Введение.
Главнейшей задачей дорожной отрасли России, непосредственно связанной с развитием народного хозяйства, является коренное улучшение состояния автомобильных дорог и сооружений на них. Проблема улучшения состояния автодорожных мостов в России, как наиболее сложных и ответственных элементов автомобильных дорог, усугубляется большим количеством сооружений с неудовлетворительным состоянием, как на дорогах общего пользования России в целом, так и на Федеральной сети.
В последние 10 лет участились случаи разрушения несущих элементов мостов под эксплуатационными нагрузками или воздействием водного потока. Очень медленно улучшается общее техническое состояние сооружений, не получается пока полностью избавиться от аварийных мостов, большой процент сооружений (-20%) продолжает оставаться в неудовлетворительном состоянии.
Для мостового хозяйства России сохраняется общая негативная оценка состояния, характерная и для сети автомобильных дорог в целом, что отражено в "Государственной концепции создания и развития сети автомобильных дорог в Российской Федерации" [14]. Показателями негативного состояния мостового хозяйства являются:
- недостаточная пропускная способность большого количества мостовых сооружений, особенно на подходах к областным и региональным центрам и другим крупнейшим городам;
- недостаточная грузоподъемность мостовых сооружений, заставляющая принимать меры по ограничению массы обращающихся транспортных средств и нагрузок на их оси;
- пока еще высокие темпы износа (накопления повреждений в конструкциях), снижающие в конечном счете сроки службы сооружений;
- низкий уровень безопасности движения по многим сооружениям, вызванный несвоевременным устранением повреждений элементов мостового полотна;
- постепенно снижающаяся по мере роста масс транспортных средств надежность мостовых конструкций (особенно на магистралях и дорогах европейского класса);
- наличие на сети сооружений с предельным износом.
Неудовлетворительное состояние мостового хозяйства в целом по сети приводит к большим социально-экономическим потерям в стране. Это заставляет пересмотреть сложившийся в прежние годы подход к проблеме улучшения мостовых сооружений, определить
желательные изменения в политике отрасли в ооласти мостов, которая должна в конечном счете устранить указанные выше недостатки. Выработка нового взгляда на проблему совершенствования мостового хозяйства, определению и решению конкретных задач этой проблемы и посвящена данная диссертационная работа. В частности работа отражает такие важные составляющие проблемы совершенствования мостового хозяйства как формирование методической основы системы эксплуатации мостов и создание Системы управления эксплуатацией (управления состоянием, качеством, надежностью, финансами...).
Структурно диссертация состоит из трех блоков (частей) исследования.
Первый блок посвящен обобщению и анализу состояния сооружений на федеральной сети. На основании этого анализа и с учетом [15] обосновываются концептуальные положения улучшения состояния мостов и основные направления исследований и действий для реализации Концепции [16]. Кроме того, определены основные цели и задачи диссертационной работы.
Второй блок посвящен созданию Системы управления эксплуатацией мостов (СУЭМ) и не только включает анализ современных зарубежных Систем управления, но и отражает опыт поэтапного создания СУЭМ в России, в том числе и по рекомендациям автора, начиная с 1990г. Пути усовершенствования СУЭМ нашли отражение в разработанной автором "Программе усовершенствования Системы управления эксплуатацией мостов в России", представленной на рассмотрение в государственную службу дорожного хозяйства Минтранса России ("Росавтодор"). Именно в этой программе отмечается важнейшая роль разработки и внедрения новой методологии оценки состояния мостовых сооружений и методологии прогнозирования состояния, что составляет третий блок исследования в диссертации.
Методология оценки состояния (глава III) базируется на новых методиках и включает различные методы решения конкретных (частных) задач. К особенностям этой методологии можно отнести то, что она
—• является многокритериальной - состояние оценивается не по одному показателю, а по совокупности показателей, что повышает достоверность оценки;
— отражает изменение основных потребительских свойств сооружения (грузоподъемность, безопасность и долговечность), в связи с чем пришлось разрабатывать несколько специальных методических и нормативных документов;
- учитывает изменение состояния каждого элемента;
- дает количественную, а не качественную, как было раньше, оценку с конкретными значениями показателей безопасности (безопасная скорость движения по мосту, км/ч) и долговечности (остаточный ресурс сооружения и его элементов, годы);
- дает возможность не только констатировать, но и позволяет определить режим эксплуатации, используя установленные количественные показатели, и определить виды и стоимость необходимых работ на мосту.
