Top.Mail.Ru

Rails Torg

Специальная сейсмозащита железнодорожных мостов

Цикл статей:
Глава 1 – Специальная сейсмозащита железнодорожных мостов

Глава 2 – Исследование работы верхнего строения пути на мостах с элементами сейсмоизоляции при эксплуатационной нагрузке

Глава 3 – Анализ поведения сейсмоизолированных железнодорожных мостов при действии проектного и максимального расчетного землетрясения

Глава 4 – Технические решения сейсмозащиты железнодорожных мостов

Введение

Актуальность темы исследования. Сейсмоизоляция в настоящее время является одним из основных средств обеспечения сейсмостойкости мостов, особенно при сейсмичности 8 и более баллов. При этом между пролетным строением и опорой устанавливаются податливые или скользящие сейсмоизолирующие опорные части. Обычно для этого используются резиновые или сферические опорные части, которые обеспечивают значительные взаимные смещения между пролетным строением и опорой. Хотя указанное решение хорошо известно и применяется практически во всех странах, его применение до сих пор ограничивается автодорожными мостами. Это связано с тем, что большие взаимные смещения пролетного строения и опоры приводят к расстройству верхнего строения пути на мосту и могут быть причиной разрыва рельсовых плетей при эксплуатационных нагрузках, вызванных центробежной силой и поперечными ударами подвижного состава.

Обеспечение сейсмоизоляцией железнодорожного моста приводит к весьма существенной экономии при строительстве опор. В районах сейсмичностью 8 и более баллов стоимость опор может быть снижена на 40-50%, однако на первый взгляд задача сейсмоизоляции железнодорожного моста кажется неразрешимой.

Степень разработанности темы исследования. В практике проектирования известны единичные случаи применения сейсмоизоляции на железнодорожных мостах. При этом сейсмоизолирующие опорные части блокируются специальными элементами и не работают при эксплуатационных нагрузках. Такие решения повышают сейсмостойкость мостов только при действии редких сильных землетрясениях и требуют усиления опор на действие проектных землетрясений. В настоящее время проводятся серьезные исследования по применению сейсмоизоляции на железнодорожном транспорте, прежде всего в Италии и Японии, однако эти результаты не привели пока к решению задачи сейсмоизоляции железнодорожных мостов.

В России также отсутствуют проекты сейсмоизолированных железнодорожных мостов. Это обусловлено тем, что российские нормы (СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы, п. 5.47) содержат ограничения на смещения пролетного строения относительно опоры. Нормы требуют, чтобы величина взаимного смещения u была:

При таком жестком ограничении период колебаний моста не должен превосходить величину порядка 1.1-1.3 с, а парциальный период существующих опорных устройств составляет 2-4 с.

Целью работы явилось обоснование возможности применения сейсмоизоляции для железнодорожных мостов и разработка технических решений, обеспечивающую как сейсмоизоляцию моста, так и нормальную эксплуатацию верхнего строения пути. Для достижения поставленной цели пришлось решить следующие задачи:

  1. Оценить работу верхнего строения пути сейсмоизолированного железнодорожного моста при горизонтальных нагрузках от торможения и поперечных ударов;
    1. Оценить работу верхнего строения пути при проектном и максимальном расчетном землетрясении;
    1. Разработать общие требования к системам сейсмоизоляции железнодорожных мостов;
    1. Разработать техническое решение сейсмоизоляции моста, обеспечивающее сейсмоизоляцию моста и нормальную эксплуатацию верхнего строения пути.

Научная новизна работы, отражающая ее теоретическую значимость,

состоит в следующем:

1. Впервые проанализирована работа верхнего строения пути сейсмоизолированного моста на продольную нагрузку от воздействия температуры и торможения подвижного состава; при этом показана возможность смягчения нормативного требования на ограничение перемещений пролетного строения примерно в два раза;

  • Впервые проанализирована работа верхнего строения пути на поперечные нагрузки от ударов подвижного состава и на этой основе сделаны рекомендации по устройству сейсмоизолирующих опорных частей. В частности, рекомендовано использование в продольном направлении объединяющей сейсмоизоляции; в поперечном – чередование податливой и жесткой опорных частей;
    • Впервые проанализировано поведение верхнего строения пути при действии проектного и максимального расчетного землетрясения: во всех случаях применения сейсмоизоляции лучше будет работать мост с ездой на балласте. При пролетах моста более 33 м сочетание безбалластного мостового полотна и обычной сейсмоизоляции в виде податливых опорных частей и демпферов неприемлемо;

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты теоретических исследований автора доведены до практических предложений и реализации при возведении более ста опор железнодорожных мостов на Олимпийских объектах г. Сочи. Предложено новое техническое решение опирания пролетных строений железнодорожного моста, обеспечивающего нормальную эксплуатацию верхнего строения пути. По предлагаемому решению получен патент №2550777.

Методика исследования включала построение математических моделей мостовой сейсмоизолированной конструкции, их численный анализ, сопоставление получаемых результатов с данными других исследований и опытом устройства сейсмоизоляции на мостах; разработку предложений и технических решений по сейсмоизоляции железнодорожных мостов.

На защиту выносятся:

1. Методика и результаты оценки напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей железнодорожных мостов при продольной нагрузке от температуры и торможения подвижного состава;

  • Методика и результаты расчета напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей при поперечной нагрузке от поперечных ударов подвижного состава;
    • Методика задания расчетных акселерограмм и результаты динамического расчета мостов на действие проектного землетрясения (ПЗ) и максимального расчетного землетрясения (МРЗ);
    • Рекомендации по устройству систем сейсмоизоляции железнодорожных мостов;
    • Новое техническое решение сейсмоизоляции железнодорожных мостов.

Степень достоверности результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием широко известных методов строительной механики и апробированных программных комплексов. Результаты исследований подтверждаются их соответствием данным других специалистов, полученным по отдельным вопросам, рассмотренным в диссертации. Обоснованность предлагаемых технических решений подтверждается их широким внедрением на железнодорожных линиях в районе г. Сочи.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались:

  1. На семинарах в ПГУПС, 2009-2012 гг
    1. На VI Савиновских чтениях в Санкт-Петербурге, 2010
      1. На XV Всемирной конференции по сейсмостойкому строительству (Лиссабон, 2012)

Результаты диссертационной работы реализованы при строительстве нескольких эстакад на железнодорожной линии Адлер-Сочи, при строительстве железнодорожного моста через р. Мзымту в районе г. Сочи, при строительстве моста через р. Или в Казахстане.

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 9 статей, в том числе 3 в изданиях ВАК:

  1. Жгутова, Т.В. Сейсмозащита моста на олимпийской лыжной трассе в Красной Поляне / Кузнецова И.О., Шермухамедов У., Жгутова Т.В., Хайбинь В. // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. №2. – 2010. – С. 199 – 207.
    1. Жгутова, Т.В. К вопросу использования двух пролетных строений для гашения сейсмических колебаний опор мостов / Жгутова Т.В., Хайбинь В. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №2. – 2011. – С. 64 – 68.
      1. Жгутова, Т.В. Оценка работы рельсового пути на мостах с сейсмоизоляцией и требования к сейсмоизоляции с учетом работы пути / Жгутова Т.В., Уздин А.М. // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. №3. – 2012. – С. 217- 237.
      1. Жгутова, Т.В. Сейсмоизоляция железнодорожных мостов / Кузнецова И.О., Уздин А.М., Хайбинь В., Жгутова Т.В. // Дороги. Инновации в строительстве. №4. – 2010. – С. 64 – 68.
      1. Жгутова, Т.В. Оценка безопасности бесстыкового пути по величине зазора при его разрыве / Зайцева Т.И., Жгутова Т.В., Самойлова А.В., Уздин А.М. // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. – №4. – 2011. – С.53- 56.
      1. Жгутова, Т.В. Сейсмозащита железнодорожных мостов в Сочи / Кузнецова И.О., Уздин А.М., Жгутова Т.В., Хайбинь В., Шульман С.А. // Заседания рабочей группы ASSISi «Сейсмоизоляция мостов и крупномасштабное проектирование». – 2011. – С. 119- 132.
      1. Жгутова, Т.В. Оценка безопасности работы рельсовой плети на подходах к сейсмоизолированному мосту / Жгутова Т.В., Зайцева Т.И. // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. -№2. – 2013. – С.32- 33.
      1. Жгутова, Т.В. Простая модель сейсмического воздействия для динамического расчета сооружений / Аннаев Г., Ильясов А.Б., Жгутова Т.В.,

Сахаров О.А., Уздин А.М. // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. №1. – 2014. – С.24 – 27.

