Технические и технологические инновации по предотвращению автототранспортных заторов

В настоящее время почти все европейские страны, в том числе Россия, имеют официальные национальные системы управления мостами, которые начали создаваться с начала 80-х годов прошлого столетия и постоянно совершенствуются. Они включают в себя комплекс мероприятий по обеспечению высокой эксплуатационной надёжности мостовых сооружений на всём их жизненном цикле, начиная с проектирования, заканчивая реконструкцией и заменой.

На этапе предпроектного анализа и собственно проектирования исследуется влияние различных факторов, определяющих нагруженность и степень повреждающего воздействия элементов мостовых сооружений. В первую очередь, по результатам многолетних наблюдений оценивается роль такого опасного природного явления, как землетрясение, проявляющееся в виде сейсмических нагрузок, учитываемых в расчёте, например в работе [1], в которой для оценки степени сейсмического воздействия на мостовое сооружение, в целом, и вибрационной уязвимости отдельных его конструкций исследователями использована модифицированная имитационная математическая модель перемещения грунта с источниками толчков различной магнитуды (средняя М=6,5) на глубине 30 м, порождающих колебательную волну, распространяющуюся со скоростью 300 м/с.

Нагруженность тросов виртуального подвесного, точнее висячего моста (рис. 1) с длиной основного пролёта 1708 м на плоской и пространственной конверсионных конечно-элементных имитационных математических моделях исследуется [2], например, с выявлением влияния поперечного и крутильного, в том числе ветрового, нагружения на значения внутренних силовых факторов напряжённо-деформированного состояния несущих тросов мостовиками-строителями из университета китайского Шанхая. А специалистами из университета китайского Сианя на основе решения задачи нелинейного программирования с использованием для определения искомых откликов на нагружение плана Бокса-Бенкина метода планирования эксперимента с получением квадратичного полинома регрессии проводится [3] исследование натяжения тросов в многофункциональной модульной конструкции арочного моста со стальным трубным армированием железобетона.

Анализ параметрических колебаний тросов вантового моста (рис. 2) с использованием аппарата усечённой модальной теории Галеркина в нелинейном программном пакете позволил [4] сотрудникам архитектурно-строительного колледжа университета китайского Ичана по модифицированным уравнениям вынужденных колебаний провести оценку их нагруженности с учётом градиента атмосферного воздействия в виде динамики температур и возможности возникновения резонанса.

В этом плане очень важным моментом является расчётное выявление основной частоты виброколебаний моста. Для повышения точности проектных расчётов вибронагруженности пилонов, балок пролётов и тросов висячих мостов сотрудниками автодорожного колледжа университета китайского Сианя, наряду с симметричными, предлагается [5] учитывать асимметричные и боковые амплитудно-частотные характеристики колебаний, оцениваемые в модифицированных конечно-элементных имитационных математических моделях по методу Рэлея.

Теоретическая, имитационная и экспериментальная оценка изгибной и сдвиговой нагруженности опор и сопряжений преднапряженных железобетонных мостовых´конструкций исследователями из Юго-Западного университета и проектно-планировочного института коммуникаций китайского Нанкина проведена [6] по имеющейся эмпирической информации об отечественных и зарубежных мостах. Её результаты позволили разработать новую формулу расчёта несущей способности мостовых конструкций с учётом допустимости 35...55 % напряжений от предела прочности и оптимальности уровня армирования.

Нагруженность многополосных большепролётных мостов в колледже гражданского строительства Технологического университета китайского Нанкина исследована [7] на микроскопической имитационной математической модели перемещения клеточных автоматов в модифицированных компьютерных виртуальных экспериментах на примере моста через р. Янцзы. По результатам их верификации с проездными испытаниями усовершенствована организация функционирования платных пропускных пунктов.