Новая методология прогнозирования работ по содержанию, ремонту (капитальному ремонту) и реконструкции (глава IV) основывается на более объективной оценке состояния и предусматривает использование новых методик, разработанных автором или при участии автора:
- прогнозирования состояния элементов и конструкций при сетевом планировании, когда рассматривается большая группа мостов [70];
- расчетного прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений [191];
- определения оптимальных стратегий эксплуатации -позволяет установить требуемые объемы работ [71];
- определения приоритетности капитальных вложений, что позволяет составить ранжированный ряд объектов;
- планирования работ на сетевом и локальном уровне с учетом реально имеющихся ресурсов;
- прогнозирования усталости отдельных элементов [191]. Четвертый блок работы посвящен вопросам внедрения (глава
V). В нем не только имеется перечень документов, объектов, Управлений (дирекций) автомобильных дорог, где осуществлено внедрение- работ автора, но и сформулированы принципиальные положения методики среднесрочного планирования работ по ремонту и содержанию.
Теоретические и экспериментальные исследования, сбор фактических данных о состоянии сооружений на сети, которые нашли отражение в диссертации, были начаты одновременно с работой над кандидатской диссертацией в начале 70-х годов. Однако новый нодход к определению и оценке состояния сооружений был опробован лишь в конце 80-х годов, когда было начато формирование базы данных по мостам для Молдавии.
За двадцать лет работы над проблемой улучшения состояния мостов автором и коллективам сотрудников Отдела эксплуатации
мостов РосдорНИИ, которым руководил автор, - фактически была сформирована научно-методическая основа Системы эксплуатации и отработана оптимальная модель управления эксплуатацией мостов.
В этой модели и нашли воплощение новые методологии оценки и прогнозирования состояния мостов для дорог различной категории и различных климатических районов, которые и являются ключевыми разделами в диссертации.
При выполнении исследований автором использованы современные методы расчетов, в частности определения несущей способности и грузоподъемности, применялись линейные и нелинейные математические модели, устанавливающие корреляционные зависимости, использовались принципы системного подхода и методы теории надежности, математической статистики, проводились экспериментальные исследования и теоретический анализ, включая обобщение опыта, использовались современные возможности компьютерной техники.
Диссертация выполнена в Государственном предприятии ТП "РосдорНИИ".
Глава I. Анализ состояния мостовых сооружений на Федеральной сети и пути их усовершенствования.
1.1. Характеристика парка мостов.
Количество и протяженность мостов на общей сети дорог ежегодно меняется, в связи с чем приводимые статистические данные справедливы для конкретного года статистической отчетности и могут не соответствовать другим опубликованным данным. В тоже время, относительные показатели имеют большую достоверность и более стабильны во времени, поэтому их использование для качественной и количественной оценки парка мостов представляется вполне допустимой и наиболее объективной. Именно поэтому в работе преобладают относительные показатели.
Всего на дорогах общего пользования России эксплуатируется 41,8 тыс. мостов, в том числе капитальных ~33,5 тыс. шт., протяженностью около 1500км [31, 198]. В основном это железобетонные мосты (мосты полностью или частично с железобетонными пролетными строениями), число которых составляет 29,5 тыс. шт. (таблица 1.1).
В общем числе железобетонных пролетных строений большая часть представляет собой ребристые конструкции с обычной арматурой — с диафрагмами и без диафрагм. Причем процент бездиафрагменных пролетных строений постоянно возрастает (таблица 1.2) за счет преимущественного их применения в течение последних 20 лет. Даже по сравнению с данными 1995г. соотношение между диафрагменными и бездиафрагменными конструкциями существенно изменилось. Это свидетельствует о том, что конструкции 50х-60х годов разработки практически все заменены на современные (бездиафрагменные) конструкции.