9. Жгутова, Т.В. Результаты исследования сейсмоизоляции железнодорожных мостов / Жгутова Т.В. // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. №4. – 2014. – С.19 – 22.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов, списка литературы (152 наименования, из них 40 – на иностранном языке), содержит 155 страниц текста, в т.ч. 70 рисунков и 5 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность темы и дается краткая характеристика работы.

В первой главе дан анализ состояния исследуемого вопроса. При этом отмечается вклад в разработку проблемы отечественных и зарубежных специалистов: Абакарова А.Д., Айзенберга Я.М., Аптикеева Ф.Ф., Аубакирова А.Т., Бешлиу А.В., Белаш Т.А., Гольденблата И.И., Долгой, А.А., Ильичева В.А., Карцивадзе Г.Н., Килимника Л.Ш., Корчинского И.Л., Костарева В.В., Кузнецовой И.О., Напетваридзе Ш.Г., Н.А. Николаенко, Ю.Л. Рутмана, Савинова О.А., Ставницера Л.Р., Уздина А.М., Шульмана С.А., Дж. Барра, М. Био, А. Мариони, Ф. Омори, М. Фардиса, П. Хубера.

При наличии значительного числа работ вопросы сейсмоизоляции железнодорожных мостов до настоящего времени не изучены, и сейсмоизоляция применяется лишь в единичных случаях. Это связано с тем, что отсутствует анализ работы верхнего строения пути как при эксплуатационных нагрузках, так и при действии ПЗ и МРЗ.

Вторая глава посвящена работе сейсмоизолированных мостов при эксплуатационных нагрузках: продольных (от температуры, а также торможения поезда) и поперечных (от ударов подвижного состава). Для нагрузок продольного направления разработана расчетная схема и методика учета нелинейности подрельсового основания. Таким образом, можно отследить влияние устройств сейсмоизоляции на эксплуатационные характеристики пути и то, как меняются напряжения в пути за счет изменения жесткости сейсмоизолирующих опорных частей.

При отсутствии сейсмоизоляции напряжения в рельсах от ударов подвижного состава пренебрежимо малы. Расчеты на воздействие ударов подвижного состава показывают, что более-менее приемлемой можно считать сейсмоизоляцию с использованием системы из одной податливой и одной поперечно-подвижной групп опорных частей под пролетное строение, при этом предпочтительнее, чтобы железнодорожный путь был уложен на балласте.

В третьей главе рассмотрена работа моста при действии землетрясений различной силы, проанализированы существующие методы задания сейсмического воздействия: акселерограммы прошлых землетрясений, моделирование расчетных воздействий коротким временным процессом с заданным спектром, генерация синтетических акселерограмм под площадку строительства, генерация узкополосного процесса с одной или небольшим количеством частот, опасных для сооружения. В главе развит подход генерации воздействия с линейно меняющейся частотой колебаний, при этом автором предложены зависимости шага цифровки процесса и его уровня в зависимости от частоты основного тона колебаний сооружений и ситуационной сейсмичности на площадке строительства.

В четвертой главе сформулированы общие требования сейсмозащиты железнодорожных мостов, предложено техническое решение по обеспечению нормальной эксплуатации железнодорожного пути наряду с сейсмозащитой моста при ПЗ и МРЗ, приведены примеры его реализации.

Общие выводы содержат анализ заданных воздействий на сооружение, рекомендации к проведению соответствующих расчетов, полученные результаты и, соответственно, рекомендации по устройству сейсмоизоляции на железнодорожных мостах.

Анализ состояния исследуемого вопроса

Краткий исторический очерк развития методов сейсмозащиты зданий и сооружений

Первыми строителями, обратившими особое внимание на сейсмостойкость капитальных построек, были инки [49].

Особенностями архитектуры инков является необычайно тщательная и плотная (так, что между блоками нельзя просунуть и лезвия ножа) подгонка каменных блоков (часто неправильной формы и различных размеров) друг к другу, без использования строительных растворов, наклонённые внутрь стены со скруглёнными углами и лёгкие соломенные крыши.

В связи с односторонностью связи между камнями при сильных воздействиях система вела себя нелинейно и не имела резонансных частот. При землетрясениях небольшой и средней силы такая кладка оставалась практически неподвижной, а при сильных — камни «плясали» на своих местах, не теряя взаимного расположения и при окончании землетрясения, укладывались в прежнем порядке. От падения соломенной крыши жителей городов инков предохранял тканый тент, перекрывавший потолок.

Эти обстоятельства позволяют считать сухую кладку стен инками одним из первых в истории устройств адаптивной сейсмозащиты [4], приспосабливающейся к сейсмическому воздействию.

В местностях, где землетрясения были особенно часты (например, Япония), защита от сейсмических явлений достигалась путём максимального облегчения построек, использования вместо камня таких материалов, как древесина и бамбук, а также лёгких ширм вместо капитальных стен [95].

Порой не следует навязывать зданию непосильную задачу сопротивляться сокрушительному землетрясению. Лучше дать этому зданию с помощью сейсмической изоляции возможность как бы парить над трясущейся землей: сейсмические изоляторы и на сегодняшний день считаются наиболее эффективной технологией в сейсмостойком строительстве [95].

Первые попытки сейсмоизоляции зданий относятся примерно к третьему веку нашей эры. Древние зодчие, чтобы защитить здания от землетрясений, придумали возводить их на фундаментах, основанием которых служат подушки из чистой гончарной глины [48]. Они учли, что хорошо промешанная, определенной влажности, защищенная от высыхания сырая гончарная глина обладает долговечными пластическими свойствами. В силу высокой пластичности глины во время землетрясения часть колебаний земли гасится в этой подушке. Аналогом фундаментов из глины под монументальные сооружения древности являются современные сейсмоизоляторы из слоистой резины [131].

Другим примером применения сейсмоизоляции является устройство на стыке фундамента и цоколя горизонтального шва под всем зданием на тощем лессовом растворе с песком [95]. В современном понимании это одновременно и скользящий пояс, и выключающаяся связь. При превышении определенного уровня сейсмической нагрузки слабый раствор разрушается и здание проскальзывает.

Прообразом устройства кинематических опор (зданий на шарах, эллипсоидах, катках) являются «камышовые пояса» [48]. Древние строители на фундаменты перпендикулярно плоскости стены укладывали стебли камыша ровным слоем. При землетрясении основание с фундаментом двигалось, а здание в силу своей инерции оставалось на месте. Сейсмоизолированный дом на шарах изображен в книге древнеримского зодчего Витрувия [48,105]. Более поздним примером применения сейсмоизоляции на уровне интуиции является предложение англичанина Джона Мильна [95]. Работая в Университете Токио в 1876-1895 годах, он построил сейсмоизолированное здание на шарах, находящихся в литых чугунных пластинах с «блюдцеподобными краями» на верхних торцах свай. Над шарами располагались слегка вогнутые металлические пластины, которые были соединены со зданием.

Первый патент по устройству сейсмоизоляции получил в 1909 году. Дж. А. Калантариентс [95], врач из города Скарборуф на севере Англии. Он представил на рассмотрение в Британскую патентную организацию свой метод строительства, который предполагал возведение зданий на «свободном соединении» с фундаментом. Между фундаментом и зданием располагался слой чистого песка, слюды или талька, которые позволяют ему скользить во время землетрясения, тем самым, снижая силы, передаваемые на здание.

