AWARIA KONSTRUKCJI TORU ŚLIZGOWEGO W CZASIE NASUWANIA DUŻEGO MOSTU STALOWEGO

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Jerzy WESELI prof. PŚl. Dr inż. Andrzej RADZIECKI Mgr inż. Stefan PRADELOK Politechnika Śląska AWARIA KONSTRUKCJI TORU ŚLIZGOWEGO W CZASIE NASUWANIA DUŻEGO MOSTU STALOWEGO Streszczenie Dźwigar stalowy zespolonej konstrukcji nowego mostu w Wyszogrodzie ma zmienną wysokość. Jego montaż nastąpił metodą nasuwania podłużnego, wyłącznie po podporach stałych odległych najwięcej o 100 m. Dla tego nasunięcia na czas montażu uzupełniono dźwigar konstrukcją, która utworzyła prostolinijny tor przesuwu. Zostały przedstawione problemy związane z tą nietypową konstrukcją i przyczyny zaistniałego lokalnego jej zniszczenia, oraz sposób naprawy i zapobieżenia dalszym awariom. 1. Obiekt i proces jego montażu Most w Wyszogrodzie, to najdłuższy z mostów budowanych w Polsce w latach [1,2,3,4]. Składający się z dwóch części, zalewowej i nurtowej, został w projekcie również podzielony pod względem technologii budowy. Dla wykonania części zalewowej wybrano metodę nasuwania podłużnego, tak jak ostatecznie została wykonana. Część nurtowa, o stumetrowych rozpiętościach przęseł (rys. 1.) została natomiast pod tym względem zostawiona trosce przyszłego wykonawcy. Sugerowano montaż z barek, ale kapryśne warunki hydrologiczne tego odcinka rzeki (co zresztą zostało w trakcie budowy potwierdzone [1,4]), wykluczyły realność tej metody. Opracowania projektu montażu podjął się Mostostal Zabrze, Biuro Projektów i Realizacji S.A., gdzie zaproponowano wykonanie tej części również metodą nasuwania podłużnego. Zadanie należało do bardzo trudnych, gdyż konstrukcja w najmniejszym stopniu nie była przygotowana do realizacji tą metodą. Głównym projektantem (o czym nie 297

2 wspomniano w żadnej z cytowanych publikacji) był doświadczony autor projektów montażu konstrukcji stalowych mgr inż. Janusz MACH, przy współpracy konsultacyjnej Katedry Budowy Mostów Politechniki Śląskiej. Rys. 1. Nasuwanie ustroju nośnego [4] Nasuwaniu podlegała część stalowa przekroju zespolonego. Głównym niedostosowaniem jej do nasuwania był brak toru, po którym mogło nastąpić przesuwanie. Nie mógł to być ani krzywoliniowy pas dolny, ani słaby i najeżony łącznikami pas górny (przy ewentualnym nasuwaniu w pozycji odwróconej). Rys. 2. Schemat nasuwania ustroju nośnego Projektant rozwiązał to zagadnienie przez dobudowanie konstrukcji tak zwanego toru poślizgowego, wypełniającego przestrzeń między parabolicznym pasem dolnym a jego cięciwą (rys. 2). Konstrukcję toru stanowiły blachownicowe belki dwuteowe o wysokości 1,20 m, połączone za pomocą elementów dystansowych z pasem dolnym mostu. Została przyjęta podstawowa zasada nie ingerencji w konstrukcję zasadniczą, wyrażająca się nie tylko 298