Одновременно с этим возрос процент пролетных строений с напрягаемой арматурой. В последние годы с напрягаемой арматурой применяли и балки длиной 18м, 15м, а иногда и 12м, что традиционно раньше было областью применения каркасных балок.
Немногим более 8% (по количеству) приходится на мосты с металлическими или сталежелезобетонными пролетными строениями (3500 шт.) Эти мосты включают около 8,4 тыс. пролетных строений общей длиной 245км. В основном это балочные пролетные строения со сплошной стенкой (~75%) и прокатными стальными балками (—20%). Их число не только не сокращается, но постепенно возрастает, хотя и не такими темпами как железобетонных пролетных строений с напряженной арматурой.
Мосты на дорогах общей сети Российской Федерации (2000г.)
¦ ¦
..
Ч-
Таблица 1.1
Количество Протяженность Средняя длина моста, м
тыс. шт. % км %
Всего мостов на общей сети 41,8 100 1600 100 38,3
Из них: - Капитальные 33.5 80.1 1500 93.7 44.8
в т.ч.: а) железобетонные б) стале-ж/б и стальные в) бетонные и каменные - Деревянные 29,5 3,5 0,5 70,6 8,4 1,1 19.9 1245 245 10 100 77,8 15,3 0,6 6Д 42,2 70,0 20,0 12.0
Примерная распространенность различных типов железобетонных пролетных строений в мостовых сооружениях дорог общего
пользования
Таблица 1.2
Распространенность по числу пр. стр.,
Тип пролетного строения % по данным на:
1980г. 1990г. 1995г. 2000г.
С обычной арматурой 67 65 58 55
в том числе
- сборные ребристые с диафрагмами 37 25 21 14
- сборные ребристые без диафрагм 22 35 33 37
- плитные 2 1 2 2
- остальные 6 4 3 2
С высокопрочной арматурой 33 35 42 45
в том числе
- ребристые балочные 23 25 32 36
- плитные 4 4 4 3
- коробчатые и рамные 4 5 5 5
- остальные 2 1 1 1
На автомобильных дорогах общего пользования Российской Федерации остается все еще значительное количество деревянных мостов - 8,3 тыс. шт. или ~100км, что составляет 19,9% от числа и более 6% от общей протяженности искусственных сооружений (см. таблицу 1.1).
В некоторых областях России процент деревянных мостов существенно выше среднего. Например, их более половины в Алтае, Коми, Бурятии, около 60% в Карелии и Иркутской области, около 70% в Хабаровском крае (726 шт.), Якутии (486 шт.) и Читинской
10
области, то есть в районах, богатых древесиной [31]. В Архангельской области число деревянных мостов превышает 85% от общего числа сооружений области и составляет 843 шт. [174]. Фактически лишь в Московской, Брянской, Калининградской, Кемеровской, Тульской, Орловской и Саратовской областях, а также в Республике Мари Эл и в южных районах ЕЧ РФ проблема деревянных мостов отсутствует из-за отсутствия или малого их количества (менее 1%) на общей сети автомобильных дорог.
Состояние деревянных мостов на общей сети крайне неудовлетворительное. По результатам обследования деревянных мостов в последние годы в Архангельской, Свердловской, Кировской, Вологодской областях более 15% сооружений находятся в аварийном состоянии, а остальная часть требует ремонта.
До сих пор на сети остается большое количество малых мостов (Рис. 1Л)*К Со временем число малых мостов уменьшается, хотя и медленно. В основном малые мосты, включая деревянные, расположены на местной сети.
