BADANIE ODBIORCZE WIELOPRZĘSŁOWEGO WIADUKTU KOLEJOWEGO NASUWANEGO POPRZECZNIE

Transkrypt

1 Wrocławskie Dni Mostowe Obiekty mostowe w infrastrukturze miejskiej Wrocław, listopada 2013 Piotr ŁAZIŃSKI 1 Stefan PRADELOK 1 BADANIE ODBIORCZE WIELOPRZĘSŁOWEGO WIADUKTU KOLEJOWEGO NASUWANEGO POPRZECZNIE 1. Wstęp W kwietniu 2013 roku Zespół Badań Terenowych Politechniki Śląskiej [9] przeprowadził próbne obciąŝenie [1] [3] [4] [5] wieloprzęsłowego wiaduktu kolejowego WK-3 budowanego w technologii nasuwania poprzecznego w ramach zadania Trasa Górna w Łodzi. Konieczność zminimalizowania utrudnień w ruchu kolejowym wymusiła zastosowanie nasuwania poprzecznego obiektu. Podpory montaŝowe zostały wykonane w sąsiedztwie czynnej linii kolejowej po obu stronach nasypu w ściankach szczelnych. Ustrój nośny został zmontowany obok nasypu wraz z ułoŝeniem nawierzchni. W ciągu 68 godzin nastąpiła rozbiórka starej nawierzchni i nasypu oraz przesunięcie poprzeczne konstrukcji nośnej na wykonane wcześniej podpory. Po uciągleniu torów został dopuszczony tymczasowy ruch pociągów, z ograniczeniem prędkości do 30 km/h. Warunkiem tego dopuszczenia była ocena poprawności pracy dźwigarów przy obciąŝeniu cięŝarem własnym i dodatkowym oraz pociągiem trakcyjnym. Po ostatecznym wyrównaniu i podbiciu torów zrealizowano właściwe, statyczne i dynamiczne próbne obciąŝenie wiaduktu. Technologia budowy narzuciła konieczność przygotowania badań w dwóch etapach. Etap I obejmował kontrolę sztywności ustroju nośnego w wybranych fazach budowy oraz osiadań podpór po nasunięciu konstrukcji i jej wstępnym obciąŝeniu. Pierwsze próbne obciąŝenie pozwoliło warunkowo dopuścić obiekt do tymczasowego ruchu. Etap II badania obejmował docelowe badania pod próbnym obciąŝeniem statycznym i dynamicznym, którego wyniki zweryfikowały model obliczeniowy i potwierdziły nośność. Rys. 1 Wiadukt WK-3 w trakcie budowy [Mosty Łódź S.A.] 1 dr inŝ., Zespół Badań Terenowych Katedra Mechaniki i Mostów Politechniki Śląskiej 379

2 P. Łaziński, S. Pradelok 2. Charakterystyka obiektu Wiadukt kolejowy WK-3 w ciągu linii kolejowej nr 25 Łódź Kaliska Dębica budowany był w ramach zadania Trasa Górna w Łodzi. Wykonawcą obiektu było Przedsiębiorstwo Robót Mostowych Mosty Łódź S.A.. Projekt budowlany i wykonawczy wykonało biuro projektowe Transprojekt Warszawa Sp. z o.o.. Konstrukcję wiaduktu tworzy siedmioprzęsłowy, ciągły ustrój nośny, stalowo betonowy z jazdą dołem. Rozpiętości teoretyczne przęseł wynoszą: oś lewa: 16, , x 20, , , ,69 = 140,515 m, oś prawa: 17, , , x 20, , ,71 = 140,515 m. Oś podłuŝna wiaduktu przecina oś przeszkody pod kątem 29,03º. Wiadukt został zaprojektowany na obciąŝenie kolejowe klasy k +2 wg normy PN. Całkowita szerokość wiaduktu wynosi 13,10 m. Przez obiekt prowadzone są dwa tory w rozstawie 4,20 m na podsypce tłuczniowej grubości 35 cm oraz obustronne chodniki dla obsługi o szerokości 0,75 m kaŝdy. Rys. 2 Rysunki ogólne wiaduktu WK-3 Konstrukcję ustroju nośnego wiaduktu stanowią dwa stalowe dźwigary blachownicowe w osiowym rozstawie 12,20 m. Blachownice połączone są ze sobą obetonowanymi poprzecznicami o wysokości 0,64 m. Dźwigary mają stałą wysokość równą 2,00 m. Oparte są w osiach podpór za pomocą łoŝysk stalowo-elastomerowych. Podpory pośrednie zaprojektowano w formie dwóch Ŝelbetowych ścianek w kształcie trapezu o wymiarach podstawy w planie od 0,70 x 2,30 m (w poziomie ciosu podłoŝyskowego) do 0,70 x 4,95 7,54 m (w poziomie fundamentu) i nachyleniu bocznych krawędzi 1:0,4. Rozstaw osiowy podpór wynosi 12,20 m, mierząc prostopadle do osi konstrukcji. Korpusy przyczółków stanowią ściany grubości 1,30 m i 2,00 m zakończone zwieńczeniem, w którym wykształtowana jest nisza podłoŝyskowa oraz z którego wyprowadzona jest ścianka zaplecza. Wszystkie podpory posadowione są pośrednio na palach wierconych o średnicy 1,32 m. 380