Адекватность расчётных данных реальным условиям эксплуатации автодорожных мостов позволяет правильно выбирать их параметры. Для их уточнения в колледже гражданского строительства и транспорта Южно-Китайского технологического университета Гуанчжоу проведён [8] анализ статистических распределений интенсивностей прохождения колёсных транспортных средств по автомобильно-дорожному мосту. Он позволил установить средневзвешенный временной интервал в 3 с и дистанционный в 44,35 м, которые рекомендуется использовать при расчётном проектировании с целью оптимизации нагруженности мостов.

Эта информация необходима как для целевого проектирования, так и для обоснованного по нагрузкам испытания мостовых конструкций. Что и подтверждено [9] на конечно-элементных имитационных компьютерных моделях сотрудниками колледжа гражданского строительства университета, научно-исследовательского института мостов и лаборатории надёжности и безопасности мостов китайского Уханя по геометрическим параметрам, расположению и прочности стержневых закладных деталей. Результаты исследовательских экспериментов по напряжённо-деформированному состоянию и долговечности железобетонных мостовых конструкций лягут в основу пересматриваемого национального стандарта на методы их испытаний.

В процессе эксплуатации мостов в них накапливаются повреждения, степень которых необходимо отслеживать. Для этого используются различные способы, включая измерения датчиками параметров напряжённо-деформированного состояния и регистрации трещин в несущих мостовых конструкциях. Так, например, коллективом исследователей с факультета механики сплошных сред и структурного анализа, инженерно-механического факультета Мадридского университета им. Карлоса III и Политехнического университета итальянской Удины для этого предлагается [10] использовать разработанный ими новый метод регистрации даже микроскопической трещины в стальной и железобетонной опорной балке, раскрывающейся при изгибе. Он основан на идентификации двух первых гармоник часто собственных колебаний.

А специалистами в области гражданского строительства Пекинского технологического университета рассматривается [11] возможность повышения точности идентификации индекса ущерба контактных сопряжений пролётов моста по измеренному изменению вертикальной кривизны по минимальному набору контролируемых параметров (интенсивность нагружения, радиусы кривизны и крутильные напряжения в подпятниках опор).

Потеря несущей способности мостовых железобетонных балок происходит и вследствие природных и техногенных воздействий, например, из-за высоких температур при пожаре. В лаборатории испытаний и совершенствования технологий мостостроения университета китайского Сианя проанализирована [12] динамика процесса и механизм потери несущей способности преднапряженных железобетонных коробчатых балок при длительном (40...60 мин) воздействии высоких температур разной интенсивности теплового нагружения. Оценена эффективность конструктивно-технологических мероприятий по повышению огнестойкости железобетонных изделий.

Безусловно, важным элементом эксплуатации мостовых сооружений является содержание их в надлежащем состоянии поддержанием технических кондиций. Так, например, инновационной представляется [13] разработанная и успешно экспериментально апробированная дорожно-технологической фирмой Sika Deutschland система дорожного поверхностного упрочнения асфальтового покрытия бетонных мостов. Она основана на использовании герметизирующих двухкомпонентных жидких полиметилметакрилатных с отвердителем Ergodur Pronro Hardenes битумных или полимерных составов, наносимых простым проливом и механическим растягиванием по поверхности несущей структуры даже при 0 °С и высыхающих за 30 мин и через 2 ч способных эффективно выполнять свою функцию по восприятию номинальных нагрузок проходящего автомобильного транспорта.

Своевременное и соответствующее степени износа мостовых конструкций техническое обслуживание и ремонт позволяют продлить полноценный срок службы мостов с их высокой пропускной способностью. В этом плане привлекает к себе внимание использование экономичного способа Üкое подразделения модульных конструктивных систем дорожного концерна MAURER (Германия) по замене изношенных стыков звеньев пролёта высотной скоростной автомобильной эстакады немецкого Гамбурга. Эти обеспечивающие скорость движения по ней 70 км/ч модули длиной 2,2 м улучшенного восприятия динамически изменяющихся температурных и механических нагрузок были заменены [14] за шесть недель во временном интервале 20.00 – 05.00 ч.

