Dźwigary Mostowe — Rodzaje, Stany Uszkodzeń, Inspekcja i Nośność

Definicja i Rola Konstrukcyjna Dźwigara Mostowego

Dźwigar mostowy to główny poziomy element nośny w nadbudowie mostu. Rozpięty jest między pionowymi podporami — przyczółkami na końcach mostu i filarami w punktach pośrednich — i bezpośrednio podtrzymuje pomost mostu. Dźwigar przenosi momenty zginające (zginanie) i siły poprzeczne wywołane obciążeniami stałymi (ciężar własny dźwigara, pomostu, nawierzchni, urządzeń, barier) i obciążeniami ruchomymi (ruch pojazdów, piesi). Dźwigary przekazują te obciążenia przez łożyska na podbudowę i ostatecznie na fundament.

Funkcja konstrukcyjna dźwigara jest określona przez jego mechanizm oporu. W dźwigarze swobodnie podpartym górna półka jest ściskana, a dolna półka rozciągana pod obciążeniem grawitacyjnym, podczas gdy środnik przenosi ścinanie. W dźwigarach ciągłych rozpiętych na wielu filarach moment zginający odwraca się nad podporami — górna półka jest rozciągana, a dolna półka ściskana w strefie momentu ujemnego nad filarami. To odwrócenie naprężeń jest kluczowym zagadnieniem zarówno w projektowaniu, jak i inspekcji, ponieważ różne szczegóły podatne na zmęczenie i mechanizmy uszkodzeń występują w strefach momentu dodatniego i ujemnego.

AASHTO LRFD Bridge Design Specifications klasyfikują dźwigary jako podstawowe elementy nadbudowy. FHWA Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) identyfikuje dźwigary jako główne elementy nadbudowy do oceny stanu. W AASHTO Manual for Bridge Element Inspection (MBEI) dźwigary są śledzone jako odrębne typy elementów z określonymi numerami: Element 110 — Stalowy Dźwigar Otwarty/Belka, Element 111 — Stalowy Dźwigar Zamknięty/Skrzynkowy oraz Element 109 — Sprężony Dźwigar Betonowy. Każdy element jest określany ilościowo w jednostkach stóp bieżących i przypisywany do czterech stanów podczas inspekcji.

Zakres rozpiętości różnych typów dźwigarów znacznie się różni. Walcowane belki stalowe (kształtowniki W) są ekonomiczne dla rozpiętości do około 30 m (100 ft). Spawane blachownice zwiększają ekonomiczny zakres do 60 m (200 ft) lub więcej. Sprężone dźwigary betonowe AASHTO I są stosowane dla rozpiętości od 15 m (50 ft) do około 45 m (150 ft), podczas gdy przekroje bulb-tee osiągają 55 m (180 ft). Stalowe dźwigary skrzynkowe i korytkowe są stosowane dla rozpiętości od 30 m (100 ft) do ponad 90 m (300 ft) w mostach zakrzywionych i o dużych rozpiętościach. Betonowe dźwigary skrzynkowe, zazwyczaj wykonywane jako monolityczne sprężone kablami, są stosowane dla rozpiętości od 25 m (80 ft) do ponad 200 m (650 ft) w konstrukcjach segmentowych.

Rodzaje Dźwigarów

Dźwigary mostowe klasyfikuje się według materiału (stal, beton sprężony, żelbet) i kształtu przekroju poprzecznego (dwuteownik, skrzynka, korytko, teownik, bulb-tee). Poniżej przedstawiono podstawowe typy dźwigarów stosowane w nowoczesnych mostach drogowych.

Stalowy Dźwigar Dwuteowy (Walcowany). Stalowy dźwigar dwuteowy jest wykonywany ze standardowego walcowanego kształtownika szerokostopowego (W) produkowanego w hutach stali. Walcowane belki są dostępne w wysokościach do około 1100 mm (44 cale) i są ograniczone wydajnością walcarek. Typowe gatunki obejmują ASTM A709 Grade 50 (granica plastyczności 50 ksi) i Grade 50W (stal kortenowska). Walcowane dźwigary dwuteowe są najbardziej ekonomiczną opcją dla krótkich i średnich rozpiętości, ponieważ nie wymagają spawania produkcyjnego poza blachami węzłowymi i żebrami. Stosowane są w układach wielodźwigarowych z typowymi rozstawami 1,8–3,7 m (6–12 ft) podtrzymującymi monolityczną żelbetową płytę pomostu pracującą zespolono poprzez łączniki ścinane. Kod typu przęsła SNBI dla walcowanych belek stalowych to G02.