В начале прошлого века, после сильнейших землетрясений в Сан-Франциско (США, 1906) и Токио (Япония, 1923), появились предложения по проектированию фундаментов сооружений с элементами, которые могли бы снижать сейсмические нагрузки на надземную часть здания. Одним из них было предложение, сделанное М. Вискордини в 1925 году [105] по устройству катковых сейсмоизолирующих опор или опорных колонн со сферическими верхними и нижними торцами в подземной части зданий. Однако это предложение не получило распространения, поскольку конструктивное решение сейсмоизоляции трудно было выполнить практически, а используемый в то время статический метод определения сейсмических нагрузок на сооружения не позволил оценить ее эффект сейсмоизоляции.

В 1930-х годах возникла идея сейсмоизоляции с помощью устройства в зданиях первого (или подвального) гибкого этажа. Она основывалась на существующем в то время представлении, что при всех землетрясениях сейсмическая реакция зданий с гибкой конструктивной схемой всегда меньше, чем у зданий с жесткой конструктивной схемой. Эта идея получила довольно широкое распространение, в том числе и в нашей стране, так как не требовала специальных мероприятий, выходящих за границы традиционных способов строительства зданий. Строить здания с гибким первым этажом начали в 1930-х годах на Тихоокеанском побережье США. Позже их стали возводить в Италии, Мексике, Югославии, СССР. При внедрении в практику сейсмостойкого строительства не были учтены все особенности этой конструкции и все возможные типы землетрясений. Однако последствия ряда землетрясений, а также анализ записей сильных землетрясений показали на возможность возникновения весьма заметных ускорений в области периодов более 1,0 с.

В случае расположения зданий с первым гибким этажом в зоне таких землетрясений возможны их катастрофические разрушения, что и произошло в Каракасе в 1967 году [95]. Большие повреждения и разрушения получили каркасные здания без заполнения в первом этаже в Мехико (1957), Агадире (1960), Скопле (1963), Бухаресте (1977) [7,10,77,105].

Учитывая, что землетрясения с преобладанием низкочастотных колебаний, как правило, возникают при наличии определенных инженерно-геологических условий, здания с гибким первым этажом могут использоваться как средство сейсмоизоляции с учетом местных условий и правильного проектирования [3].

Первый сейсмоизолированный трехэтажный жилой дом был построен в 1959 году в Ашхабаде (Туркмения) по проекту инженера Ф.Д. Зеленькова [36].

Для повышения надежности сейсмоизолированных сооружений дополнительно могут быть применены включающиеся или выключающиеся связи, демпферы и т.п. [1,4,40,45,106,148].

С середины 70-х годов прошлого века специальные системы сейсмозащиты начали активно применяться в сейсмостойком строительстве и разрабатываться теория работы таких систем. В соответствии со сложившимися подходами [7,10,33,47,54,85,105 и др.] к сейсмозащите зданий и сооружений сейсмозащиту принято подразделять на традиционную и специальную.

Традиционная сейсмозащита предполагает меры по восприятию сейсмических нагрузок.

Поскольку сейсмические нагрузки не являются чисто внешними, а генерируются самой конструкцией в процессе сейсмических колебаний, появляется возможность разработки мероприятий, направленных на изменение самих сейсмических сил. Такие сейсмозащитные мероприятия были названы специальными. Специальная сейсмозащита подразделяется на сейсмогашение и сейсмоизоляцию. Детальный обзор современных методов сейсмогашения и сейсмоизоляции приведен в исследованиях [105,106,108,113,131,148]. Согласно [105], сейсмоизоляция представляет собой систему опирания сооружения, обеспечивающую уменьшение энергии, передаваемой сооружению в процессе сейсмических колебаний, за счет установки в некотором уровне элементов повышенной податливости, приводящих к отстройке спектра сооружения от спектра воздействия в длиннопериодную область. В настоящее время сейсмоизоляцию можно считать наиболее перспективным средством сейсмозащиты зданий и сооружений, возводимых в районах с сейсмичностью выше 8 баллов. В мире построены в настоящее время тысячи сейсмоизолированных зданий и сооружений. Подробное их описание имеется в монографии [148]. На рис.1.1 приведена классификация существующих систем сейсмозащиты по принципу их работы.

В соответствии с [105] все системы сейсмоизоляции подразделяются на стационарные и адаптивные. Стационарные системы сохраняют свои упруго – демпфирующие характеристики в процессе колебаний, а адаптивные – необратимо изменяют свои параметры, приспосабливаясь к программе нагружения (сейсмическому воздействию). Такая работа характерна, например, для упомянутой выше каменной кладки древних инков.

Теория адаптивных систем развита в работах Я.М.Айзенберга [4].

Стационарные системы сейсмоизоляции могут быть подразделены на системы с восстанавливающей силой и без нее [105]. Последний тип сейсмоизоляции осуществляется путем устройства сейсмоизолирующего скользящего пояса (сейсмопояса). В этих системах на сейсмоизолированную часть сооружения не может передаваться нагрузка, превышающая силу трения в сейсмопоясе. Конструкции сейсмоизолирующего пояса предлагались многими специалистами [105], однако наиболее детально они исследованы в работах Л.Ш.Килимника, В.П.Чуднецова и Л.А.Солдатовой [111].

В свою очередь системы сейсмоизоляции с восстанавливающей силой подразделяются на упругие и гравитационные. У первых восстанавливающей является сила упругости, а у вторых – сила тяжести.

Сейсмоизолирующие фундаменты на упругих опорах получили широкое распространение в строительной практике. К их числу относятся упомянутые выше здания с гибким нижним этажом, а также здания на резиновых опорах. Резиновые опоры являются в настоящее время основными сейсмоизолирующими элементами, применяемыми за рубежом [113,119,131,140,148]. Сейсмоизоляция с использованием упругих сейсмоизолирующих опор является наиболее простой и разработанной, а ее применение при корректном подборе параметров системы достаточно эффективно.

Сейсмоизолирующие фундаменты на кинематических опорах (КО) гравитационного типа детально описаны в [105,106]. Наиболее известными из них являются кинематические опоры В.В.Назина [65], Ю.Д.Черепинского [110], А.В.Курзанова [60]. Здания на таких опорах построены в Петропавловске-

Камчатском, Навои, Южно-Сахалинске, Сочи и других, сейсмически опасных регионах СНГ. В патентной литературе имеется более сотни предложений по устройству гравитационных кинематических фундаментов. Такое обилие предложений объясняется тем, что изменение поверхности катания опор такого фундамента может привести к изменению динамических характеристик системы в целом, и, соответственно, к новому техническому решению.

Гравитационные сейсмоизолирующие фундаменты можно подразделить на подвесные и опорные. В подвесных фундаментах здание устанавливается на верхнюю фундаментную плиту, которая на тягах подвешивается к рамной конструкции, жестко соединенной с нижней фундаментной плитой. К такому типу фундаментов относится первый в СССР сейсмоизолирующий фундамент Ф.Д.Зеленькова [36]. в г.Ашхабаде. В опорных фундаментах верхняя фундаментная плита опирается на кинематические опоры. Общее уравнение движения здания на кинематических фундаментах с произвольной поверхностью катания получено А.М.Уздиным, А.А.Долгой и А.Н.Гунчевым [29].

С точки зрения вида уравнений движения системы важным оказывается поведение сооружения вблизи положения покоя. По этому признаку кинематические опоры подразделяются на свободные и заклиненные [105]. Свободные опоры перемещаются при любой горизонтальной нагрузке на здание, что сильно усложняет эксплуатацию таких зданий. В связи с этим в последних решениях КО предусматривается наличие площадок или углублений в центральной части поверхности катания, препятствующих выкатыванию опоры при малых нагрузках. Фундаменты с такими опорами называются заклиненными. Указанное конструктивное изменение привело к принципиальным различиям в работе свободных и заклиненных опор. Здание на свободных опорах может быть описано линейными уравнениями при малых его колебаниях, а для случая заклиненных опор такая линеаризация вблизи положения равновесия в принципе не возможна [105]. Однако уравнения колебаний здания на заклиненных опорах во многих случаях могут быть линеаризованы при больших амплитудах колебаний.

