Основные положения расчета грузоподъемности мостов
Мосты, эксплуатируемые на железных дорогах, строились в разные периоды и имеют различные сроки службы. Каждому периоду строительства соответствовали свои нормы проектирования сооружений, которые в определенной степени отличаются друг от друга (подразд. 1.1). Например, при строительстве мостов по нормам 1907 г. предусматривали временную нагрузку от подвижного состава (двух пятиосных паровозов) с осевым давлением 196,2 кН, а в современных условиях эти мосты должны обеспечивать пропуск более тяжелых нагрузок – 250 кН/ось и выше.
Большое количество мостов на действующих железных дорогах
построено в первой половине ХХ в., срок их службы составляет более 70–80 лет. Данные мосты не единожды претерпевали не только изменения временной подвижной нагрузки, но в результате природно-климатических воздействий окружающей среды, реальных условий эксплуатации получили определенный моральный и физический износ. Износ конструкций, в свою очередь, снижает их работоспособность и необходимое качество технического состояния для обеспечения безопасного движения поездов с установленными скоростями.
При решении вопросов возможности пропуска временных нагрузок по ослабленным мостам, при переходе на обращение более тяжелого подвижного состава, а также усиления или реконструкции дефектных эксплуатируемых мостов, производят их перерасчет по грузоподъемности.
Для этих целей разработаны специальные Руководства по определению грузоподъемности пролетных строений и опор мостов [6–9], включающие в себя расчетную оценку несущей способности конструкций с учетом их технического состояния методом классификации. Расчеты производят, как правило, специалисты мостоиспытательных станций и научно-исследовательских организаций с учетом материалов обследования и анализа фактического состояния мостов.
Метод классификации мостов по грузоподъемности состоит в том, что допускаемую временную вертикальную нагрузку, приходящуюся на элемент, выражают в единицах эталонной нагрузки, число единиц которой называют классом этого элемента. Минимальный класс элементов характеризует класс пролетного строения или опоры моста.
В качестве эталонной принимают временную вертикальную нагрузку по схеме Н1 проектировки 1931 г.
Класс элемента пролетного строения или опоры моста определяют [6–8] как
, (1.3)
где 
– допускаемая временная равномерно распределенная нагрузка; 
– эквивалентная нагрузка для эталонной нагрузки по схеме Н1, определяемая для аналогичной линии влияния, что и 
; 
– динамический коэффициент для эталонной нагрузки, определяемый в зависимости от материала пролетного строения и длины загружения линии влияния.
Значения допускаемой временной равномерно распределенной нагрузки 
, которую может выдержать элемент, определяют для металлических пролетных строений по прочности, выносливости и устойчивости; железобетонных пролетных строений – по прочности и выносливости; опор мостов – по среднему и максимальному давлению, устойчивости против сдвига и опрокидывания, по положению равнодействующей (относительному эксцентриситету) [8]. В расчетах учитывают геометрические параметры сечений элементов, принимая во внимание их износ и фактическое техническое состояние, установленное при обследовании.
При расчете грузоподъемности мостов классифицируют подвижной состав (локомотивы, вагоны, транспортеры, краны и другие нагрузки). Число единиц эквивалентной подвижной нагрузки, выраженное в долях эталонной нагрузки, называют классом подвижного состава.
Класс нагрузки определяют [6–9] по формуле
, (1.4)
где 
– эквивалентная нагрузка от классифицируемого подвижного состава, определяемая по линиям влияния; 
– динамический коэффициент для рассматриваемой нагрузки.
Значения эквивалентной нагрузки 
от классифицируемой временной нагрузки в настоящее время определяют по таблицам Руководства по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам [9].
Учитывая, что класс элемента и класс нагрузки выражают в одинаковых единицах, то при их сравнении определяют условия пропуска поездных нагрузок по мосту.
Режимы безопасной эксплуатации моста будут обеспечены, если класс пролетного строения или опоры 
больше класса рассматриваемой поездной нагрузки 
( 
).