3 Badanie odbiorcze wieloprzęsłowego wiaduktu kolejowego nasuwanego poprzecznie 3. Model obciąŝenia próbnego wstępny MOPW Obliczenia statyczne ustroju nośnego wykonane zostały w środowisku programu Autodesk Robot Structural Analysis Professional Do obliczeń konstrukcji przyjęto pięć Modeli ObciąŜenia Próbnego Wstępnego MOPW (Rys.3) [8]. Modele MOPW-1 3 wykorzystano do obliczenia ugięć dźwigarów głównych od obciąŝeń stałych w wybranych fazach budowy obiektu (po II i IV etapie betonowania płyty pomostu oraz po ułoŝeniu warstw nawierzchni i elementów wyposaŝenia, przed nasunięciem poprzecznym konstrukcji na docelowe podpory). W modelach tych punkty podparcia przyjęto w miejscu podpór tymczasowych. W docelowym modelu MOPW- 4 wydzielono dwa przypadki: 4a i 4b. Model MOPW-4a wykorzystano do obliczeń określających wartości momentów zginających i ugięć od uŝytkowych obciąŝeń normowych oraz od wstępnego i właściwego obciąŝenia lokomotywą próbną. W modelu tym, do określenia sztywności giętnej przyjęto zespolenie z betonowym pomostem zarówno belek podłuŝnych jak i poprzecznych. Dodatkowo, w celu określenia ugięć dźwigarów głównych od obciąŝenia pociągiem trakcyjnym z przyczepą oraz lokomotywą, wykorzystano model MOPW-4b, w którym przyjęto brak zespolenia belek podłuŝnych z betonowym pomostem. ZałoŜenie takie przyjął Projektant obiektu. Moduł spręŝystości konstrukcji stalowej przyjęto na poziomie E s = 206,0 GPa. Przy określaniu charakterystyk geometrycznych elementów zespolonych (dźwigarów, poprzecznic) przyjętych w modelach MOPW-1 3 oraz 4a uwzględniono zmienny moduł spręŝystości betonu w czasie. Wartość modułu spręŝystości betonu E b zróŝnicowano w zaleŝności od wieku betonu poszczególnych części konstrukcji w analizowanych etapach budowy wiaduktu. MOPW-1 MOPW-2 MOPW-3 MOPW-4A MOPW-4B Rys. 3 Wizualizacja modeli obliczeniowych MOPW-1 4 klasy (e1+e2,p2) 381