Таким образом, для общей сети характерно:
- постоянное возрастание количества капитальных мостов с ежегодным приростом до 3,4% по числу сооружений и до 5,0% по протяженности (Рис. 1.2);
- заметное снижение прироста сооружений с 1998г., когда более приоритетным стало не развитие сети дорог, а их совершенствование (до 1,4-5-1,5% в год по числу сооружений и до 3,4ч-4,1% по протяженности);
- незначительное увеличение средней длины Ьф мостов (таблица 3);
- постоянное снижение числа и протяженности деревянных мостов (с 15 тыс. шт. и 160км в 1991г. до 8,3 тыс. шт. и 100км в 2000г.), и все же сохранение районов, где число деревянных мостов превышает 50% - в основном на территориальных дорогах;
- неуклонное увеличение процента капитальных мостов в общем числе и протяженности сооружений (Рис. 1.3) с сохранением высокого процента железобетонных пролетных строений (88%);
- постоянное увеличение пролетных строений с напрягаемой арматурой, число которых на сети приблизилось к числу железобетонных конструкций с каркасной арматурой;
- значительное количество малых мостов, процент которых постепенно снижается, тогда как процент больших мостов неуклонно возрастает.
•) малые мосты - длиной до 25м, большие мосты - длиной свыше 100м.
II
-
.
Однако для мостовых сооружений федеральной сети дорог ситуация несколько иная, иные отсюда и акценты. Прежде всего это касается деревянных мостов, которые практически все уже перестроены (табл. 1.4), прежде всего по причине недостаточной грузоподъемности.
Наличие и протяженность мостов (путепроводов) и водопропускных
труб на автомобильных дорогах общего пользования в
Российской Федерации в 1992-1999 годах.
Таблица 1.3
Наименование показателей Единица измер. По состоянию на 01.01. соответствующего года
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Мосты (путепроводы) - всего шт. 367898 37545 37761 38675 39987 40603 41182 41900
пог. м 1251969 1295096 1333326 1398814 1455158 1496639 1542596 1599989
в том числе деревянные шт. 11504 10947 10136 9799 9431 9067 8623 8336
пог. м 120792 117133 111496 110729 108456 104270 101320 100032
.Lcdj M 10,5 10,7 11,0 п,з 1U 11,5 11,75 12,0
капитальные шт. 25394 26598 27625 28876 30536 31536 32559 33464
пог. м 1125425 1174679 1218789 1286125 1346701 1392368 1441276 150000С
Ьср,м 43,9 44,2 44,1 44,5 44,1 44,1 44,3 44,8
Наличие и протяженность мостов (путепроводов) на федеральных автомобильных дорогах в Российской Федерации в 1992-1999 годах.
Таблица 1.4
Наименование показателей Единица измер. По состоянию на 01.01. соответствующего года
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Мосты (путепроводы) - всего шт. 4468 4578 4607 4990 5168 5284 5388 5594
пог. м 237727 244749 249635 280624 291012 294295 301607 323170
в том числе деревянные шт. 164 174 165 146 109 97 84 82
пог. м 1968 2227 2227 1986 1526 1377 1235 1230
12,0 12,8 13,5 13.6 14,0 14,2 14,7 15,0
капитальные шт. 4304 4424 4442 4844 5059 5187 5304 5512
пог. м 235759 242522 247408 278638 289486 292918 300372 321940
54,8 54,8 55,7 57,5 57,2 56,5 : 56,6s 58,4
Следовательно на современном этапе из Системы управления мостами на Федеральной сети практически исключается содержание и ремонт деревянных мостов и сохраняется линия на постепенную их замену на капитальные, что в первую очередь требуется в Упрдоре "Лена" (41 coop.) и ГУПАД "Колыма" (23 coop.).
12
¦i-
Совершенно иное имеем распределение мостов и по длинам (Рис. 1.4):
- процент малых мостов не превышает 20%, а больших мостов - приближается к 30%;
- в последние годы увеличилось число внеклассных сооружений - сооружений длиной свыше 500м или меньшей длины с пролетами 150м и более (сегодня их 25шт., тогда как даже в 1995г. их было всего 15шт.).
Следовательно для Управления мостами актуальность малых сооружений снижается. Появляется новая группа забот - большие и, в первую очередь, внеклассные мосты, для которых должны разрабатываться специальные требования по эксплуатации и соответствующие нормативные документы.