Все заклиненные опоры подразделяются на два типа – с положительной и отрицательной жесткостью. Если рассматривать сооружение как жесткое тело массой т, то для первого типа опор его движение вдали от положения равновесия описывается уравнением колебаний вида:

Рассмотренные методы специальной сейсмозащиты зданий и сооружений в полной мере относятся и к мостам. Однако при этом необходимо учитывать специфику мостовых конструкций и их работу под нагрузкой [45,53,59,112,113]. В первую очередь здесь необходимо учесть, что в мостах сейсмоизоляция устанавливается не в уровне фундамента, а между опорой и пролетным строением [106,108]. Второй важной особенностью является протяженность моста. Под разными опорами может быть разная сейсмичность [22,132]. Имеются и другие специфические особенности колебаний мостов, рассмотренные в [44,45,54,55,106]. Эти особенности привели к тому, что проблемы сейсмостойкости мостов выделены в самостоятельную проблему общей теории сейсмостойкости [24,44,45,69]. В рамках этой проблемы проводится широкий круг исследований сейсмических колебаний мостов. В частности, вопросами повреждения мостов при сильных землетрясениях посвящены работы А.А. Гельфера [21], Г.Н. Карцевадзе [44], Г.С. Шестоперова [112], Дж.Барра [113] и др. Взаимодействиям пролетных строений и опор, а также устойчивостью пролетных строений против сбрасывания с опор посвящены исследования Т.М. Азаева, И.О. Кузнцовой и А.М. Уздина [2], И.О. Кузнцовой, А.М. Уздина и А.С Ткаченко [57], Г.Н.Карцевадзе [49] и др.

Проблемам взаимодействия мостовых опор с основанием посвящены работы В.А. Ильичева [37,38], М.В. Фрезе и А.М. Уздина [43], В.Н. Ломбардо [61] и др.

Проблемам оценки степени ответственности мостов и задания их предельных состояний, а также коэффициентам сочетаний сейсмической и подвижной нагрузок посвящены работы В.В. Воронец, Ю.И Ефименко, А.Е. Красковского и А.М. Уздина [19], И.О. Кузнецовой, А.М. Уздина, О.А. Сахарова [20], И.И. Гольденблата, Н.А. Николаенко, С.В. Полякова и С.В. Ульянова [25], И.О. Кузнецовой и О.А. Сахарова [58,134], Г.П. Передерия [70], О.А. Савинова и А.М. Уздина [88,101], К.Сайлера, О.Фишера и М. Хенгста [146] и др.

Проблеме неоднородности поля ускорений по длине моста и расчету мостов, как многоопорных сооружений, посвящены работы А.М. Уздина и Л.Н.Гиман (Дмитровской) [22,23,104], А.А.Петрова [72,75], А.Кюригяна [127,132], В.Микова и Дж.Петровского [137], М.Петрониджевича, М.Нифовской и С.Брчика [142] и др.

Расчетам мостов со сложной расчетной схемой (висячих, вантовых, большепролетных и т.п.) посвящены исследования Р.Флеша [123], К.Маки и Б.Стадживиновича [136], В.Нельсона, Ф.Руи и Р.Делигадо [138], А.Секстаса, А.Капаса и К.Петиликиса [147] и др.

Вопросы нелинейного расчета мостов освящены в работах С.Чанга [117], М.Чаутхари [118], А.Расуло, Д.Балагнини и А.Павеса [143], В.В. Верхолина, Б.Н. Квасникова, Е.А. Рулевича и А.М. Уздина [17] и др.

Вопросам совершенствования норм сейсмостойкости мостов посвящены работы А.М. Уздина [100-103], О.Байрока [114], Дж.Барра [113], Д.Доврика [121], М.Н. Фардиса [122], Р.Парка и Т.Паули [141], Е.Сапоунсакиса и Д.Эксарчопулоса [145] и др.

По этой причине проблемы сейсмоизоляции мостов рассматриваются ниже отдельно.

Анализ методов сейсмогашения и сейсмоизоляции мостов

Проблемы сейсмогашения и сейсмоизоляции мостов рассматривались ранее многими специалистами: И.О. Кузнецовой [54], А.М. Уздиным и С.А. Шульманом [56,92], З.Г. Хучбаровым [108], А.А. Никитиным и А.Ю. Симкиным [32,66,93], Д.Коллингсом [119], Диссарно [120], Р.Гомезом [124], Х.Иемуры [125], П.Хубером [126], С.Инфанти [128], Е.Джеранимо [129], Б.Бессасоном [115] и др.

Сложность анализа систем сейсмозащиты мостов связана в значительной мере с тем, что возможны четыре принципиально разных типа сейсмоизоляции, требующие различных подходов к задаче подбора параметров и оптимизации сейсмозащитных устройств мостов. Эти типы сейсмоизоляции применительно к продольным колебаниям мостов детально рассмотрены в работе [10] и описаны ниже.

Простая сейсмоизоляция предусматривает устройство податливых сейсмоизолирующих опорных частей вместо традиционных неподвижных на каждой из опор (Рис. 1.2).

Стратегия подбора параметров простой сейсмоизоляции освещена в литературе [66,93]; она зависит от отношения V массы пролетного строения к приведенной к верху массе опоры.

При v<2 существует оптимальная настройка податливой опорной части по жесткости и демпфированию. Пролетное строение выступает в этом случае как динамический гаситель колебаний опоры [66].

Рекомендации по настройке параметров такой системы приведены в РСН-44- 88 [39].

Объединяющая сейсмоизоляция предусматривает устройство податливых сейсмоизолирующих опорных частей вместо всех традиционных (неподвижных и подвижных) на каждой из опор (Рис.1.3). При этом сейсмоизолирующие опорные части объединяют мост в единую рамную систему с упругим присоединением ригеля (пролетного строения) к стойкам (опорам).

Объединяющая сейсмоизоляция является основным техническим решением сейсмозащиты небольших автодорожных мостов. Такая схема открывает широкие возможности перераспределения нагрузки между опорами моста. Именно с целью разгрузки высоких русловых опор и передачи ее на жесткие устои рассматриваемый тип сейсмоизоляции нашел широкое применение в Европе, США и других странах. Необходимо отметить, что в имеющихся исследованиях не ставилась задача оптимизации параметров рассматриваемого типа сейсмоизоляции. Как правило, на всех опорах устанавливаются одинаковые сейсмоизолирующие (обычно резиновые) опорные части. Задача использования одного или двух пролетных строений в качестве динамического гасителя продольных колебаний, объединенного в цепочку моста, не рассматривалась в литературе, хотя эффективность такого рода решений может быть достаточно высокой.

Ограниченная область применения объединяющей сейсмоизоляции связана с необходимостью обеспечения температурных перемещений концов пролетных строений. Обычно удается запроектировать рассматриваемую систему сейсмоизоляции для мостов длиной до 100 м при пролетах до 30 м.

Сильно демпфированная сейсмоизоляция предусматривает установку параллельно с сейсмоизолирующими опорами специальных демпферов, причем сила сопротивления в демпферах соизмерима или даже превосходит восстанавливающую силу в опорной части. Необходимость устройства подобной изоляции возникает в двух случаях:

  • В случае простой сейсмоизоляции при v>2. В этом случае система начинает работать как демпфер Ланчестера [66,93] и для оптимизации работы системы необходимо резкое повышение демпфирования в системе сейсмоизоляции;
  • В случае, когда по условиям обеспечения сейсмостойкости необходимо перераспределение усилий между опорами, а объединяющая сейсмоизоляция не обеспечивает необходимых температурных перемещений пролетных строений.

Следует отметить, что величина параметров демпфирования для указанного типа сейсмоизоляции, хотя и должна быть значительной, имеет оптимальное значение. Этот известный в механике факт описан в литературе [50] и проиллюстрирован на рис. 1.4 амплитудно-частотной характеристикой для балочного моста регулярной структуры с массой каждого пролетного строения m=500 т, и приведенной массой опор mо=100 т (у=5) при парциальном периоде колебаний опор k=21c-1.