3 w zastosowanych łącznikach (wykluczenie spawania i połączeń śrubowych na rzecz obejm), ale i w trosce o nie wprowadzanie wysokiego poziomu naprężeń do konstrukcji zasadniczej w czasie montażu. To ostatnie w wyniku obliczeń wykluczyło możliwość wprowadzenia toru ślizgowego jako trzeciego pasa współpracującego z konstrukcją zasadniczą i wymusiło, aby tor był przerwany dylatacją w środkach każdego przęsła. Zaprojektowana na podstawie obliczeń przy użyciu dokładnego modelu konstrukcja, szczegółowo opisana w [2 i 3] (rys. 1), jako całość zdała egzamin przy śmiałym nasuwaniu bez podpór pośrednich, które doprowadziło do chwilowego powstawania stumetrowych wsporników konstrukcji (rys. 2). W celu zmniejszenia momentów zginających wprowadzony został dodatkowy maszt z odciągami. Potężna reakcja na podporze u początku tego wspornika (przewidywano obliczeniowo 4145 kn na łożysko pod każdą z dwóch belek) doprowadziła do konieczności zaprojektowania tego podparcia z podwójnych łożysk ślizgowych. Były to łożyska gotowe, wykorzystywane poprzednio przy innym nasuwaniu (konstrukcji betonowej). Dwa bloki betonowe o wymiarach 600x900 mm pokryte blachą austenityczną, na których przesuwały się przekładki gumowo-tarflenowe grubości 14 mm spoczywały bezpośrednio na stalowej konstrukcji podpory. Był to słaby punkt projektu. Autorzy referatu w swej opinii wyrazili pogląd, że nawet przyjęty, zamiast równomiernego, trójkątny rozkład naprężeń na pas od tych dwóch łożysk może być zbyt optymistyczny i zalecili wspólnie z projektantem wykonanie badań tego rozkładu na torze montażowym. Niepokój budził znaczny kąt wynikający z ugięcia wspornika w tym stadium nasuwania. 2. Awaria toru poślizgowego Ze względów oszczędnościowych, mimo możliwości, badania rozkładu reakcji nie zostały wykonane. Obawy były jednak słuszne. W chwili pierwszego zaistnienia stumetrowego wspornika nastąpiła awaria, o której wspomniano w [4] jako o jednym z kilku problemów przy nasuwaniu części nurtowej. Nasuwanie zostało przerwane, gdyż w torze przy pewnych pozycjach nasuniętej konstrukcji w miejscu podparcia wystąpiły bardzo duże odkształcenia plastyczne (rys. 3). 299

4 Rys. 3. Obraz odkształceń toru ślizgowego Środnik dwuteowego przekroju toru uległ wyboczeniu, a w drugim przypadku (rys. 3b) pas dolny silnie wygiął się do góry. 3. Przyczyny awarii Przyczyna opisanych odkształceń nie była trudna do określenia. Wskutek dużego kąta obrotu i bardzo sztywnego podłoża bloków łożysk ślizgowych nastąpiło krawędziowe podparcie konstrukcji toru (rys. 4). Stosowanie elementu ślizgowego w postaci płytek z bardzo wytrzymałego tworzywa, a tym samym cienkich i prawie nieodkształcalnych, nie pozwoliło na zwykle występującą samoistną kompensację kąta na tych płytkach. Rys. 4. Krawędziowe podparcie toru ślizgowego 300

5 Przeprowadzona analiza teoretyczna przypadku podparcia krawędziowego przy zaistniałej wtedy reakcji charakterystycznej 2383 kn wykazała możliwość wystąpienia dużych stref uplastycznienia w środniku toru (rys. 5). Rys. 5. Naprężenia główne przy krawędziowym podparciu toru ślizgowego Konstrukcja została odciążona i w trybie awaryjnym naprawiona. Naprawa polegała na dołożeniu przykładki do środnika toru (rys. 3c) i w pewnym miejscu uzupełnieniu jeszcze dwoma środnikami, tworząc w ten sposób skrzynkowy przekrój toru. Dalej prowadzona analiza wykazała jednak, że w przypadku oparcia krawędziowego we wzmocnionym przekroju strefy uplastycznienia pozostaną, choć w nieco zwężonym obszarze. Potwierdziły to pojawiające się dalsze odkształcenia przekroju już wzmocnionego, przy czym uplastycznienie przenosiło się i na trójkątne usztywnienia pasów (rys. 3d). Ponadto zwracał uwagę fakt, że odkształcenia te wystąpiły w ściśle określonych, nie ekstremalnych stadiach nasuwania (rys. 2). Były raczej ściśle związane z konstrukcją toru. Tor łączyły z konstrukcją właściwą pionowe elementy, które raz spełniały rolę wieszaków (w przęśle, gdy tor był tylko balastem) lub słupków (gdy tor przesuwał się po łożysku). W środku przęsła głównej konstrukcji były one wysokie i rzadziej rozstawione (co 8 m), ku przekrojom podporowym głównej konstrukcji ich wysokość malała wraz z obniżaniem pasa dźwigara, a ich rozstaw zmniejszono do połowy, aby wreszcie przy samym najwyższym przekroju konstrukcji głównej zredukować połączenia do całkowitego, klinowego wypełnienia przestrzeni między konstrukcją a torem. Było to jednocześnie miejsce przeniesienia siły przesuwającej z konstrukcji na przyległe części toru, gdyż tor ten, ze względu na istnienie wspomnianych dylatacji, sam w sobie nie przenosił sił podłużnych. 301