Для лучшего использования автодорожной сети с автомобильными мостами повсеместно широко применяются технологии и средства отслеживания транспортных потоков (рис. 3) и методы маршрутизации. Среди них своей инновационностью выделяется [15] пилотный проект в рамках намеченной для экспериментальной апробации в конце 2016 г. исследовательской программы VABENE++ института высокочастотной техники и радарных систем Германского аэрокосмического центра DLR. Она реализуется с 2003 г. аэрокосмической системой наблюдения в трёх проектах: радарного мониторинга трафика TRAMRAD, воздушного мониторинга ARGOS и транспортного менеджмента, в т. ч. с отслеживанием, регистрацией и оповещением о крупных авариях и катастрофах VABENE. Эта система состоит из размещённых, главным образом, на борту исследовательского самолёта Do 228 с условным обозначением D-CFFU или спутника фото – и/или видеокамер, функционирующих в ясную погоду и доплеровских лазерных датчиков с длиной поляризованной волны 3 см, включающихся при облачности и ночью. С высоты 3 км изображение или отражённые от объектов на поверхности Земли цифровые сигналы с точностью 25 см фиксируются и обрабатываются в электронном модуле с частотой 25 мин-1, а с высоты 20 км – с точностью 50 см – 50 мин-1. Эти мероприятия позволяют в режиме реального времени оценивать транспортную ситуацию, в т. ч. с заторами перед мостами.

Предотвратить эти преграды на пути автотранспорта помогает использование современных прогрессивных транспортно-технологических процессов. Их преимущества наглядно проявились [16], например, при транспортировке и монтаже пластмассовых пожарных гофрированных цилиндрических резервуаров для воды мод. «Carat XXL» единичной ёмкостью 122 тыс. л немецкой фирмы Graf, полностью соответствующих требованиям национального стандарта Германии DIN 3223. Для их доставки на территорию, в данном конкретном случае, детского дома в Гернсгейме не потребовалось большегрузного негабаритного колёсного подвижного состава. Из-за лёгкости конструкции, к тому же более дешёвой по сравнению с бетонной и стальной, достаточным оказалось использование общетранспортного трёхосного автомобильного тягача и трёхосной платформы полной массой много меньше разрешённых 40 т, соединённых самим резервуаром. Укладка в предварительно вырытую траншею с песчаной подсыпкой была осуществлена стреловым краном на автомобильном колёсном шасси

А успешной и эффективной реализации широкомасштабной стратегии электрификации Германии с расширенным использованием возможностей ветровой энергетики, требующей прокладки 7500 км электрокабелей от оффшорных установок до потребителей на европейском материке способствует [17] применение интеллектуальной кабельная транспортной технологии доставки и использования, разработанной немецкими предпринимателями Omexom ISA/Vinci Energies и Derena Bohrtechnik. Она основана на использовании колёсного трактора и прицепного подвижного состава общестранспортной габаритной шириной 2,5 м на широкопрофильных пневматических шинах, позволяющего без продавливания дорожного покрытия из-за избыточной нагрузки на одиночную ось перевозить по дорогам общего пользования, грузить, разгружать без использования крана и протягивать толстый кабель, намотанный на катушку диаметром до 4 м (ранее – до 2,8 м) и массой до 22 т (ранее – до 12 т). Инновационным ядром этой интеллектуальной технологии является составное прицепное звено транспортного средства, представляющее собой комбинацию сопрягающихся шарниром одноосного прицепа с поворотным кругом и одноосного полуприцепа с разделяющейся поперёк рамой с поперечным цепным подъёмником и траверсой вертикально-ребордной установки кабельной катушки.