Stalowa Blachownica (Spawany Dźwigar Dwuteowy). Gdy wymagania dotyczące rozpiętości i obciążenia przekraczają możliwości kształtowników walcowanych, blachownice są wykonywane przez spawanie blach stalowych — blachy środnika i dwóch blach półek — w przekrój dwuteowy. Blachownice są elementami składanymi, które można optymalizować pod kątem określonych wymagań projektowych, w tym zmiennej wysokości i zmiennej grubości półek. Wysokość środnika może wynosić nawet 3 m (10 ft) lub więcej, ograniczona jedynie warunkami transportu i zwichrzeniem bocznym. Blachy półek mogą mieć grubość do 100 mm (4 cale). Blachownice powszechnie stosują żebra poprzeczne przyspawane do środnika w celu zapobiegania wyboczeniu środnika oraz żebra podporowe w punktach podparcia do przenoszenia skoncentrowanych reakcji. Pośrednie żebra poprzeczne mogą być projektowane jako żebra podporowe lub jako żebra pośrednie dla nośności na ścinanie. Wymagania AASHTO LRFD nakazują, aby blachownice o smukłości środnika (D/tw) przekraczającej określone granice miały żebra poprzeczne. Żebra wzdłużne są czasami dodawane dla bardzo wysokich dźwigarów w celu kontroli wyboczenia giętnego ściskanej półki. Kod typu przęsła SNBI dla spawanych blachownic to G01.

Sprężony Betonowy Dźwigar Dwuteowy. Prefabrykowane, sprężone dźwigary betonowe są jednymi z najczęściej stosowanych elementów mostowych w Stanach Zjednoczonych. Standardowe kształtowniki dźwigarów I AASHTO — typy I do VI — są zdefiniowane w AASHTO LRFD Bridge Design Specifications z rosnącymi wysokościami od 710 mm (28 cali) dla typu I do 1830 mm (72 cale) dla typu VI. PCI bulb-tee (BT-54, BT-63, BT-72) oferują lepszą efektywność dzięki szerszej górnej półce, która zwiększa powierzchnię ściskania i zapewnia większą powierzchnię betonowania płyty pomostu. Przekroje bulb-tee mają wysokości 1370 mm (54 cale), 1600 mm (63 cale) i 1830 mm (72 cale). Sprężenie jest zapewniane przez sploty siedmiodrutowe o niskiej relaksacji (Gatunek 270 lub Gatunek 250) o średnicach 12,7 mm (0,5 cala) lub 15,2 mm (0,6 cala). Sploty są napinane do około 75% ich wytrzymałości na rozciąganie przed ułożeniem betonu (sprężenie wstępne). Siła sprężająca jest przenoszona na beton przez przyczepność po osiągnięciu przez beton określonej wytrzymałości odcinającej, typowo 5000–6000 psi. Sploty odciążone (debonded) są stosowane na końcach dźwigarów w celu kontroli naprężeń rozciągających przy odcięciu. Sploty odgięte (harped) optymalizują rozkład naprężeń sprężających wzdłuż długości dźwigara. Kod materiałowy przęsła SNBI dla betonu sprężonego to C06, a kod typu przęsła to S05.