В качестве демпфера рассмотрен обычный вязкий демпфер, характеризуемый коэффициентом вязкого демпфирования b=уkmo. Гистерезисное затухание в материале опоры уо принято равным 0.07, а в опорных частях уи=0.05. На рисунке четко видны три пика. При малой величине у проявляются обычные резонансные пики, соответствующие первой и второй формам колебаний изолированной опоры. С увеличением у эти пики исчезают, и появляется новый пик, соответствующий случаю жесткого объединения опоры с пролетным строением. Значительное превышение сил демпфирования приводит к росту инерционных нагрузок и снижению эффективности сейсмоизоляции, а недостаточное демпфирование приводит к большим взаимным смещениям опор и сбросу с них пролетных строений.

Система динамического гашения колебаний предусматривает поочередную установку пары сейсмоизолирующих опорных частей на каждую вторую опору. Между опорами с гибкими опорными частями располагаются опоры с подвижными опорными частями (Рис.1.5).

Настройка рассматриваемой системы по жесткости и демпфированию позволяет обеспечить эффективное гашение сейсмических колебаний. Если при этом величина vi для каждого из пролетных строений менее двух, то для настройки гибких опорных частей в [10] получены формулы для v1=v2:

Если хотя бы одна из масс пролетных строений более критического значения (у>2), то необходимо проведение исследований по оптимизации параметров гибких опорных частей. Имеющиеся исследования показывают, что при «удачной» настройке можно добиться многократного снижения расчетных усилий при проектном землетрясении и повреждаемости опоры при максимальном расчетном землетрясении [10,93].

Понимание необходимости сильного демпфирования систем сейсмоизоляции привело к созданию новых демпфирующих устройств.

Прежде всего, появились металлические сплавы, позволившие создать элементы, выдерживающие значительное количество циклов пластических деформаций и рассеивающих при этом значительное количество энергии. Консольные конические стержни из этих сплавов устанавливаются между верхним и нижним опорными листами сейсмоизолирующей опоры и обеспечивают эффективное рассеяние сейсмических колебаний. Наибольшее распространение такого рода элементы получили в мостах.

Широкое применение в системах сейсмоизоляции приобрели вязкие демпферы, выпускаемые в настоящее время всеми ведущими фирмами мира. Эффективность работы таких демпферов обеспечивает специально подобранная рабочая жидкость. Во многих конструкциях качестве рабочей жидкости выступает свинец и его сплавы. Наиболее просто обеспечивается повышенное демпфирование резиновых опор за счет вставки в опору свинцового сердечника. Оригинальная и простая конструкция демпферов разработана в России

Костаревым В.В. Новая технология демпфирования связана с применением фрикционно-подвижных болтовых соединений [81-83,32].

Для описания работы новых типов демпфирующих устройств используется достаточно общая модель описания сил сопротивления Q в таких устройствах:

Большое число исследований сейсмоизоляции мостов привело к тому, что в развитых странах сейсмоизоляция стала основным способом обеспечения сейсмостойкости мостов. Однако этот вывод нельзя отнести к железнодорожным мостам. Ряд специфических особенностей их работы требует специальных решений для их сейсмозащиты. Эти особенности и примеры успешной реализации принципа сейсмоизоляции для железнодорожных мостов приведены в последующем разделе работы.

Анализ особенностей применения метода сейсмоизоляции на
железнодорожных мостах

Особенности сейсмоизоляции железнодорожных мостов

Особенностями железнодорожных мостов является наличие непрерывного рельсового пути, уложенного на балласт или на железобетонные плиты. К железнодорожным мостам предъявляются повышенные требования по жесткости, однако при этом необходимо учитывать возможное наличие подвижного состава, находящегося в момент землетрясения на мосту, в целях недопущения сбрасывания его с пролетного строения. В связи с этим возникает необходимость в дополнительных проверках; особенно это актуально для мостов, полная длина которых превышает 1,5 км.

Основная проблема использования систем сейсмозащиты железнодорожных мостов в виде податливых опорных частей заключается в необходимости обеспечить нормальную эксплуатацию верхнего строения пути (ВСП). С этой целью нормы вводят жесткие ограничения на вертикальное и горизонтальное перемещение верха опоры при эксплуатационных нагрузках. Вертикальное перемещение должно быть не более 1 мм, а на горизонтальное накладывается условие:

Сейсмоизоляция получила широкое распространение в мировой практике. Можно сказать, что в США, Японии, Италии и других странах, ведущих транспортное строительство в сейсмических районах, сейсмоизоляция является основным средством обеспечения сейсмостойкости мостов.
Формула (1.11) существенно ограничивает возможности применения простой сейсмоизоляции для снижения сейсмических нагрузок на опоры железнодорожных мостов.
Инновационным для железнодорожных мостов можно считать метод сейсмоизоляции. Изоляторы вызывают увеличение основных периодов колебаний конструкции и, следовательно, уменьшение сейсмической нагрузки. Однако повышенная деформативность системы ведет к возрастанию перемещений ее элементов под нагрузкой. Это ответное действие является пагубным для железнодорожных конструкций. Рельс, т.е. длинная стальная сварная конструкция, не допускает значительных (абсолютных и относительных) перемещений между пролетами, а также между пролетом и устоем, особенно в поперечном направлении, для обеспечения нормальной эксплуатации пути. Как следствие, сейсмоизоляция широко применялась для проектирования автодорожных мостов в сейсмических регионах; применение её для железнодорожных мостов до сих пор было большой редкостью.
Соответствующие публикации по этим вопросам стали появляться в последние 10 лет. Ниже рассмотрены наиболее известные реализованные проекты сейсмоизоляции железнодорожных мостов.