И всё же, несмотря на предпринимаемые меры по надлежащему содержанию мостовых сооружений и оптимизации маршрутных и транспортных технологий, избежать заторов на автомобильных дорогах не удаётся. Это вызвано, в т. ч. состоянием мостов. Даже в такой экономический благополучной и процветающей стране Евросоюза, как Германия – его локомотива прогресса, по данным Автомобильного Клуба (ADAC), многие мосты в настоящее время находятся в плачевном состоянии. Недавно ADAC проверил 30 мостов в десяти городах Германии. Из них семь оказались в неудовлетворительном состоянии. И только четыре моста получили хорошую оценку. Ещё 19 мостов были оценены на «удовлетворительно». Самым лучшим мостом был признан Dreeschbrücke в Шверине, который был построен в 2000 г. А самыми плохими – три моста в Любеке, а также путепровод на улице Stadionstraße в Шверине, который был построен в 1974 г. Вице-президент ADAC по транспорту Ульрих Клаус Беккер, сообщил, что 67 тыс. из примерно 130 тыс. автомобильных мостов в Германии находятся в ведении муниципалитетов. Почти половина из них в плохом состоянии, а 15 % необходимо снести.

По данным Союза автотранспортников Германии [18], более 300 нуждающихся в замене или серьёзной реконструкции мостов страны представляют собой непреодолимую преграду для большегрузного автотранспорта, являющегося главным звеном крупнотоннажной логистики, не всегда успешно заменяемым железнодорожным и речным транспортом. Только в промышленно развитой федеральной земле Северный Рейн-Вестфалия с основными производителями ветрогенераторов, на 27 мостах на 13 автомагистралях действуют ограничения по нагрузкам: в Радере – Северо-Восточный канал на федеральной трассе А7 – общей полной массой всего одновременно проезжающего автотранспорта 84 т с планом устранения препятствий в 2026 г., в Леверкузене – через р. Рейн на автомагистрали А1 – до 2020 г. и вовсе с проездом грузовых автомобилей полной массой до 3,5 т и т.д. Транспортники и вся логистика несут большие потери и вынуждены прибегать к разным уловкам, изобретая способы преодоления этих преград. На выручку приходят такие специалисты по решению экстраординарных проблем с большегрузами как Kahl+Jansen, Goldhofer и Greiner (все – Германия) предлагающие сборные 89-метровые платформы C2 I K 600 с несущей способностью до 550 т 24-осного автопоезда, опирающиеся не на перекрытие, а только на боковые конструкции или непосредственно опоры моста. Совместно со швейцарским Global Heavy Logistics Kahl+Jansen предлагает виадуки по типу военных переправ, а Hawart Sondermaschinenbau (также – Германия) – большегрузные платформы контейнерно-фитингового типа универсального применения на автомобильном, железнодорожном и речном транспорте.

Но эти меры, естественно, являются вынужденными в конкретных, в общем-то, противоестественных по сути своей ситуациях с нарушениями в нормальной организации транспортной логистики. И дело здесь не только в том, что мало выделялось средств, но и в том, что ранее не соблюдались основные принципы системного подхода к обеспечению сбалансированности транспортной логистики и не были сформулированы принципы создания системы управления мостами.

Мировой и европейский опыт позволяет в настоящее время достаточно точно сформулировать эти принципы. В частности, выводы из реальных результатов работы зарубежных и отечественной систем управления мостами о необходимости её увязке с системой эксплуатации, оптимизации плана работы, разработке нормативной базы и необходимости прогнозирования состояния мостов можно дополнить следующими:

– система оценки состояния должна быть максимально приближена к объективной; многокритериальность – основа достоверности такой оценки;

– управленческий аппарат (менеджеры) должен принимать решения о рациональном распределении бюджета (фонда) на основании исследования и прогнозирования состояния мостов при как можно более частом получении информации;

– система должна базироваться на объективной базе данных, заложенных в компьютеры последнего поколения с практически неограниченными возможностями.

Управление состоянием мостов должно учитывать современные условия, сложившиеся не только в последнее десятилетие, но и в последние годы, а также особенности состояния мостовых сооружений. К ним следует отнести дефицит денежных средств, недостаточный объём финансирования работ по содержанию и ремонту мостов, увеличение количества мостов, которые вынуждены эксплуатироваться в режиме «перегрузки», резкое увеличение количества тяжёлых и сверхтяжёлых транспортных средств, обращающихся по дорогам всех стран мира, в том числе по федеральной дорожной сети России (на некоторых участках их число доходит до 30 %), увеличение реальных скоростей движения автомобилей по дорогам, отставание от реалий нормативной база эксплуатации мостов, требующей быстрейшего обновления, уменьшение количества малых мостов и, наоборот, рост числа больших, недостижение планируемых показателей по долговечности сооружений, а именно по времени эксплуатации в работоспособном состоянии (28 лет вместо требуемых 35 лет и более) и времени эксплуатации до предельного износа (50 лет вместо требуемых 65 – 70 лет).