Stalowy Dźwigar Skrzynkowy (Zamknięty). Stalowy dźwigar skrzynkowy to zamknięty przekrój składający się zazwyczaj z dwóch lub trzech środników z górnymi i dolnymi półkami, tworzący prostokątną lub trapezową skrzynkę, która jest sztywna na skręcanie. Zamknięte dźwigary skrzynkowe są stosowane w mostach zakrzywionych, gdzie obciążenia skręcające od krzywizny są znaczące, w mostach o dużych rozpiętościach, gdzie ważna jest stabilność aerodynamiczna, oraz w mostach z ograniczeniami wysokości, gdzie korzystna jest mniejsza wysokość konstrukcyjna zamkniętej skrzynki. Dźwigary skrzynkowe są wykonane z blach stalowych z połączeniami spawanymi, a górna półka zazwyczaj pracuje zespolono z monolityczną płytą betonową. Zamknięte wnętrze dźwigara skrzynkowego wymaga włazów dostępowych, wentylacji i systemów osuszania w celu zapobiegania korozji, a inspekcje wymagają procedur wejścia do przestrzeni zamkniętych. Kod typu przęsła SNBI dla stalowych dźwigarów skrzynkowych to G04.

Stalowy Dźwigar Korytkowy (Trapezowy). Stalowy dźwigar korytkowy — nazywany również trapezowym dźwigarem skrzynkowym — to otwarty od góry przekrój trapezowy, który staje się przekrojem zamkniętym po ułożeniu płyty betonowej. Dźwigary korytkowe łączą efektywność skrętną skrzynki z zaletami konstrukcyjnymi dźwigara dwuteowego. Dolna półka ma kształt trapezu (szersza na dole) z dwoma nachylonymi środnikami. Środniki są zazwyczaj usztywnione żebrami podłużnymi i poprzecznymi. Dźwigary korytkowe są wybierane ze względu na wygląd estetyczny — gładki, nieprzerwany przekrój jest wizualnie preferowany — oraz doskonałą sztywność skrętną dla mostów zakrzywionych. Dźwigary korytkowe formowane na prasie krawędziowej to wyspecjalizowany wariant wykonywany przez gięcie blachy stalowej na zimno w płytkie kształty korytkowe, stosowany typowo dla krótszych rozpiętości (15–30 m). FHWA uznaje dźwigary korytkowe za efektywne rozwiązanie dla mostów zakrzywionych o średniej rozpiętości, oferujące znaczące zalety w zakresie rozpiętości, sztywności i trwałości. Podręcznik AISC Steel Bridge Design Handbook zawiera kompleksowe wytyczne projektowe dla mostów z zespolonymi stalowymi dźwigarami korytkowymi.

Tabela Porównawcza Typów Dźwigarów.

Uszkodzenia Dźwigarów Stalowych

Dźwigary stalowe ulegają degradacji poprzez kilka odrębnych mechanizmów, które zmniejszają nośność konstrukcji. Każdy rodzaj uszkodzenia ma charakterystyczne wskaźniki wizualne, parametry pomiarowe i klasyfikacje nasilenia stosowane podczas inspekcji.

Korozja. Korozja jest najbardziej rozpowszechnionym rodzajem uszkodzenia stalowych dźwigarów mostowych. Jest to proces elektrochemiczny, w którym żelazo w stali utlenia się, tworząc tlenki żelaza (rdzę) w obecności tlenu i wilgoci. Ubytek przekroju spowodowany korozją zmniejsza efektywny przekrój nośny. Krytycznymi miejscami korozji dźwigarów są strefy łożysk, gdzie woda i środki odladzające gromadzą się na dolnej półce i środniku, obszary nieszczelnych dylatacji, gdzie uszkodzenie uszczelnień dylatacyjnych powoduje kapanie spływów zawierających chlorki na dźwigar poniżej, strefy zachlapania w pobliżu odwodnienia jezdni, gdzie rozpryskiwanie wody przez pojazdy osadza wilgoć i sole, oraz miejsca gromadzenia się zanieczyszczeń przy dźwigarze, zatrzymujące wilgoć. Korozja jest klasyfikowana jako korozja powierzchniowa (niewielka, kosmetyczna, poniżej 10% ubytku przekroju), korozja z ubytkiem przekroju (10–30% ubytku przekroju, mierzalna ultradźwiękowym pomiarem grubości) oraz poważny ubytek przekroju (powyżej 30% ubytku przekroju, który może obejmować dziury w środniku lub półce). FHWA Scoring Guide for Steel Bridge Corrosion zawiera 5-kategoriową klasyfikację od Kategorii 1 (brak korozji) do Kategorii 5 (dziury w dźwigarze). Stal kortenowska (A709 Grade 50W) tworzy ochronną warstwę patyny, która zmniejsza szybkość korozji, ale może ulegać przyspieszonej korozji (złuszczanie patyny) w środowiskach z utrzymującą się wilgocią, ekspozycją na chlorki lub złym odwodnieniem.

