Пермские ученые нашли способ повысить безопасность 42 тысяч российских мостов

В России более 42 000 мостов общей длиной свыше 20 000 километров. Надежность этих сложных инженерных сооружений критически важна, особенно с учетом необходимости выдерживать не только стандартные нагрузки, но и сейсмические воздействия (землетрясения), которых с каждым годом становится все больше.

Ключевую роль в обеспечении безопасности играют специальные опорные части, выполняющие функцию «суставов» моста. Эти устройства позволяют конструкции гибко реагировать на различные воздействия — от сезонных перепадов температуры до мощных подземных толчков. Наибольшей эффективностью отличаются сферические опорные части, где основная работа по гашению колебаний приходится на полимерный слой, расположенный между стальными чашами.

Однако уход с российского рынка мировых лидеров в производстве таких опор создал серьезную угрозу для строительства и эксплуатации мостов в сейсмически активных регионах, к которым относятся, например, Крым и Дальний Восток. Данное обстоятельство сделало разработку отечественных технологически совершенных аналогов задачей национального масштаба.

При этом существующие решения демонстрируют недостаточную эффективность. Стандартные опорные части, рассчитанные на 30-40 лет службы, зачастую не выдерживают реальных нагрузок в условиях землетрясений. Главная проблема заключается в том, что современные методы проектирования не позволяют точно прогнозировать поведение материалов при многократных мощных воздействиях, что приводит к преждевременному износу, дорогостоящим ремонтам и повышенным рискам для безопасности.

Ученые Пермского Политеха создали высокоточную компьютерную модель опорной части моста («цифровой двойник»), которая в пять раз точнее существующих методов рассчитывает ее надежность. С помощью нее исследователи проанализировали, как на долговечность опор влияют два ключевых параметра: способ крепления полимерного слоя и его толщина.

Эксперты испытали три способа соединения пластиковой прокладки со стальными плитами опорной части инженерной конструкции. Первый — жесткое скрепление, когда детали становятся практически единым целым. Второй — сцепление с шероховатой поверхностью, обеспечивающее плотное прилегание с ограниченной подвижностью. Третий — скольжение по гладкой поверхности, позволяющее полимерному слою плавно сдвигаться для перераспределения нагрузок. Для каждого типа соединения определяли оптимальную толщину полимерного слоя скольжения от четырех до 12 миллиметров.

— Результаты показали, что наиболее эффективным способом соединения является сцепление с шероховатой поверхностью. Именно этот вариант обеспечивает оптимальный баланс между прочностью и подвижностью конструкции. А оптимальная толщина полимерного слоя составила 4-8 миллиметров. Более толстая прокладка деформируется под нагрузкой и снижает безремонтную работу опорной части моста, — рассказал Юрий Носов, научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств Передовой инженерной школы Пермского Политеха, Руководитель гранта РНФ.

Особое внимание ученые уделили изучению полимерного слоя скольжения. В ходе экспериментов было обнаружено, что под постоянным давлением материал начинает медленно «течь». Это свойство, называемое ползучестью, со временем и разницей температуры меняет поведение опоры.

Беспилотники, двигатели, беспроводное электричество: в ПНИПУ рассказали, как сегодня используются… Знаменитый изобретатель, гений своего времени Никола Тесла родился 10 июля 1856 года. В день его рождения Нина Любимова, старший преподаватель кафедры прикладной физики Пермского Политеха, рассказа… naked-science.ru

Для комплексного анализа всех этих факторов — от типа соединения до эффекта ползучести — исследователи разработали численный аналог опорной части мостового сооружения.

Чтобы оценить влияние ползучести, ученые создали в рамках этой модели две версии: простую, которая этот эффект игнорирует (традиционные методы), и сложную (вязкоупругую) — учитывающую ползучесть. Испытания в широком температурном диапазоне (от -40 до +80 °C) позволили подтвердить точность и усовершенствовать именно сложную модель, научив ее принимать во внимание влияние термосилового воздействия.

— Анализ данных показал, что традиционный метод расчетов, не учитывающий ползучесть, дает очень высокую погрешность — до 70%. На практике это означает, что при реальной просадке опоры на 0,1 миллиметра старый метод может «предсказать» значение в  0,17 миллиметра, что при пересчете на напряженно-деформированное состояние может привести к завышенным значениям прочности конструкции. Усовершенствованная же модель оказалась в разы точнее: ее погрешность не превышает 13-20%. В том же сценарии она покажет результат 0,11-0,12 миллиметра, что очень близко к действительности, — прокомментировала Анна Каменских.

Благодаря точному прогнозированию поведения материалов, новая модель открывает возможность прогнозировать работу опорной части моста, с большей эффективностью, которая превосходит традиционные решения в пять раз.

Разработка пермских ученых вызывает интерес производственной компании ООО «АльфаТех». С ее помощью производитель может оптимизировать форму и технологию обработки опорных частей мостовых сооружений.

Результаты исследования опубликованы в статье. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда грант.