6 Rys. 6. Elastyczne podparcie łożysk ślizgowych Utrata stateczności i uplastycznienia nigdy nie wystąpiły w miejscach dużych rozstawów słupków. Pozwala to wysnuć wniosek, że tam odkształcenia sprężyste długich przęseł toru i wysokich słupków były wystarczające dla korekty ułożenia toru na łożyskach. Zniszczenia wystąpiły zawsze za granicą z wstawką klinową, której bardzo duża sztywność nie pozwalała na żadne korekty i dopiero duże, plastyczne odkształcenie pasa powodowało powiększenie się powierzchni styku z łożyskiem. Odpowiednie ułożenie się pasa doprowadziło do rozkładu nacisków na łożysko zbliżonego do przyjętego w projekcie, usunęło koncentrację sił i zapobiegło dalszemu niszczeniu konstrukcji toru. Jednak uniemożliwiło to kontynuowanie procesu nasuwania. 4. Sposób zapobieżenia dalszym awariom Wzmocnienie i dalsze usztywnienie konstrukcji toru nie okazało się zatem być drogą usunięcia przyczyn awarii. Mogło tylko spowodować przesuwanie się miejsca wystąpienia awarii. Autorzy referatu zaproponowali więc uelastycznienie podłoża samych bloków łożysk ślizgowych (rys. 6). Użyty do tego materiał musiał się cechować dużą sprężystą odkształcalnością, gdyż z analizy procesu przesuwania wynikał znaczny zakres zmian wartości kąta na tej podporze, włącznie z kątami różnych znaków. Jednocześnie musiał to być materiał bardzo wytrzymały ze względu na potężne reakcje. Zaproponowano podkładkę ze sklejonych pięciu warstw zużytej taśmy transporterowej. Przeprowadzono badania takiego niby łożyska elastomerowego o wymiarach 400x400 mm, mającego po sklejeniu wysokość około 60 mm. W projekcie założono zastosowanie do podkładki jedynie ograniczników przesunięcia, natomiast pełną swobodę odkształceń poprzecznych, i w takich też warunkach 302