Pęknięcia Zmęczeniowe. Pęknięcia zmęczeniowe są najpoważniejszym uszkodzeniem dźwigarów stalowych, ponieważ mogą prowadzić do nagłego, katastrofalnego pęknięcia. Pęknięcia zmęczeniowe inicjują się w miejscach koncentracji naprężeń, gdzie cykliczne naprężenia rozciągające przekraczają odporność zmęczeniową materiału. AASHTO kategoryzuje szczegóły zmęczeniowe na kategorie od A do E’ w oparciu o odporność zmęczeniową szczegółu, gdzie Kategoria A jest najbardziej odporna (gładka stal walcowana), a Kategoria E’ najmniej odporna (grube nakładki z poprzecznymi spoinami czołowymi). Najbardziej podatne na zmęczenie miejsca na dźwigarach stalowych obejmują: lica spoin żeber poprzecznych, zakończenia spoin przy otworach odciążających, końce nakładek (Kategoria E dla grubości półki mniejszej niż 20 mm, Kategoria E’ dla grubości większej niż 20 mm), blachy węzłowe stężeń poprzecznych i poprzecznic, wycięcia blokowe na końcach dźwigarów oraz spoiny czołowe w złączach półek. Pęknięcia zmęczeniowe typowo inicjują się w licu spoiny i propagują przez materiał rodzimy prostopadle do głównego naprężenia rozciągającego. Zmęczenie wywołane odkształceniami — spowodowane zginaniem poza płaszczyzną środników dźwigarów na skutek różnic ugięć między sąsiednimi dźwigarami w połączeniach stężeń poprzecznych — jest poważnym problemem w mostach z podporami skośnymi i giętkimi środnikami. Podręcznik FHWA-NHI-16-016 dotyczący zmęczenia i pękania w mostach stalowych zawiera kompleksowe wytyczne dotyczące identyfikacji, inspekcji i naprawy pęknięć zmęczeniowych.

Ubytek Przekroju. Ubytek przekroju w dźwigarach stalowych wynika z korozji, ścierania mechanicznego lub uszkodzeń udarowych. Utrata pola przekroju poprzecznego bezpośrednio zmniejsza wskaźnik wytrzymałości przekroju (S = I / c, gdzie I to moment bezwładności, a c to odległość od osi obojętnej do skrajnego włókna), który określa nośność na zginanie. Ubytek przekroju w półce rozciąganej jest najbardziej krytyczny, ponieważ całe pole półki przyczynia się do pary sił rozciągających. Ubytek przekroju w półce ściskanej może indukować wyboczenie miejscowe przy obniżonym poziomie naprężeń. Ubytek przekroju w środniku zmniejsza nośność na ścinanie i może prowadzić do wyboczenia środnika. Zmierzony ubytek przekroju jest wyrażany jako procent pierwotnych wymiarów elementu. Pomiary grubości ultradźwiękowe w najbardziej skorodowanym przekroju określają pozostałą grubość, która jest używana w obliczeniach nośności według AASHTO MBE Sekcja 6.

Uszkodzenia Udarowe. Uszkodzenia udarowe występują, gdy pojazdy o ponadnormatywnej wysokości uderzają w dolną półkę dźwigarów w miejscach o małym prześwicie pionowym. Uderzenie może spowodować wygięcie półek, wyboczenie środników, pęknięcia spoin, przesunięcia, a w poważnych przypadkach pęknięcie elementów dźwigara. Uszkodzenia udarowe są najczęstsze na wiaduktach kolejowych, drogach o ograniczonej wysokości oraz dojazdach do mostów, gdzie osiadanie nawierzchni zmniejszyło efektywny prześwit pionowy. Inspekcja uszkodzonych dźwigarów wymaga pomiarów wymiarowych w celu określenia deformacji półek, kontroli płaskości środników pod kątem wyboczenia oraz badań NDT (penetrantowa lub magnetyczno-proszkowa) spoin w strefie uderzenia pod kątem pęknięć. Uszkodzenia udarowe mogą wymagać natychmiastowego ograniczenia ruchu do czasu oceny.