Сейсмозащита виадука Чинтура, Италия

В статье [120] оценивается возможность применения систем сейсмоизоляции к типовому железнодорожному виадуку под высокоскоростные поезда. Использование систем сейсмоизоляции значительно уменьшает сейсмические нагрузки, действующие на конструкцию; однако повышенная деформативность системы ведет к увеличению перемещений под сейсмической нагрузкой. Эта реакция является губительной для железнодорожных конструкций. Статья отражает предварительные результаты совместных исследований Департамента проектирования зданий и сооружений Университета Неаполя, и Департамента по возведению гражданских сооружений ITALFERR, национального агентства по проектированию, сооружению и сохранению железных дорог Италии. В качестве объекта исследований был выбран существующий железнодорожный виадук, “Cintura Viaduct” в составе высокоскоростной железнодорожной линии Милан- Болонья в Италии. Он был спроектирован в соответствии с сейсмическими стандартами 1996 г для района с умеренными сейсмическими воздействиями.
Сложные линейные и нелинейные динамические исследования были представлены с использованием усовершенствованной конечно-элементной трехмерной численной модели; были тщательно исследованы поведения двух различных изоляционных систем – резинометаллических опорных частей (РОЧ) и стальных демпферов. В численной модели были учтены взаимодействие сооружения с основанием и нелинейная работа рельсовой конструкции. Это позволяет уточнить эффекты поведения сейсмоизолированных систем с учетом перемещений при сейсмоизоляции и воздействий на закрепленную систему. В статье также принимаются во внимание действия вертикальной составляющей сейсмической силы. Обнаружено, что при оценке поведения сейсмоизолированной системы взаимодействие между рельсом и конструкцией является предметом первостепенной важности.
В качестве сейсмоизоляции для моста изначально были выбраны РОЧ со свинцовыми сердечниками. Эти устройства имеют диаметр 850 мм, предельные перемещения d2 равные 83 мм и вертикальную жесткость, сопоставимую с железнодорожными опорными частями, т.е. порядка 3Е+09Н/мм.
Перемещения этих устройств под железнодорожной нагрузкой (воздействия ускорения и торможения) в конечном предельном состоянии были определены для расчета возможности их применения. Результирующие перемещения составили 25 см, что недопустимо для рельса согласно железнодорожным нормам; это служит доказательством непригодности их применения к железнодорожным мостам. Результат применения таких систем был оценен на основе нелинейных динамических расчетов.
В расчетах наблюдалось увеличение основного периода конструкции (в 2.5 раза по сравнению с основным периодом мостовой конструкции с жестким основанием). Наблюдаемое увеличение периода конструкции постоянно до 7 формы колебаний, Т=0,42 с. Это увеличение деформативности значительно снижает сейсмическое воздействие на конструкцию (уменьшение порядка 85% по отношению к конструкции с жестким основанием).
Второй вариант сейсмозащиты предусматривал использование стальных демпферов. Стальной демпфер состоит из стальных плавких предохранителей (элементов, характеризующихся небольшими сдвигающими усилиями), которые передают на опору силы, вызванные железнодорожной нагрузкой, действуя, как неподвижные опорные части; тем не менее, они действуют как изоляторы во время землетрясения из-за разрушения предохранителей. Настройка параметров устройства (предельное перемещение и усилие) была посчитана с использованием метода спектральных перемещений (Пьетра, 2008); это итерационная процедура для определения предельных перемещений из спектра упругих перемещений, полученных, в свою очередь, из спектра упругих ускорений для площадки строительства. Предельное усилие изолятора Fu было определено как функция от пластического изгибающего момента в основании опоры; последнее было получено в соответствии с железнодорожными нормами, которые устанавливают пластическую деформацию железобетона, равную 75% от fу,к, характеризующей пластические напряжение.
Расчеты, проводимые в настоящей работе, продемонстрировали значительное уменьшение горизонтальной силы на изоляторах, но меньшее, чем в случае с РОЧ. Полученные перемещения составили порядка 8 см в предельном состоянии, сопоставимом с предельным перемещением устройства, что меньше, чем для системы с РОЧ. Как общая, так и местная податливость опоры определялась ее работой в упругой стадии при максимальном перемещении, составляющем 70% от предела упругости.
Дальнейшие разработки представляются необходимыми для оценки реакции стальных демпферов под железнодорожными нагрузками. Крайне важно определить проектные размеры элементов сейсмоизоляции и проверить возможность их реализации в соответствии с применяемыми конструкциями железнодорожных виадуков.
Достоинства применения стальных демпферов весьма существенны, так как они позволяют использовать сборные конструкции фундаментов и обеспечивают соответствие проекта новым картам сейсмического районирования.
Выполненные исследования показывают, что сейсмоизоляция может быть очень выгодной для обеспечения сейсмозащиты как новых, так и существующих железнодорожных мостов; тем не менее, выбор оптимального типа изоляционных устройств не прост.
Дальнейшие аналитические и лабораторные разработки представляются необходимыми для определения оптимальных свойств изоляционных систем. Также необходимо достичь надежной оценки поведения системы «рельс-мост» при сейсмических колебаниях, с учетом системы крепления рельсового пути и пролетного строения. Поведение этих элементов может существенно влиять на сейсмические колебания изолированных железнодорожных мостов и виадуков.

Система сейсмозащиты моста Рион-Антирион

Пятипролетный (286+560+560+560+286) вантовый мост Рион-Антирион был спроектирован с использованием конструкции фирмы FIP Industríale [128] с расчетом на то, чтобы выдерживать землетрясения с максимальным ускорением основания до 0,48g и тектонические подвижки величиной до двух метров между соседними пилонами. Для обеспечения вышеупомянутых требований пролетное строение было сделано неразрезным по всей длине моста, составляющей 2252 м, и полностью подвешено на четыре пилона. Инновационная система рассеяния энергии, разработанная в FIP Industríale, соединяет пролет с пилоном и ограничивает поперечные смещения моста во время землетрясения. Для рассеивания сейсмической энергии использованы огромные, уникальные по своим размерам вязкие демпферы [128].
Мощное землетрясение, получившее название «Ахея-Илия», произошло 8 июня 2008 г. Эпицентр этого землетрясения с магнитудой Mw = 6,5 располагался на расстоянии порядка 36 км к юго-западу от моста; его очаг расположен на глубине около 30 км. Максимальное ускорение грунта, зафиксированное на месте (побережье Риона), составило 0,127g.
Для проектирования моста проектное землетрясения было задано с высоким значением повторяемости раз в 2000 лет, что определяет большую величину максимального расчетного ускорения грунта 0,48g. Принятая величина повторяемости (средний интервал между землетрясениями) больше установленного в Национальных сейсмических нормах (повторяемость 475 лет) для зоны III по сейсмическому риску.
Мост был спроектирован так, чтобы он мог воспринимать энергию сейсмических колебаний за счет работы определенных механизмов. В целях обеспечения только упругих деформаций системы «пролет-ванты», все механизмы расположены на пилонах.
Устройства и системы сейсмозащиты предусматривали:

  1. Скольжение фундаментной плиты относительно грунта. Фундамент мелкого заложения большого диаметра (90м) лежит на укрепленном грунте, способном выдержать большие сейсмические нагрузки.
  2. Система рассеяния энергии между пролетным строением и пилоном (устоями) включается в работу только во время сильных землетрясений. Она состоит из четырех гидравлических демпферов с несущей способностью 3500 кН (по четыре на каждой опоре и по два – на устоях), которые используются в целях рассеивания высвобожденной энергии, и контролирует перемещения проезжей части. Обозначенные демпферы имеют рекордные на сегодняшний день размеры и несущую способность и установлены между пролетом и опорой, чтобы уменьшить поперечные колебания пролета во время динамического воздействия. Они спроектированы для диссипации (перехода в тепловую энергию) механической энергии сейсмических колебаний пролетного строения.
  3. Дополнительно в поперечном направлении пролет поддерживают плавкие фиксаторы несущей способностью 10500 кН и 3400кН на опорах и устоях соответственно, которые предотвращают ветровые перемещения. В случае сильных землетрясений фиксаторы плавятся и включаются в работу демпферы. Фиксаторы спроектированы для работы в качестве жесткой связи, чтобы выдержать высокие ветровые нагрузки. При сильных землетрясениях плавкие фиксаторы разрушаются (расплавляются), освобождая вязкие демпферы для рассеяния энергии сейсмических колебаний.
  4. Потенциальные пластические шарниры в ногах пилона. В подходе, обеспечивающем минимизацию негативных последствий, принятом при проектировании моста, утверждается, что пластические шарниры с минимальным выкрашиванием бетона должны быть образованы в ногах пилона.
    Таким образом, сейсмическая энергия получает возможность рассеиваться в специально запроектированных узлах конструкции. Интенсивность землетрясения с точки зрения поведения моста, может быть оценена по результатам наблюдений за этими узлами. Текучесть фиксатора и формирование пластического шарнира – первое, что визуально обследуется и оценивается после землетрясения, в то время как скольжение оценивается по результатам геометрических наблюдений.
    В конструкции исключаются возможные противоречия между требованиями к надежной сейсмозащите и эксплуатации сооружения. Так, большие перемещения, вызванные умеренными землетрясениями или штормами, исключаются, благодаря упомянутой системе фиксации.
    На мосту во время землетрясения произошло разрушение плавкого элемента фиксаторов, что привело к включению в работу системы рассеяния энергии и предотвратило разрушение самого моста. Первоначальное положение конструкции было достигнуто путем замены плавкого элемента. Так как поперечные фиксаторы моста разрушились, положение пролета зависело от направления скорости ветра. Для замены поперечных фиксаторов было необходимо вычислить новое устойчивое положение пролета.
    Результаты обследования конструкции и геометрических наблюдений показали, что с 2006 г пилоны не претерпевали никаких значительных перемещений, поэтому для ремонта пролетного строения потребовалось вернуть пролет в положение 2006 г и заменить плавкие фиксаторы.
    Поведение системы сейсмозащиты моста подтвердило все проектные предпосылки и результаты исследований, представленные перед установкой, как вязких демпферов, так и плавких фиксаторов. Более того, простота операции по замене плавного элемента продемонстрировала надежность проекта.