В связи с этим основной целью совершенствования системы управления мостами является обеспечение эффективности управления, которое сделает возможным улучшить транспортно-эксплуатационное состояние сооружений и повысить качество услуг, предоставляемых пользователям дорог. Реализовать главный замысел концепции улучшения состояния мостов позволяет понимание этапов их жизненного цикла.

Мостовое сооружение за свою жизнь проходит три важнейших этапа эксплуатации. Построенное сооружение эксплуатируется какое-то время без снижения надёжности. За этот первый период бездефектной эксплуатации протекают основные длительные деформации (усадка и ползучесть), возрастает прочность бетона, нормально функционирует система водоотвода и не нарушается изоляция у деформационных швов, водоотводных трубок, стоек ограждений и тротуаров. Вероятность безотказной работы сохраняется на уровне не менее 0,9986; индекс надёжности – не менее 3,0. В указанный период за мостом осуществляется лишь уход. Продолжительность этого периода зависит от качества строительства и составляет от 5 до 8 лет (по данным на 2005 г.).

Второй этап характеризуется возникновением и развитием дефектов, изменением свойств бетона и коррозией металла. Появляются отказы в элементах, срок службы которых ниже, чем пролётных строений (в покрытии, деформационных швах, системе водоотвода, изоляции и т.д.). Продолжительность второго этапа определяется временем, за которое вероятность безотказной работы пролётного строения снижается до 0,9, т.е. индекс надёжности уменьшается до 1,3. За этот период за мостом ведётся уход и периодически выполняются профилактические работы в рамках работ по содержанию. Продление указанного этапа возможно при проведении планово-предупредительных работ, которые могут отодвинуть работы по ремонту и капитальному ремонту моста на 5 – 15 лет. Экономическая целесообразность такого «смещения» капитальных затрат очевидна.

Снижение надёжности на 1,7 индекса означает, что дальнейшая эксплуатация моста по первоначальной схеме невозможна, мост должен закрываться на ремонт или реконструкцию, поскольку работоспособность пролётных строений оказалась исчерпанной. Если выполнение ремонта задерживается и по каким-то причинам должно быть перенесено на более поздний срок, дальнейшая временная эксплуатация моста возможна лишь при пересмотре условий нагружения сооружения, т.е. при введении существенных ограничений по массе временной нагрузки и изменении условий движения. Чаще всего после такой временной эксплуатации требуется замена сооружения. Продолжительность этого этапа составляет, как правило, 5 – 10 лет.

Продолжительность третьего этапа (эксплуатация сооружения после ремонта) определяется временем достижения такого состояния сооружения, когда при максимально возможных ограничениях по временной нагрузке вероятность безотказной работы пролётных строений опять достигает 0,9.

Предельный срок службы моста установлен по повторному отказу и характеризует такое состояние, когда ремонтные мероприятия оказываются менее выгодными, чем замена моста. Ну, а в доказательстве или обосновании важности и необходимости учёта особенностей эксплуатации мостов на протяжении всего его жизненного цикла и соблюдения требований к поддержанию работоспособного состояния просто нет необходимости.

В.А. Грушников, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ВИНИТИ РАН, г. Москва

 

Литература

1. Li N., Wang J., Li Z. Seismic Fragility Analysi of Bridge Structure Based on Ground Motion Prediction Equation// Tianjin daxue xuebao. Ziran kexue yu. Gongcheng jish ban = J. Tianjin Univ. Sci. and Technol. – 2016. – 49, № 6. – P. 624-630.