Uszkodzenia Dźwigarów Betonowych

Sprężone dźwigary betonowe ulegają uszkodzeniom poprzez odrębne mechanizmy związane z degradacją materiału betonowego, utratą sprężenia i korozją zbrojenia.

Pęknięcia Zginające. Pęknięcia zginające w sprężonych dźwigarach betonowych to pęknięcia pionowe lub prawie pionowe, które inicjują się w dolnej (rozciąganej) półce w strefie momentu dodatniego (w przęśle) i propagują się w górę przez środnik. Pod obciążeniami użytkowymi prawidłowo zaprojektowane dźwigary sprężone powinny pozostać niespękane (Klasa U według AASHTO) lub mieć ograniczone szerokości rozwarcia rys (Klasa C). Szerokości rozwarcia rys przekraczające 0,010–0,014 cala (0,25–0,35 mm) w agresywnym środowisku wskazują na przeciążenie (obciążenie ruchome przekraczające projektowe), utratę sprężenia (zmniejszone ściskanie od relaksacji, pełzania i skurczu) lub ubytki przekroju (odpryski zmniejszające efektywny przekrój). Pęknięcia zginające stanowią bezpośrednie ścieżki dla chlorków i wilgoci do dotarcia do splotów sprężających, inicjując korozję. Należy mierzyć i dokumentować rozstaw oraz szerokość pęknięć, a porównanie z poprzednimi zapisami inspekcji pozwala zidentyfikować progresję.

Pęknięcia Ścinające. Pęknięcia ścinające pojawiają się w pobliżu końców dźwigarów, gdzie naprężenia styczne są największe. Są to pęknięcia ukośne nachylone pod kątem około 45° do osi podłużnej, typowo w obszarze środnika. Pęknięcia ścinające wskazują, że główne naprężenie rozciągające w środniku przekracza wytrzymałość betonu na rozciąganie. W dźwigarach sprężonych pionowa składowa odgiętych splotów sprężających (sploty harped) przyczynia się do odporności na ścinanie. Pęknięcia środnika przecinające ścieżkę splotów odgiętych są szczególnie niepokojące, ponieważ mogą wskazywać na rozszczepianie środnika od promieniowej składowej siły sprężającej. Pęknięcia ukośne w pobliżu podpór sięgające do dolnej półki w strefie łożysk mogą zmniejszać zdolność przenoszenia ścinania. AASHTO MBE zawiera kryteria oceny nośności na ścinanie w spękanych dźwigarach sprężonych.

Odpryski i Delaminacja. Odpryski to utrata otuliny betonowej nad zbrojeniem stalowym lub splotami sprężającymi. Występują, gdy korozja stali zbrojeniowej wytwarza ekspansywne produkty korozji, które wywołują wewnętrzne naprężenia rozciągające w otaczającym betonie, przekraczające wytrzymałość na rozciąganie i powodujące odrywanie się otuliny betonowej. Odpryski na końcach dźwigarów wystawiają sploty sprężające na działanie środowiska. Odpryski spowodowane korozją w miejscach splotów są stanem krytycznym, ponieważ wskazują na aktywną korozję splotów. Delaminacja (płaszczyznowe oddzielenie równoległe do powierzchni) może poprzedzać odpryski i jest wykrywana poprzez opukiwanie łańcuchem lub młotkiem. Odpryski zmniejszają pole przekroju poprzecznego dostępne do przenoszenia naprężeń ściskających i rozciągających oraz eliminują otulinę chroniącą sploty przed dalszą korozją.