4 P. Łaziński, S. Pradelok 4. Dwuetapowe badania pod próbnym obciąŝeniem 4.1 Wstępne próbne obciąŝenie obiektu Wykorzystując modele MOPW 1 3 wykonano obliczenia określające wartości ugięć dźwigarów głównych w wydzielonych, przejściowych stadiach budowy wiaduktu. Uwzględniono następujące fazy budowy (Rys. 4): konstrukcja częściowo zespolona, po II etapie betonowania płyty pomostowej (obciąŝenie cięŝarem betonu pomostu wykonanego w I etapie oraz obciąŝenie cięŝarem mieszanki betonowej ułoŝonej w etapie II) model MOPW-1, konstrukcja częściowo zespolona, po IV etapie betonowania płyty pomostowej (obciąŝenie cięŝarem betonu pomostu wykonanego w III etapie oraz obciąŝenie cięŝarem mieszanki betonowej ułoŝonej w etapie IV) model MOPW-2, konstrukcja zespolona, po ułoŝeniu nawierzchni i wykonaniu elementów wyposaŝenia model MOPW-3. Rys. 4 Stadia budowy wiaduktu WK-3 uwzględnione w modelach MOPW 1 3 [Mosty Łódź S.A.] W czasie realizacji wiaduktu na podporach tymczasowych przewidziano pomiar strzałki ugięcia dźwigarów głównych w środku rozpiętości wszystkich przęseł od przyrostu obciąŝenia stałego (betonu pomostu oraz cięŝaru nawierzchni i wyposaŝenia). Pomiary te pozwoliły monitorować sztywność konstrukcji w trakcie wybranych stadiów budowy. Po poprzecznym nasunięciu konstrukcji na podpory docelowe wykonano pomiar osiadań podpór konstrukcji pod obciąŝeniem stałym (Tab. 1) oraz wstępne próbne obciąŝenie obiektu pociągiem trakcyjnym z przyczepą (Rys. 5). Tablica 1 Osiadania docelowych podpór po nasunięciu konstrukcji 0,0-0,2 Osiadania podpór po nasunięciu konstrukcji [mm] ,1-0,1-0,4-0,6-0,4-0,3-0,8-1,0-0,9-0,9-0,8-0,8-0,7-0,8-0,7-0,8-1,2-1,4-1,6-1,5-1,4-1,2 Podpory w osi B Podpory w osi A. 382

5 Badanie odbiorcze wieloprzęsłowego wiaduktu kolejowego nasuwanego poprzecznie Rys. 5 Schemat obciąŝenia wstępnego pojazdem trakcyjnym z przyczepą S1-PT. Największa wartość osiadań trwałych po nasunięciu konstrukcji równa 1,5 mm wystąpiła na podporze nr 5 w osi B. Ugięcia spręŝyste dźwigarów od obciąŝenia wstępnego pojazdem trakcyjnym (schemat S1-PT) były mniejsze od obliczonych teoretycznie i wyniosły średnio 61 % ich wartości (z uwzględnieniem współpracy pomostu model MOPW-3). Ugięcia trwałe wyniosły od 13 do 16 % ugięć całkowitych. Warunkiem dopuszczenia obiektu do tymczasowego ruchu pociągów na linii kolejowej nr 25 Łódź Kaliska Dębica nad Trasą Górną w Łodzi z prędkością ograniczoną do 30 km/h była pozytywna ocena pracy konstrukcji, oparta na wynikach pomiarów ugięć i osiadań przeprowadzonych w róŝnych fazach budowy wiaduktu oraz podczas jego wstępnego próbnego obciąŝenia. Do czasu docelowych próbnych obciąŝeń statycznych i dynamicznych wiaduktu zalecono dalszą obserwację geodezyjną osiadań podpór. 4.2 Docelowe próbne obciąŝenie obiektu Docelowe próbne obciąŝenie statyczne i dynamiczne wiaduktu przeprowadzono w dniach r. w godzinach nocnych. Z uwagi na dwa czterogodzinne wyłączenia ruchu, badania statyczne przeprowadzono z wykorzystaniem jednocześnie czterech lokomotyw ST44 z równoczesnym obciąŝeniem dwóch przęseł. Zrealizowane zostały wszystkie, przewidziane projektem [8] schematy obciąŝenia. Były to schematy przęsłowe: S1, S2, S3 i S4 (Rys. 6). Rys. 6 Zdjęcia z próbnego obciąŝenia oraz przykładowy schemat obciąŝenia. 383