Сейсмоизолирующие системы, реализованные в проектах железнодорожных мостов Испании, Венгрии и Греции фирмой Maurer Sohnes (Германия)

Немецкая фирма Maurer Söhnes уделяет значительное влияние вопросам сейсмоизоляции железнодорожных мостов. В статье [126], представленной главным инженером фирмы Питером Хубером отмечается, что для реализации сейсмоизоляции на железнодорожных мостах инженерам необходимо обеспечить ряд обязательных требований по эксплуатации конструкции под временной нагрузкой и по безопасности под сейсмической нагрузкой. Система устройств должны обеспечивать отсутствие сопротивления от температурных воздействий, усадки и ползучести, а также ограничивать перемещения при тормозной нагрузке. В то же время система должна работать и под сейсмической нагрузкой. В последнем случае необходимо ограничивать сейсмические нагрузки и контролировать взаимные перемещения изолированных элементов.
Другая проблема проектирования устройств связана с их работой под нагрузкой.
Эксплуатационные нагрузки сравнительно невелики. Перемещения от температурных воздействий обычно не превышают 3-6 см, а перемещения от торможения и того меньше, но количество циклов нагружения может быть очень большим. Похожие нагрузки возникают при относительно частых небольших землетрясениях (проектных землетрясениях или ПЗ). Это может привести к преждевременному износу элементов устройств.
Вышеупомянутые различия между эксплуатационными и сейсмическими нагрузками приводят к тому, что при проектировании всех устройств приходится учитывать и ту, и другую нагрузки. Необходимо отметить, что в ранее выполненных работах эксплуатационной нагрузкой чаще всего пренебрегали, исследуя только сейсмическое воздействие. Отметим также, что демпфирование может быть вредоносным для эксплуатационной нагрузки, так как усилия на конструкцию возрастают. Применяя вышеупомянутые принципы на практике, фирма Maurer Söhnes использует три системы сейсмозащиты.
В первой системе используются сферические сейсмоизолирующие опорные части (СОЧ) с постоянной силой трения F, которая больше по величине, чем нагрузка от торможения, но меньше, чем сейсмическая.
Во второй системе используются «плавающие» СОЧ с низким коэффициентом трения и шок-трансмиттеры для передачи усилия от торможения с моста на подходы.
В третьей системе используются резиновые опорные части в сочетании с вязкими демпферами по концам пролетного строения.
Точное использование этих сейсмоизолирующих устройств позволяет уменьшить сейсмическую нагрузку и сохранить функциональную способность конструкции. Примеров сейсмозащиты железнодорожных мостов по данным системам подробно описаны в статье [126].

Опыт сейсмозащиты железнодорожных мостов в Японии

Учеными Tzu-Ying Lee (Тайвань) и Kazuhiko Kawashima (Япония)[144] изучалась эффективность полуактивного метода и использованием магнито- реологических демпферов и демпферов с переменной вязкостью в уменьшении смещений пролета изолированных мостов, который отражает нелинейный отклик со стороны опоры и изоляторов под воздействием подвижек земной коры. Система полуактивного контроля с различного рода вязкими демпферами или магнито- реологическими демпферами применена к пятипролетному виадуку с высокодемпфирующими резиновыми опорными частями.
Пассивные, активные и полуактивные стратегии управления предлагают приемлемые способы защиты сооружений от опасности землетрясений. В частности, системы полуактивного контроля имеют больше преимуществ по части универсальности и применимости среди активных систем, не требующие мощных источников энергии, и имеют надежность пассивных систем.
На 12-й Европейской конференции по сейсмостойкому строительству был представлен доклад Хираказу Иемура и его коллег[125], где были описаны исследования сейсмостойкости железнодорожных мостов по программе министерства железнодорожного транспорта Японии. В них рассмотрен комплекс вопросов, связанных как с исследованиями сейсмических колебаний железнодорожных мостов, так и с системой автоматического торможения поездов при начале землетрясения. Система автоблокировки железнодорожных линий работает с использованием системы спутниковой связи и хорошо зарекомендовала себя при землетрясениях в Кобо и Фокусима. Что касается исследований сейсмических колебаний, то японские специалисты сделали крупномасштабные модели железнодорожного пути на мостах и проводят их испытания на сейсмоплатформе. При этом они отмечают важность учета поведения железнодорожного состава на мосту при землетрясении, а также сохранности рельсового пути.
По данным японских специалистов в расчетах требуется анализ подвижного состава для определения динамического воздействия на путь от скоростного поезда; вертикальные ускорения проезжей части и повороты концов пролетных строений должны удовлетворять принятым ограничениям. Потребовался ряд проверок для определения взаимодействия со строением пути, включающий в себя проверки на напряжение в рельсе и относительные перемещения настила моста вследствие торможения и ускорения, температурных воздействий или землетрясения типа 2 (МРЗ).
Следует отметить, что в исследованиях российских специалистов даны рекомендации по учету возможного схода с рельс подвижного состава[96]. Кроме того, необходимой является проверка подвижного состава на опрокидывание при землетрясении. Этот вопрос детально рассмотрен в работе [16].

Цели и методы исследования

Анализ состояния вопросов сейсмозащиты мостов позволяет заключить, что для снижения опасных сейсмических нагрузок в мировой практике широко применяется принцип сейсмоизоляции. При этом сейсмоизолирующие элементы устанавливаются в виде податливых или скользящих опорных частей между опорами и пролетными строениями. Основным вопросом при подборе систем сейсмоизоляции является обеспечение достаточного снижения сейсмических нагрузок (ускорений сооружения) при одновременном ограничении смещений пролетного строения относительно опоры. Для снижения смещений используются разного рода гасители колебаний (сейсмогашение) и ограничители перемещений.

Для железнодорожных мостов проблема сейсмоизоляции усложняется в связи с необходимостью обеспечить нормальную работу верхнего строения пути при эксплуатационных нагрузках.

В литературе поставлен ряд общих вопросов, подлежащих решению при проектировании сейсмостойких мостов.

Применительно к проблеме сейсмоизоляции наиболее важными и наименее изученными являются:

  • оценка влияния взаимодействия ВСП и моста с сейсмоизоляцией при сейсмических воздействиях;
  • разработка требований к поведению элементов моста при проектном и максимальном расчетном землетрясениях, обеспечивающих безопасность эксплуатации сооружения;
  • обоснование предельных значений гибкости сейсмоизолирующих опор по условию нормальной работы пути при эксплуатационных нагрузках. Решение этих вопросов и является целью диссертационной работы.

Для обеспечения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

  • Проанализировать поведение ВСП сейсмоизолированных мостов при эксплуатационных нагрузках от торможения и поперечных ударов подвижного состава;
  • Исследовать работу сейсмоизоляции при действии проектных (ПЗ) и максимальных расчетных (МРЗ) землетрясений;
  • Разработать технические решения и рекомендации по проектированию сейсмозащитных устройств железнодорожных мостов.

Методика исследований предусматривает:

  • Математическое моделирование работы рельсовых плетей на мосту с сейсмоизоляцией при статических и динамических нагрузках;
  • Выбор расчетных воздействий и математическое моделирование сейсмических колебаний моста при землетрясениях различной силы;
  • Анализ существующих технических решений сейсмозащиты мостов и разработка нового технического решения, обеспечивающего требования к сейсмоизоляции железнодорожных мостов.

Результаты математического моделирования будут сопоставляться с данными других исследований и опытом прошлых землетрясений.