Utrata Sprężenia i Korozja Splotów. Utrata sprężenia w dźwigarach betonowych sprężonych wstępnie występuje poprzez trzy mechanizmy: skrócenie sprężyste (natychmiastowe po przekazaniu), pełzanie betonu (odkształcenie zależne od czasu pod utrzymującym się sprężeniem), skurcz betonu (zmiana objętości w czasie) oraz relaksację stali (zmniejszenie naprężenia splotu przy stałym odkształceniu). Długoterminowe straty sprężenia wynoszą typowo od 15% do 25% początkowego sprężenia. Korozja splotów jest najbardziej niebezpiecznym stanem, ponieważ pęknięcie pojedynczego splotu zmniejsza siłę sprężającą o wkład danego splotu (typowo 15–20 kips na splot dla splotów 0,6 cala). Kruchość wodorowa to mechanizm niszczenia w stali sprężającej o wysokiej wytrzymałości, gdzie atomowy wodór dyfunduje do sieci krystalicznej stali, zmniejszając ciągliwość i powodując kruche pękanie przy naprężeniach poniżej granicy plastyczności. Chlorki z soli odladzających są główną przyczyną korozji splotów w dźwigarach mostowych. Wyniki inspekcji wskazujące na rdzawe zacieki na powierzchniach dźwigara, pęknięcia podłużne wzdłuż ścieżek splotów lub odsłonięte skorodowane sploty stanowią krytyczne ustalenia wymagające natychmiastowej oceny i potencjalnego ograniczenia nośności.

Ocena Nadbudowy w Systemie FHWA SNBI

Specifications for the National Bridge Inventory (SNBI), opublikowane przez FHWA w marcu 2022 roku (FHWA-HIF-22-017), ustanawia wymagania dotyczące raportowania danych dla wszystkich mostów drogowych otwartych dla ruchu publicznego w Stanach Zjednoczonych. Stan dźwigara raportowany jest poprzez Ocenę Stanu Nadbudowy (pozycja danych B.C.02) oraz dane na poziomie elementów.

Ocena Stanu Nadbudowy (B.C.02) wykorzystuje skalę kodowania od 0 do 9. Ocena jest oparta na składnikach, co oznacza, że opisuje stan nadbudowy jako całości, uwzględniając wszystkie elementy główne. Zgodnie z wytycznymi oceny SNBI Załącznik C, kody oceny stanu nadbudowy są zdefiniowane następująco:

SNBI wymaga również danych na poziomie elementów (zestaw danych B.E) dla mostów na krajowym systemie autostrad (NHS). Każdy element raportowany jest w czterech stanach: Stan 1 (CS 1) — Chroniony/dobry, Stan 2 (CS 2) — Niewielka degradacja/dostateczny, Stan 3 (CS 3) — Zaawansowana degradacja/zły, Stan 4 (CS 4) — Poważna degradacja wymagająca działań. Dla stalowych dźwigarów otwartych (Element 110), CS 1 opisuje brak korozji lub zmęczenia; CS 2 opisuje korozję powierzchniową lub niewielką korozję wżerową; CS 3 opisuje ubytek przekroju do 10% lub pęknięcia zmęczeniowe mniejsze niż 2 cale; CS 4 opisuje ubytek przekroju przekraczający 10% lub pęknięcia zmęczeniowe przekraczające 2 cale.

Przykładowy zestaw danych w SNBI Załącznik A dla Mostu Numer 15558X pokazuje Ocenę Stanu Nadbudowy 5 (Dostateczny) z Oceną Stanu Łożysk Mostowych 4 (Niezadowalający) i Oceną Stanu Dylatacji Mostowych 2 (Krytyczny). Te oceny składników razem dają pełny obraz stanu nadbudowy, przy czym stan dźwigara jest głównym czynnikiem w ocenie nadbudowy.

Inspekcja Dźwigarów

Inspekcja dźwigarów mostowych jest zgodna z wymaganiami ustanowionymi w National Bridge Inspection Standards (NBIS), AASHTO Manual for Bridge Evaluation (MBE) oraz FHWA Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM). Inspekcja dźwigarów klasyfikowana jest jako inspekcja rutynowa (w regularnych odstępach, zazwyczaj 12–24 miesięcy), inspekcja szczegółowa (praktyczna, zazwyczaj wymagająca sprzętu dostępowego), inspekcja elementów krytycznych ze względu na pęknięcie (dla elementów rozciąganych, których awaria spowodowałaby zawalenie mostu) lub inspekcja specjalna (wywołana uszkodzeniem lub degradacją).