6 P. Łaziński, S. Pradelok Na podstawie odczytów przemieszczeń konstrukcji przęseł, zarejestrowanych w czasie badania w załoŝonych punktach pomiarowych, wyliczono przemieszczenia pionowe dźwigarów pomostu w poszczególnych schematach przęsłowych, w miejscu największych ugięć przęseł. Wartości te posłuŝyły do ustalenia największych ugięć całkowitych, trwałych i spręŝystych w badanych punktach, w aktualnie obciąŝanych przęsłach. Otrzymane ugięcia spręŝyste porównano z teoretycznymi wartościami ugięć dźwigarów (Rys. 7) obliczonymi przy załoŝeniu braku współpracy blachownicy z pomostem (model MOPW-4b) oraz przy załoŝeniu pełnego zespolenia blachownicy z betonową konstrukcją pomostu (model MOPW-4a). Ugięcia sprężyste dźwigara A [mm] Ugięcia sprężyste dźwigara B [mm] 14, ,88 14, ,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 3,132,92 5,99 3,84 3,46 7,52 8,92 8,45 3,98 4,33 4,52 4,15 6,54 5,69 7,69 7,76 3,583,86 3,913,72 10,00 8,00 6,00 4,00 4,00 3,70 7,56 8,19 7,58 4,15 3,73 3,693,87 9,64 9,14 8,47 4,91 4,434,54 4,68 4,32 4,32 4,05 3,73 7,84 2,00 2,00 0,00 0,00 Ugięcia pomierzone Ugięcia z modelu MOPW-4a Ugięcia z modelu MOPW-4b Rys. 7 Wykres ugięć dźwigarów pomierzonych i otrzymanych z modeli teoretycznych. Ugięcia pomierzone Ugięcia z modelu MOPW-4a Ugięcia z modelu MOPW-4b Ugięcia spręŝyste dźwigarów były mniejsze od obliczonych teoretycznie i wyniosły od 44 % do 53 % ich wartości (bez uwzględnienia współpracy pomostu jak załoŝył projektant: MOPW-b). Średnio ugięcia spręŝyste badanych przęseł stanowiły około 49 % ich wartości. Przy uwzględnieniu pełnej współpracy pomostu z dźwigarem stalowym (model MOPW-4a) ugięcia spręŝyste dźwigarów były zbliŝone do ugięć obliczonych teoretycznie (wyniosły średnio 97 % wartości teoretycznych). NieduŜe przekroczenia wartości teoretycznych w przęśle nr 1 i 7 (maksymalnie o 9 %) są wynikiem nie uwzględnienia w obliczeniach efektu zarysowania betonu pomostu. Przy załoŝonych parametrach sztywności i mas całego ustroju nośnego przeprowadzono analizę modalną wykorzystując model MOPW-4a, określającąc najniŝsze częstotliwości i odpowiadające im postaci drgań własnych (Rys. 8). Postać 1; Częstotliwość 3,16 Hz Postać 2; Częstotliwość 3,75 Hz Postać 3; Częstotliwość 4,29 Hz Rys. 8 Trzy najniŝsze częstości drgań własnych i odpowiadające im postaci otrzymane w modelu MOPW-4a Badania dynamiczne wiaduktu przeprowadzone zostały po próbnym obciąŝeniu statycznym. Do jazd próbnych zostały wykorzystano dwie lokomotywy ST44 poruszające się z prędkościami od 10 km/h do 70 km/h. Wyniki w postaci przebiegów czasowych przemieszczeń pionowych pozwoliły wyznaczyć współczynnik przewyŝszenia dynamicznego (WPD), którego wartość osiągnęła maksymalnie 1,18 i była mniejsza od obliczeniowego (normowego) współczynnikowa dynamicznego obiektu, który wynosi 1,

7 Badanie odbiorcze wieloprzęsłowego wiaduktu kolejowego nasuwanego poprzecznie Wartości uśrednionego logarytmiczny dekrementu tłumienia, odpowiadającego trzem najniŝszym zidentyfikowanym częstotliwością drgań przedstawiono na Rys. 9. Logarytmiczny dekrement tłumienia miał duŝą dla tego rodzaju konstrukcji wartość od 0,1671 do 0,4368 (większe tłumienie dotyczyło drgań o najniŝszych częstotliwościach). Największe przyspieszenie drgań pionowych wyniosło 0,509 m/s 2. W trakcie badań nie stwierdzono występowania tendencji do dudnień. Rys. 9 Identyfikacja trzech najniŝszych częstotliwości drgań własnych i odpowiadającego im tłumienia 5. Model obciąŝenia próbnego zweryfikowany MOPZ W procedurze modelowania obiektów rzeczywistych w badaniach pod próbnym obciąŝeniem wyróŝnia się dwa dyskretne modele obliczeniowe [2]. Pierwszy z nich na etapie projektu próbnego obciąŝenia nazwano modelem obciąŝenia próbnego wstępnym (MOPW), który dzięki wartością normowym przyjmowanym w modelu materiału słuŝy do przyjęcia obciąŝenia próbnego i jednocześnie pozwala zweryfikować model z projektu budowlanego (MPB) przyjęty przez projektanta. Na etapie sprawozdania z próbnego obciąŝenia wyróŝniono drugi model, który nazwano modelem próbnego obciąŝenia zweryfikowanym (MOPZ). Model ten uwzględnia przede wszystkim wartości cech betonu z badań niszczących oraz sztywność przęseł określoną na podstawie kontrolowanego obciąŝenia statycznego [6] [7]. Model MPB wykonany przez projektanta zakładał zespolenie jedynie poprzecznic z betonową płytą. Na potrzeby próbnego obciąŝenia takim załoŝeniom odpowiadał model MOPW-4b. Otrzymane wyniki spręŝystych ugięć dźwigarów (Rys. 7) wykazały zgodność z wartościami teoretycznymi uzyskanymi w modelu MOPW-4a, gdzie do określenia sztywności giętnej przyjęto zespolenie z betonowym pomostem zarówno belek podłuŝnych jak i poprzecznych. Model ten dzięki próbnym obciąŝeniom uznano za model obciąŝenia próbnego zweryfikowany MOPZ (Rys. 10). Rys. 10 Wizualizacja modelu obciąŝenia próbnego zweryfikowanego MOPZ klasy (e1+e2, p2) 385

