000 автомобилей в сутки, число циклов переменных напряжений
(ресурс) достигает 1,3106 что значительно выше нормируемой величины 2106. При этом в
ряде сечений плит возникают знакопеременные напряжения при высоком уровне максимальных напряжений и отрицательных значениях коэффициента асимметрии цикла, что
подтверждается наличием продольных трещин, участков разрушения бетона, наступлением
отказов плит [10].
Таким образом, для плиты проезжей части наиболее опасно: большое количество
трещин в продольных и поперечных швах плиты; наличие сколов и раковин; плохое качество
бетона, уложенного в окна сборной плиты; неудовлетворительное состояние гидроизоляции.
Сохранность арматуры в железобетоне плиты определяется высокой щелочностью
среды в бетоне, характеризуемой значением рН = 1213 [16, 17]. В этих условиях происходит
пассивация арматуры, образуется защитная пленка на металле, в присутствии же хлоридов
значение рН уменьшается до 75. Когда необходимая щелочность и пассивация нарушены,
начинается процесс коррозии арматуры. Хлоридсодержащие соединения могут
присутствовать в бетоне в виде связанного хлора, а также в виде ионов хлора. Связанный
хлор не реагирует с арматурой, однако, свободные хлор-ионы ускоряют процесс коррозии
стали. До применения солей в составе противогололедных средств проблема быстрого
коррозионного разрушения практически не возникала. Однако последующие решения,
связанные с обеспечением необходимой долговечности сталежелезобетонных мостов,
должны быть ориентированы на осуществление серьезных противокоррозионных
мероприятий, препятствующих проникновению хлор-ионов в бетон. При этом степень
противокоррозионной защиты в искусственных сооружениях должна быть выше, чем в
обычных железобетонных конструкциях. Это связано с тем, что применение арматуры
сравнительно небольшого диаметра уже при небольшой степени коррозии приводит к
снижению несущей способности сооружения. В то же время высокие напряжения в арматуре
делают сталь более чувствительной к воздействию коррозии [18].
Перечислим основные места и причины проникновения влаги на нижнюю поверхность
железобетонной плиты и металл балок:
 отверстия для штырей, поддерживающих опалубку при омоноличивании
железобетонной плиты проезжей части;
 швы омоноличивания между торцами плиты проезжей части;
 продольный шов по оси моста между плитами, не имеющих слезников, что
приводит к затеканию воды на нижнюю поверхность плиты и металлических
балок;
 водоотводные трубки недостаточной длины; места установки водоотводных
трубок, вокруг которых просачивается вода;
 отверстия для прохода кабеля судовой канализации с выщелачиванием бетона
вокруг отверстия;
 скол бетона на плите проезжей части с обнажением арматуры.
Появление дефектов облегчает проникание агрессивной среды вовнутрь конструкции
плиты проезжей части и способствует перераспределению усилий в сталежелезобетонном
пролетном строении моста. Следовательно, необходим учет не только геометрических
изменений, но и процесса деградации материалов конструкции во времени под влиянием
агрессивной среды.
Заключение
Отметим, что за последние несколько десятилетий в нашей стране и во всем мире было
построено значительное количество сталежелезобетонных транспортных сооружений, в том
числе мостов. В связи с этим возникает проблема безопасной эксплуатации сооружений с
учетом множества негативных факторов, учитывая возможное появление и развитие
дефектов и повреждений различного вида. В данной работе приведена классификация
дефектов и повреждений сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений.
Проведен анализ причин возникновения и развития различных видов дефектов и
повреждений, как в стальной части сталежелезобетонных конструкций мостов, так и в
железобетонной плите.
Список литературы:
Абовская С.Н. Новые пространственные сталежелезобетонные конструкции и
покрытия. - Красноярск: Стройиздат. Красноярск. Отд., 1992. - 240 с.
1.
Овчинников И.Г. Работоспособность сталежелезобетонных элементов конструкций в
условиях воздействия хлоридсодержащих сред / Овчинников И.Г., Раткин В.В., Гарибов
Р.Б. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002. - 156 с.
3.
Раткин В.В., Кокодеев А.В. Моделирование напряженно-деформированного
состояния сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений, находящихся под
воздействием агрессивных сред // Техническое регулирование в транспортном
строительстве. – 2014. – № 4 (8); URL: trts.esrae.ru/14-56
4.