Inspekcja Wizualna. Inspekcja wizualna jest podstawową metodą inspekcji dla wszystkich typów dźwigarów. Inspektor bada całą długość każdego dźwigara, dokumentując wszystkie obserwowalne uszkodzenia. Dla dźwigarów stalowych inspektor ocenia zakres i nasilenie korozji, pęknięcia zmęczeniowe w połączeniach spawanych, stan śrub w złączach montażowych, stan systemu malarskiego (stopień rdzy według ASTM D610) oraz uszkodzenia udarowe. Dla dźwigarów betonowych inspektor ocenia szerokość, długość i wzór pęknięć; wymiary i głębokość odprysków; stan odsłoniętych splotów; rdzawe zacieki; oraz wykwity. Inspekcja dokumentowana jest na standardowych formularzach inspekcji mostów (lub elektronicznych systemach zbierania danych), które rejestrują ilość każdego elementu w każdym stanie według definicji elementów AASHTO MBEI. Praktyczna inspekcja w zasięgu ręki wszystkich krytycznych szczegółów jest wymagana dla elementów krytycznych ze względu na pęknięcie (FCM). Dostęp do inspekcji wizualnej może wymagać pojazdów do inspekcji podmostowej (snooper trucks), drabin, rusztowań lub dostępu łodzią dla przekroczeń wodnych.

Badania Nieniszczące (NDT). Metody NDT są stosowane, gdy inspekcja wizualna zidentyfikuje warunki wymagające dalszej oceny. FHWA i AASHTO określają metody NDT dla dźwigarów stalowych i betonowych. Dla dźwigarów stalowych podstawowymi metodami NDT są badania ultradźwiękowe (UT) do wykrywania pęknięć wewnętrznych w spoinach i metalu rodzimym, badania magnetyczno-proszkowe (MT) do wykrywania pęknięć powierzchniowych i podpowierzchniowych w stali ferromagnetycznej, badania penetracyjne (PT) do wykrywania pęknięć wychodzących na powierzchnię, ultradźwiękowy pomiar grubości do pomiaru pozostałej grubości półek i środników w skorodowanych obszarach oraz badania radiograficzne (RT) do inspekcji spoin, gdzie dostęp uniemożliwia UT. Dla dźwigarów betonowych metody obejmują ultradźwiękową metodę prędkości impulsu (UPV) do wykrywania pustek wewnętrznych i oceny jakości betonu, badania metodą echoodbiciową (impact-echo) do wykrywania delaminacji i pustek w kanałach cięgien, georadar (GPR) do lokalizowania zatopionych splotów i wykrywania wnikania wilgoci oraz mapowanie potencjału półogniwa do oceny aktywności korozyjnej stali zbrojeniowej. Program FHWA Steel Bridge Testing Program ocenił technologie NDT do wykrywania pęknięć zmęczeniowych, ustanawiając krzywe prawdopodobieństwa wykrycia (POD) dla różnych metod.

Inspekcja z Użyciem Dronów. Bezzałogowe statki powietrzne (UAV lub drony) są coraz częściej używane do inspekcji dźwigarów, szczególnie w mostach o dużej wysokości nad drogami wodnymi, głębokimi dolinami lub ruchem drogowym, gdzie dostęp za pomocą pojazdów inspekcyjnych jest trudny lub niebezpieczny. Drony wyposażone w kamery wysokiej rozdzielczości (20+ megapikseli), obiektywy z zoomem optycznym (30× lub większym) oraz systemy oświetleniowe mogą rejestrować szczegółowe obrazy dolnych półek dźwigarów, środników i połączeń ze wszystkich kątów. Drony wyposażone w LiDAR mogą tworzyć trójwymiarowe modele chmur punktów nadbudowy do pomiarów wymiarowych i wykrywania odkształceń. Kamery termowizyjne na dronach mogą wykrywać wnikanie wilgoci, delaminację i ukrytą korozję. SNBI obejmuje B.IE.12 Sprzęt Inspekcyjny z kodem I3 dla “Dron lub Bezzałogowy Statek Powietrzny (UAV)” używanego podczas inspekcji. Dane z inspekcji dronem mogą być zintegrowane z platformą cyfrowego bliźniaka TarmacView do przestrzennej rejestracji lokalizacji uszkodzeń i wykrywania zmian w czasie.