8 P. Łaziński, S. Pradelok 6. Wnioski Wiadukt kolejowy WK-3 budowany w technologii nasuwania poprzecznego w ramach zadania Trasa Górna w Łodzi, przewidywał 68 godzinne zamknięcie torów. Krótki czas wyłączenia ruchu wymusił przygotowanie programu badań w dwóch etapach. Dzięki temu kontrolowano sztywności ustroju nośnego w wybranych fazach budowy. Wstępne próbne obciąŝenie pozwoliło warunkowo dopuścić obiekt do tymczasowego ruchu. Przeprowadzone przez Zespół Badań Terenowych Politechniki Śląskiej docelowe próbne obciąŝenie pozwoliło zweryfikować model obliczeniowy i potwierdziło projektowaną nośność obiektu. Za adekwatny model obliczeniowy uznano model obciąŝenia próbnego zweryfikowany MOPZ, w którym sztywność giętna uwzględnia zespolenie z betonowym pomostem zarówno belek podłuŝnych jak i poprzecznych. Literatura [1] ŁAZIŃSKI P., SALAMAK M., Experimental identification of the dynamic properties of Tyree different footbridge structures, 3th International Conference, Footbridge 2008, Porto Portugal, July 2008, [2] ŁAZIŃSKI P., Procedura modelowania obiektów rzeczywistych w postaci pewnego typu konstrukcji mostowych, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2009 [3] ŁAZIŃSKI P., SALAMAK M., Identification of computational models in load carrying structures of concrete bridges on the basis of making load tests, Innovative materials and technologies for concrete structures. 7th European Congress on Concrete Engineering, Balathonfured, Hungary, September 2011, [4] PRADELOK S., The Influence of Higher Modes Vibrations on Local Cracks in Node of Lattice Girders Bridges. Archives of Civil Engineering, vol. LVIII, no. 2, Warszawa 2012, [5] PRADELOK S., Tests of local vibration in the node of a truss bridge. Journal Architecture Civil Engineering Environment, 2012 vol. 5 no. 4, [6] SALAMAK M., RADZIECKI A., ŁAZIŃSKI P., PRADELOK S., Analysis of the results from the load testing of steel through arch bridge, Arch 2013, 7th International Conference on Arch Bridge, 2-4 October 2013, Split, Croatia [7] KLIKOWICZ P., SALAMAK M., PRADELOK S., ŁAZIŃSKI P., Specific problems of bridges with big curvature in plan, 9th Central European Congress on Concrete Engineering CCC 2013, Wrocław (Poland) September 4-6, 2013, [8] Projekt próbnego obciąŝenia wiaduktu kolejowego WK-3 w ciągu linii kolejowej nr 25 Łódź Kaliska Dębica nad Trasą Górną, CADmost Projekt s.c., Gliwice, marzec 2013 [9] Księga Jakości, Zespół Badań Terenowych Katedry Mechaniki i Mostów Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2013 r (Akredytowane laboratorium PCA) LOAD TEST RAILWAY VIADUCT OF CROSSWISE LAUNCHING Summary The railway viaduct WK-3 built in the technology of crosswise launching for the task of Trasa Gorna in Lodz. There was prepared a testing programme at two stages because of closing the railway tracks for 68 hours. Due to it, rigidity of load carrying structures could have been controlled at chosen stages of building. Load tests made us evaluate theoretical computational model and affirm designing carrying. 386