Раткин В.В. Прогнозирование поведения изгибаемого сталежелезобетонного
конструктивного элемента с учетом деградационных процессов, вызванных воздействием
агрессивной хлоридсодержащей среды // Разработка методов расчета, диагностики,
проектирования, строительства, эксплуатации существующих и вновь создаваемых
сооружений: Сб. межвуз. конф. - Саратов, 2001. - С. 100-104. Деп. в ВИНИТИ 03.09.2001. №
1921-В2001.
5.
Раткин В.В. Коррозионно-механическая прочность сталежелезобетонных элементов
конструкций в условиях хлоридной агрессии (монография) // Раткин В.В., Овчинников И.Г.
деп. в ВИНИТИ, 20.02.01, № 425-В2001. - 210 c.
6.
Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Шеин А.А., Грацинский В.Г., Вдовин
К.М. Особенности подводного обследования транспортных сооружений. 1. Повреждения
подводной части транспортных сооружений // Интернет-журнал "Науковедение", 2013 № 6
(19) [Электронный ресурс]-М.: Науковедение, 2013 -.- Режим доступа: http://naukovedenie.ru/
PDF/ 49TVN613.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.
7.
Кокодеев А.В., Овчинников И.Г Обследование, мониторинг, выполнение ремонтных и
восстановительных работ на подводных частях транспортных сооружений // Интернетжурнал "Науковедение", 2014 №5 (24) [Электронный ресурс]-М. : Науковедение, 2014 -.Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/02KO514.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз.
рус., англ.
8.
Быстров В.А. Эксплуатация и надежность автодорожных и городских мостов // СанктПетербург: Изд-во С-ПбИСИ, 1993. - 129 с.
9.
Крамер Е.Л. Эксплуатация автодорожных мостов // Итоги науки и техники. Серия:
Автомобильные дороги. Т. 9. - М.: Транспорт, 1990. - С. 64-191.
10.
Быстров В.А., Шайкевич В.Л.. Прогнозирование надежности конструкций стальных и
сталежелезобетонных мостов. - Л.: ЛИСИ, 1989. - 96 с.
11.
Овчинников И.Г.,
Козлов И.Г., Кононович В.И.,
Фаизов Т.С.
Диагностика
транспортных сооружений. - Саратов: СГТУ, 1999. - 184 с.
12.
Овчинников И.Г. Обследования, ремонт и усиление оснований и фундаментов
транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, А.А Шеин, А.А. Пискунов. Учебное пособие,
Казань, изд-во КГАСА, 2005. 300 с.
13.
Кокодеев А.В., Овчинников И.Г. Обследование, оценка эксплуатационного состояния
подводных частей мостовых сооружений, особенности планирования и выполнения на них
ремонтных работ // Безопасность регионов – основа устойчивого развития: материалы
четвертой международной научно-практической конференции, г. Иркутск, 22-26 сентября
2014 г. / Иркутск: Изд-во Иркутск: ИрГУПС, 2014. – С. 247-252.
14.
Технические отчеты проектного подразделения "Волгопроектстроймост" ОАО
"Волгомост" по результатам обследований сталежелезобетонных мостов за 1986-2001 гг. –
Саратов: Изд-во ОАО «Волгомост», 2002 г. – 164 с.
15.
Новожилова Н.И. Прогнозирование надежности конструкций стальных и
сталежелезобетонных мостов / Новожилова Н.И., Быстров В.А., Шайкевич В.Л. - Л.: ЛИСИ,
1989. - 96 с.
16.
Horvath, А. Steel versus steel-reinforced concrete bridges: environmental assessment /
Aprad Horvath, Chris Hendrickson. Journal of Infrastructure Systems, Vol. 4, No.3, September,
1998. - P. 111-117.
2.
Horvath, A. Estimation of the environmental implications of construction materials and
designs using life cycle assessment techniques, PhD thesis, Dept. of Civ. and Envir. Engrg.,
Carnegie Mellon Univ., Pittsburgh, Pa. – 1997.
18.
Рояк Г.С. Обеспечение долговечности транспортных сооружений // Автомобильные
дороги. Информ. сб. Вып. 11. - М., 1994. - С. 7-8.
17.