Список литературы

  1. Абакаров, А.Д. Исследование оптимальных параметров системы сейсмозащиты с выключающимися связями и ограничителем перемещений по критерию надежности на ЭВМ методом Монте-Карло / А.Д. Абакаров // Расчет и проектирование зданий для сейсмостойких районов. – М.:Наука. – 1988. – С. 108 – 114.
  2. Азаев, Т.М. Оценка сейсмостойкости мостов по условию сброса пролетных строений с опор. / Т.М. Азаев, И.О. Кузнецова, А.М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2003. – № 1. – С. 38 – 42.
  3. Айзенберг, Я.М. Реабилитация сейсмостойкости зданий с гибким нижним этажом / Я.М. Айзенберг // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. № 5. – 2001. – С. 3 – 6.
  4. Айзенберг, Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов / Я.М. Айзенберг // – М.:Стройиздат. – 1976. – С. 229.
  5. Айзенберг, Я.М. Генерирование расчетного ансамбля синтетических акселерограмм и исследование влияния их параметров на сейсмическую реакцию сооружения. / Я.М. Айзенберг., К.Ю. Залилов // Расчет и проектирование зданий для сейсмоопасных районов. – М.:Наука. – 1988. – С. 5 – 14.
  6. Айзенберг, Я.М. О критериях предельных состояний и диаграммах “восстанавливающая сила-перемещения” при расчетах на сейсмические воздействия / Я.М. Айзенберг, Л.Ш. Килимник // В сборнике “Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений”. – М.:Стройиздат. – 1972. – С. 46 – 61.
  7. Альберт, И.У. Сейсмозащитные фундаменты реакторных отделений АЭС / И.У. Альберт, Б.Д. Кауфман, О.А. Савинов, А.М. Уздин – М.:Информэнерго. – 1988. – С. 64.
  8. Аптикаев, Ф.Ф. Проектные и реальные спектры реакции: проблема точности задания сейсмических воздействий / Ф.Ф. Аптикаев, О.О. Эртелева //
    Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №.1. – 2005. – С. 43 – 45.
  9. Аубакиров, А.Т. Особенности задания сейсмического воздействия для обоснования проекта сейсмоизолирующих фундаментов / А.Т. Аубакиров // Известия ВНИИГ. – 1989. – Т. 212. – С. 102 – 109.
  10. Белаш, Т.А. Сейсмоизоляция. Современное состояние / Т.А. Белаш, В.С. Беляев, А.М. Уздин, А.А. Ермошин, И.О. Кузнецова // В сб. «Избранные статьи профессора О.А.Савинова и ключевые доклады, представленные на четвертые Савиновские чтения». Санкт-Петербург. Изд. ЗАО «Ленингадский Промстройпроект». – 2004. – С. 95 – 128.
  11. Беллендир, Е.Н. Строительные нормы и правила проектирования гидротехнических сооружений для строительства в сейсмических районах / Е.Н. Беллендир, В.И. Бронштейн, В.Б. Глаговский, М.С. Ламкин, А.И. Савич, В.В. Степанов, А.А. Храпков // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2004. – № 5. – С. 67 – 73.
  12. Бешлиу, В.А. Оценка допустимой величины зазора при разрыве рельсовой плети с точки зрения безопасности движения поездов / В.А. Бешлиу // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. № 3. – 2012.
  13. Болотин, В.В. Статистические методы в строительной механике / В.В. Болотин // – М.:Госстройиздат. – 1961. – С. 202.
  14. Ботвинкин, Н.Н. Руководство по сейсмостойкости сооружений / Н.Н. Ботвинкин // – М. – Ташкент. Средне-Азиатское отд. объед. гос. изд. – 1933. – С. 160.
  15. Бугаев, Е.Г. Выбор ограниченного набора акселерограмм для проектирования унифицированной АЭС и типового оборудования / Е.Г. Бугаев // Экспресс-информация ВНИИИС. Сер.14.Сейсмостойкое строителъство. – 1982. – N 9. – С. 4 – 9.
  16. Верхолин, В.В. Оценка сейсмостойкости подвижного состава / В.В. Верхолин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2002. – № 2. – С. 9 – 10.
  17. Верхолин, В.В. Асимптотический анализ уравнений колебаний сейсмоизолированной системы с демпфером сухого трения и его приложения / В.В. Верхолин, Б.Н. Квасников, Е.А. Рулевич, А.М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2004. – № 1. – С. 32 – 36.
  18. Ветошкин, В.А. Вопросы практического использования современных методов расчетов энергооборудования на сейсмостойкость / В.А. Ветошкин, В.В. Костарев, А.Ю. Щукин // Труды ЦКТИ. – 1984. – Вып. 212. – С. 3 – 13.
  19. Воронец, В.В. Проблемы обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте в сейсмически опасных районах / В.В. Воронец, Ю.И. Ефименко, А.Е. Красковский, А.М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2003. – № 5. – С. 55 – 57.
  20. Воронец, В.В. К вопросу о назначении степени ответственности больших мостов / В.В. Воронец, И.О. Кузнецова, О.А. Сахаров, А.М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2004. – № 1. – С. 36 – 39.
  21. Гельфер, А.А. Разрушение мостовых опор и меры их защиты / А.А. Гельфер // Л. – М. Изд. – НКХ РСФСР. – 1938. – С. 150.
  22. Гиман, Л.Н. К вопросу расчета на сейсмические воздействия протяженных сооружений с дискретными опорами / Л.Н. Гиман, А.М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2002 – № 2. С. 18 – 23.
  23. Гиман, Л.Н. Об одной форме представления сейсмического воздействия для оценки корреляции колебаний точек дневной поверхности при расчете многоопорных конструкций / Л.Н. Гиман, А.М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2006. – № 2. – С. 22 – 25.
  24. Гольденблат, И.И. Проектирование сейсмостойких гидротехнических, транспортных, и специальных сооружений / И.И. Гольденблат, Г.Н. Карцивадзе, Ш.Г. Напетваридзе, Н.А. Николаенко // М. Стройиздат. – 1971.
  25. Гольденблат, И.И. Модели сейсмостойкости сооружений / И.И. Гольденблат, Н.А. Николаенко, С.В. Поляков, С.В. Ульянов // М. Стройиздат. – 1979. – С. 251.
  26. Гордеев, Ю.В. Моделирование устройств специальной сейсмозащиты кусочно-линейными системами / Ю.В. Гордеев, И.О. Кузнецова // Э. – И. Сейсмостойкое строительство. Вып. 4. 1996. – С. 37 – 41.
  27. ГОСТ 6249-52 «Шкала для определения силы землетрясений в пределах от 6 до 9 баллов».
  28. Гузеев, Р.Н. Алгоритм генерации синтетических акселерограмм из условия максимального совпадения спектра отклика и нормативной кривой динамичности / Р.Н. Гузеев // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2009. – № 1 – С.17 – 19.
  29. Гунчев, А.Н. Построение общих уравнений движения сейсмоизолирующих кинематических опор / А.Н. Гунчев, А.А. Долгая, А.М. Уздин // Строительная механика и расчет сооружений. – 1994. – № 1 – С. 16 – 20.
  30. Давыдова, Г.В. Генерация расчетных акселерограмм для оценки сейсмического риска / Г.В. Давыдова, С.В. Огнева, А.М. Уздин, М.Ю. Федорова // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. – 2011. № 4. – С. 42 – 47.
  31. Долгая, А.А. Статистический анализ интенсивности по Ариасу и скорости для реальных землетрясений / А.А. Долгая, А.В. Индейкин // Сейсмостойкое строительство. – 2002. № 2. – С.32 – 33.
  32. Елисеев, О.Н. Элементы теории трения, расчет и технология применения фрикционно-подвижных соединений / О.Н. Елисеев, И.О. Кузнецова, А.А. Никитин, В.Е. Павлов, А.Ю. Симкин, А.М. Уздин // С-Петербург. ВИТУ. – 2001. – С. 75.
  33. Елисеев, О.Н. Сейсмостойкое строительство / О.Н. Елисеев, А.М. Уздин // Учебник. СПб. Изд. ПВВИСУ. 1997. – С. 371.
  34. Железные дороги. Общий курс. / Под ред. А.М. Уздина // СПб. Изд. «Выбор». – 2002. – С. 367.
  35. 3авриев, К.С. Основы теории сейсмостойкости зданий и сооружений / К.С. Завриев и др. // М. Стройиздат. – 1970. – С. 224.
  36. 3еленьков, Ф.Д. Предохранение зданий и сооружений от разрушения с помощью сейсмоамортизатора / Ф.Д. Зеленьков // М. Наука. – 1979. – С. 49.
  37. Ильичев, В.А. Исследования по динамике и сейсмостойкости оснований и фундаментов / В.А. Ильичев // Труды НИИОСП. – 1981. – Вып. 75. – С. 138 – 153.
  38. Ильичев, В.А. Свайные фундаменты в сейсмических районах / В.А. Ильичев, Ю.В. Монголов, В.М. Шаевич // М. Стройиздат. – 1983.