2. Xia J., Li K., Ge Y., Zhou C. Dynamic Characteristics and Flutter Performance Bridge With Double Introverted Main Cables// Huazhong keji daxue xubao. Ziran kexue ban = J. Huazhong Univ. Sci. and Technol. Natur. Sci. – 2016. – 44, № 6. – P. 91-97.

3. Zhu Y., Cui F., Xu Y. Determination of Supporting Cables Tensioning Force for CFST Arch Bridge Based on Response Surface Method// Wuhan daxue xuebao. Gongxue ban = Eng. J. Wuhan Univ. – 2016. – 49, № 3. P. 402-406.

4. Wang F., of Cable Parametric Vibration Model and Response with Consideration of Temperature Effect// Chongqing jiaotong daxue xuebao. Ziran kexue ban = J. Chongqing Jiaotong Univ. Nat. Sci. – 2016. – 35, № 2. – P. 175-178.

5. Yang G., Li Z., Hao X., Wang X., Song T. Practical Formulas for Calculating Fundamental Frequency of Symmetric Vertical Vibration of asymmetry Suspension Bridges// Wuhan daxue xuebao. Gongxue ban = Eng. J. Wuhan Univ. – 2016. – 49, № 2. – P. 247-253.

6. Yuan A.-m., He Y., Dai H., Sun D.-s. Force Bearing Performance Test of Precast Segmental Bridge Beams With Different Tendon Ratios Under Different Loads// Chang´an daxue xuebao. Ziran kexue ban = J. Chang´an Univ. Nat. Sci. Ed. – 2016. – 36, № 1. – P. 58-68.

7. Mao X., Li Z., Li X., Xu X. Multi-Lfne Random Traffic Flow Load Simulation and Application of Long-Span Bridge// Nanjing gongye daxue xuebao. Ziran kexue ban = J. Nanjing Univ. Technol. Natur. Sci. – 2016. – 36, № 3. – P. 99-106.

8. Wang Q., Su C. A Probe into Travel Spacing of Vehicles on Highway Bridges// Yuanan ligong daxue xuebao. Ziran kexue ban = J. S. China Univ. Technol. Natur. Sci. Ed. – 2016. – 44. – P. 96-102.

9. Tian Stud Push-out Test Study of High Performance Concrete Composite Pavement// Qiaoliang jianse = Bridge Constr. – 2016. – 46, № 1. – P. 40-41.

10. Fernándes-Sáez J., Morassi A., Pressacco M., Rubio L. Unique Determination of a Single crack in a Uniform Simply Support Beam in Bending Vibration// J. Sound and Vibr. (Электронный ресурс). – 2016. – 371/ – P. 94-109.

11. Sun K., Zhang Y-q. Damage Identification of small-radius curved Bridge based on Curvature of Displacement Influence Line// Zhejiang daxue xuebao. Gongxue ban = J. Zhejiang Univ. Eng. Sci. – 2016. – 50, № 4. – P. 727-734.

12. Zhang G., Liu T.-L., Wang C.-j., Cheng H.-k. Prestress Loss of Concrete Bridges with Box Girders Based 0n Decay of Stiffness Exposed to High Temperature// Wuhan ligong daxue xuebao = J. Wuhan Univ. Technol.. – 2015. – 37, № 6. – P. 66-71.

13. Schnelles Brückenharz-System für die Anwendung auf Betonbrücken// BauPortal. – 2016. – 126, № 4. – S. 27.

14. Dehnfugentausch mit zeitsparenden Verfahren// BauPortal. – 2016. – 126, № 4. – S. 38.

15. Baugartner S. V. Clevere List gegen Nebel und Finsternis// DLR Mag. – 2016, № 149. – S. 42-46.

16. Kunstofftank für ein Jugendhaus// tab – Fachmedium TGA-Branche. – 2016. – 47, № 6. – S. 14.

17. Lamme T. Kabeltransport elegant gelöst// ew: Elektrizila-tswirt. – 2016. – 115, № 5. – S. 83-84.

18. Thomas T. Not macht erfinderisch// Sonne, Wind und Warme. – 2015. – 39. № 11-12. – S. 62-65.