На федеральной сети сохраняется преимущественное число ж/б мостов (табл. 5). Число железобетонных пролетных строений с напряженной арматурой примерно равно числу пролетных строений с обычной арматурой. Наибольшее число пролетов имеют длину 15-т-18м - здесь как ребристые, так и плитные пролетные строения (Рис. 1.5). Наиболее распространены пролетные строения длиной от 12 до 24м (75%; 16600 шт.), то есть цельноперевозимые конструкции, что важно при планировании затрат на замену балок или пролетных строений целиком [174].
Мосты на Федеральной сети (2000г.).
Таблица 1.5
Данные о мостовых сооружениях Количество Протяженность Средняя длина моста, м
шт. % км %
Всего 5594 100 323,17 100 57,8
Из них: - Капитальные, всего в т.ч.: а) железобетонные б) стале-ж/б и стальные в) бетонные и каменные - Деревянные 5512 5034 98.5 321.94 99.6 58.4
90,0 267,38 82,7 53,1
450 28 82 8,0 0,5 1Л 54,00 0,56 1.23 16,7 0,2 QA 120,0 20,0 15.0
13
За последние 5-6 лет заметно увеличилось применение монолитного бетона в пролетных строениях мостов Федеральной сети. Так каждый 20-й строящийся железобетонный мост (путепровод) имеет монолитное пролетное строение. В каждом пятом мосту со сталежелезобетонным пролетным строением железобетонная плита выполняется монолитной. Применение монолитного железобетона может стать обычным делом для будущего мостостроения [63].
Следует отметить как важное качественное отличие сегодняшнего парка мостов широкое применение стальных пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части. Стало уже обычным применение ортотропной плиты при пролетах до 30м и длинах мостов до 50м. Эти конструкции используют и при ремонте (реконструкции), преследуя цель уменьшить постоянную нагрузку на опоры или увеличить подмостовой габарит в путепроводах.
1.2. Состояние мостовых сооружений.
Рассмотрим состояние с позиции требований ВСН-4-81 [23], которые предусматривают оценку по трем показателям (трем потребительским свойствам):
- безопасности движения и пропускной способности;
- грузоподъемности;
- долговечности.
Обобщенный показатель состояния в указанном выше документе дается оценкой по трехбалльной системе (хорошее, удовлетворительное и плохое состояние), традиционно используемой в России. Причем, в неудовлетворительное состояние входят и аварийные мосты. В своем анализе состояния учтем и тенденции его изменения, что должно определить основные требования к Системе управления на современном этапе.
С позиции пропускной способности состояние на сегодня официально оценивается только по величине габарита. В качестве требуемого (достаточного) габарита принимаются значения, приведенные в СНиП 2.05.03-84* [21] с учетом допустимого снижения ширины полосы безопасности. Сопоставляя требуемый и фактический габариты, можно отметить следующие особенности (табл. 6).
14
? Малые (17138 шт) 41%
В Большие (4598 шт) 11% •
I Средние (20064 шт) 48%
Рис. 1.1. Число мостовых сооружений разной длины на
общей сети (2000 г.)
15
6,0%
5,0%
3,7%—3,7% -I l-| 3,4%
В число сооружений ? протяженность
1,0%
0,0%
1991 г. 1993 г. 1994 г. 1995 г. 1996 г. 1997 г. 1998 г. 1999 г. 2000 г.
Рис. 1.2. Ежегодный прирост капитальных сооружений на
общей сети дорог.
'**¦>.
:>*!• V :»У '"V"
16
Число мостов, Протяженность мостов, км тыс. шт
35000 1800
25000
15000
5000
. И -"------------------'
1500 Капитальные мосты (1) ,—-— -—-*¦
t .--^ ^— L—¦—¦ -^-—
1200^ "§00 ^—
600
300 Дер евянные и осты (II)
- -А-
— тт —. — - ¦¦»¦ —II ' ¦¦
¦' 11111
33,5 тыс. шт 1500 км
8,3 тыс. шт 100 км
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
t, годы
Рис. 1.3. Изменение числа и протяженности капитальных (I) и деревянных (II) мостов на общей сети. |