7 przeprowadzono próby. Były to próby ściskania osiowego oraz przy symulowanej przez odpowiednie podkładki stalowe próba zmiany kąta. Wyniki okazały się bardzo dobre. W możliwym do uzyskania zakresie do 3000 kn badanych próbek nie udało się doprowadzić do pełnego zniszczenia, a uzyskany z tej siły poziom naprężeń 18,75 MPa jako granica sprężystości wyraźnie przekraczał potrzebny. Odkształcalność była również bardzo duża. Moduł sprężystości wyznaczony z długiej prostoliniowej fazy wykresu oceniono na 78 MPa, to znaczy około 350 razy mniejszy niż betonu B20 i aż ponad 2500 razy mniejszy od modułu stali. Dla pełnego wykorzystania tej podatności konieczne było zapewnienie swobody odkształcenia poprzecznego. Szerokość potrzebnej szczeliny przy co najmniej dwóch prostopadłych do siebie krawędziach określono na 1 cm. Brak przekładek stalowych i sposób zachowania się przy próbie mimośrodowej wskazywały na pełną swobodę przejęcia przez podkładkę występujących kątów obrotu. W czasie nasuwania, na danym filarze łożysko ślizgowe w ekstremalnych warunkach pracuje tylko raz: gdy jest aktualną podporą skrajną. Po osiągnięciu następnego filara przez wspornik, warunki pracy łożyska na filarze, który już stał się podporą pośrednią wyraźnie się poprawiają. Jednak dla uzyskania pewności, próbki podkładek poddano obciążeniu wielokrotnemu do pełnej, osiągniętej nośności. Jakkolwiek przy pierwszym obciążeniu próbki siłą 3000 kn dały się w niej słyszeć nieliczne odgłosy pękania osnowy gum, odkształcenie trwałe nie przekroczyło 3%, a ponowne obciążenie do tej samej siły wykazało dalsze sprężyste zachowanie się podkładki i brak już objawów pękania włókien. Mimo, że badania potwierdziły pełną przydatność taśm transporterowych jako materiału uelastyczniającego podłoże bloków łożysk ślizgowych, wykonawca zdecydował się na zakup podobnej grubości zupełnie nowych, na specjalne życzenie wyprodukowanych podkładek z gumy łożyskowej renomowanej firmy zachodniej. Tak czy inaczej, usunięto radykalnie przyczyny awarii i dalsze nasuwanie odbyło się już bez przeszkód. Obciążenie próbne mostu [5] wykazało zupełny brak wpływu awarii na główną konstrukcję nośną mostu. 5. Wnioski 1. Nasuwanie podłużne konstrukcji stalowych przy dużych wysięgach wspornika prowadzi do bardzo dużych reakcji i dużych kątów obrotów na pierwszym łożysku ślizgowym. Przy niepodatnym podparciu bloków łożysk może pojawić się nacisk krawędziowy o wartości uniemożliwiającej przeniesienie lokalnych naprężeń. 303

8 2. W przeciwieństwie do konstrukcji betonowych, podatność samej płytki ślizgowej łożyska jest niewystarczająca i blok łożyska musi być ułożony na podkładzie sprężystym. 3. Konieczność budowy w omawianym moście odrębnej konstrukcji toru ślizgowego, przy z góry założonym mocnym oddylatowaniu od konstrukcji zasadniczej, okazała się w tym przypadku okolicznością szczęśliwą, gdyż zaistniałe odkształcenia plastyczne lokalizowały się tylko w obrębie tej konstrukcji tymczasowej, nie wprowadzając szkodliwych naprężeń do konstrukcji zasadniczej. 4. Nasuwanie konstrukcji o stumetrowych rozpiętościach bez pośrednich podpór montażowych było przedsięwzięciem o dużym stopniu ryzyka i należy wyrazić ubolewanie, że nie doszło do pełniejszej współpracy miedzy wykonawcą a jednostką sprawującą naukowy nadzór konsultacyjny. Bilans poniesionych dodatkowych kosztów montażu obiektu wypadł w tej sytuacji niekorzystnie. Literatura 1. Łałowski M., Pilujski B.: Most w Wyszogrodzie najdłuższy most w Polsce, Drogownictwo, nr 11/ Pilujski B.: Montaż konstrukcji stalowej mostu drogowego przez rzekę Wisłę w Wyszogrodzie, Inżynieria i Budownictwo, nr 5/ Pilujski B.: Wpływ ukształtowania mostu na technologię montażu konstrukcji przęsłowej na przykładzie mostu przez rzekę Wisłę w Wyszogrodzie, Konferencja naukowo techniczna Mosty zespolone, Kraków Pilujski B.: Most przez Wisłę w Wyszogrodzie zakończenie budowy, Inżynieria i Budownictwo, nr 11/ Bień J.,Kmita J.,Rawa P.,Zwolski J.: Nowy most drogowy przez Wisłę w Wyszogrodzie próbne obciążenie konstrukcji, Inżynieria i Budownictwo, nr 9/2000 DAMAGE TO THE CONSTRUCTION OF LAUNCHING WAY DURING LAUNCHING LARGE STEEL BRIDGE Summary The height of the steel girder in the combined construction of the new bridge in Wyszogród is not constant. The montage of the girder was performed by the incremental launching method, using permanent supports only, with the maximum distance of 100m. For the launching the girder was temporarily complemented with a construction which created a straight launching way. One has presented the problems related to this non-typical construction and the reasons of the appearance of its local damage as well as the way of repair and preventing further damage. 304