При определении условий пропуска классифицируемой нагрузки по металлическим пролетным строениям учитывают следующее. Если класс пролетного строения по прочности и устойчивости больше класса нагрузки, а по выносливости меньше, то пропуск такой нагрузки возможен без ограничений. Но при этом необходимо произвести оценку усталостного ресурса слабых по выносливости элементов по методике определения усталостного ресурса [9]. Если класс элемента по прочности и устойчивости меньше класса нагрузки, то эту нагрузку пропускать по мосту нельзя, а пролетные строения подлежат усилению или замене. В этом случае до производства работ по усилению или замене пролетного строения возможен пропуск поездов с ограничением скорости движения. Для этого определяют класс нагрузки без динамики 
. Если класс поездной нагрузки без динамики больше класса слабого элемента пролетного строения, т.е. 
> К, то пропуск ее по мосту невозможен. Если 
< К, то пропуск временной нагрузки возможен с ограничением скорости, а допустимую скорость движения по мосту определяют по специальным графикам в зависимости от отношения К / 
и длины загружения линии влияния [9].
Для определения возможности пропуска нагрузки по железобетонным пролетным строениям учитывают следующее: если класс элементов пролетного строения по прочности и выносливости К больше соответствующего класса нагрузки, т. е. К 
, то эту нагрузку допускают к обращению без ограничений.
Допустимую скорость движения поездов для железобетонных пролетных строений устанавливают по графику Руководства [9] в зависимости от значения К / 
и динамической добавки 
. При этом если классы элементов железобетонного пролетного строения по прочности больше, а по выносливости меньше класса нагрузки, то ограничение скорости движения не вводят, но устанавливают наблюдение за развитием трещин и изменением прочностных характеристик бетона.
В настоящее время установлено пять категорий мостов по грузоподъемности [3, 6].
К первой категории относят мосты, рассчитанные под нагрузку С14 и Н8, и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 350 кН; второй категории – обеспечивающие обращение поездов с вагонами с погонной нагрузкой 105 кН/м (К-10,5) и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 270 кН, а также транспортеров грузоподъемностью до 300–500 т и со скоростью 25–40 км/ч; третьей категории – обеспечивающие обращение поездов с вагонами с погонной нагрузкой 90 кН/м (К-9) и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 270 кН, а также транспортеров грузоподъемностью до 300–500 т и со скоростью 15–25 км/ч; четвертой категории – обращение поездов с вагонами с погонной нагрузкой 75 кН/м (К-7,5)
пути и осевой нагрузкой локомотивов и вагонов 260 кН, а также транспортеров грузоподъемностью до 300–500 т и со скоростью не менее 15 км/ч; пятой категории – все остальные мосты, не обеспечивающие пропуск нагрузок, указанных для первой – четвертой категорий.
Мосты прошлых лет постройки, на которых произведена замена пролетных строений на новые металлические или железобетонные, рассчитанные под нагрузку С14 или Н8, при удовлетворительном состоянии опор относят ко второй категории, а в случае, если по имеющимся расчетам опоры удовлетворяют расчетной нагрузке С14 или Н8 – к первой категории грузоподъемности. Но при наличии в опорах дефектов или повреждений категорию грузоподъемности мостов устанавливают по техническому состоянию и грузоподъемности опор [3, 9].
Таким образом, отечественная система оценки эксплуатационной пригодности мостов предусматривает два этапа: первый – балльную оценку по четырем категориям технического состояния и определение приоритетности вида ремонта; второй – расчеты грузоподъемности мостов, соответствующих высшим категориям состояния, и установление режимов их безопасной эксплуатации. Данная система анализа для управления состоянием искусственных сооружений опирается в основном на использование технических инструментов.
В зарубежной практике (развитые страны Европы и США) для оценки эксплуатационной пригодности мостов используют не только технические, но и экономические приемы. Для принятия решения там активно используют выбор экономически эффективных решений для достижения необходимого уровня эксплуатационной пригодности с учетом объема финансирования. Основная схема в принятии решения – увязка экономического обоснования с результатами оценки приоритетности ремонтных работ.
В настоящее время большое внимание уделяют вопросам, связанным с системами управления состоянием и качеством содержания искусственных сооружений. Ставится задача, чтобы система управления включала в себя не только планирование работ по содержанию и ремонту, но и на основе сопоставления различных стратегий эксплуатации устанавливала наиболее оптимальное решение в целях обеспечения заданного срока службы сооружения и рационального распределения средств. При этом важными являются определение показателей надежности, особенно долговечности или остаточного ресурса, математическое моделирование деградации и разрушения конструкций во времени, методы оптимизации ремонтно-восстановительных работ по поддержанию сооружений на необходимом уровне безопасного пропуска поездов и эксплуатационной надежности.