Szczegóły Podatne na Zmęczenie

Pękanie zmęczeniowe w stalowych dźwigarach mostowych podlega kategoriom zmęczeniowym AASHTO zdefiniowanym w AASHTO LRFD Bridge Design Specifications Artykuł 6.6.1. Kategorie klasyfikują szczegóły spawane i skręcane na podstawie danych z badań zmęczeniowych, przypisując granicę zmęczenia przy stałej amplitudzie (CAFL) dla każdej kategorii. Kategorie od najwyższej do najniższej odporności zmęczeniowej:

Elementy krytyczne ze względu na pęknięcie (FCM) to stalowe elementy rozciągane, których awaria spowodowałaby zawalenie mostu. Dla mostów z dźwigarami stalowymi typowe FCM obejmują układy dwudźwigarowe (każdy dźwigar jest FCM), łuki ściągowe oraz elementy rozciągane kratownic. FCM wymagają praktycznej inspekcji w odstępach określonych w planie inspekcji FCM mostu. SNBI raportuje, czy wymagana jest inspekcja elementów krytycznych ze względu na pęknięcie poprzez B.IR.01 — NSTM Inspection Required (nie-redundantny stalowy element rozciągany).

Zmęczenie wywołane odkształceniami w obszarze szczeliny środnika w połączeniach stężeń poprzecznych jest powszechnym problemem w stalowych mostach wielodźwigarowych. Gdy występuje różnica ugięć między sąsiednimi dźwigarami, siły od stężeń poprzecznych powodują zginanie poza płaszczyzną środnika dźwigara w małej szczelinie między zakończeniem spoiny blachy węzłowej a spoiną półki. Ta deformacja poza płaszczyzną generuje naprężenia wtórne, które mogą powodować pękanie zmęczeniowe w licu spoiny. AASHTO obecnie wymaga, aby blachy węzłowe były przyspawane bezpośrednio do obu półek (lub zapewnione było pozytywne połączenie), aby wyeliminować szczelinę środnika. Inspekcja istniejących mostów powinna koncentrować się na spoinach blacha węzłowa-środnik pod kątem oznak pęknięć wywołanych odkształceniami.

Stan Łożysk

Łożyska mostowe są interfejsem między dźwigarami a elementami podbudowy. Spełniają trzy funkcje: przenoszenie obciążeń pionowych z nadbudowy na podbudowę, umożliwianie obrotu od ugięcia od obciążeń stałych i ruchomych oraz umożliwianie ruchu poziomego od rozszerzalności termicznej i skurczu. SNBI raportuje Ocenę Stanu Łożysk Mostowych (B.C.07) z użyciem tej samej skali kodowania od 0 do 9.

Typy łożysk stosowanych z dźwigarami obejmują łożyska elastomerowe (zwykłe podkładki neoprenowe lub laminowane neoprenem z blachami stalowymi), łożyska wahaczowe (stalowe wahacze przechylające się, aby umożliwić ruch podłużny), łożyska rolkowe (pojedyncze lub wielokrotne rolki stalowe), łożyska ślizgowe (PTFE na stali nierdzewnej dla niskiego tarcia), łożyska czaszowe (podkładka elastomerowa zamknięta w stalowym cylindrze), łożyska mechaniczne (przegubowe lub stałe) oraz łożyska wielokierunkowe o dużej nośności.

Stany uszkodzeń łożysk obejmują korozję stalowych elementów łożysk (ramiona wahaczy, rolki, płyty podłożyskowe, płyty górne), zablokowanie (utrata zdolności ruchu z powodu korozji lub gromadzenia się zanieczyszczeń), przemieszczenie (przechylenie wahacza przekraczające granice projektowe, typowo 10°), degradację elastomeru (pękanie, rozwarstwianie, wyciskanie lub utrata podkładek elastomerowych), uszkodzenie śrub kotwiących (ścięte, skorodowane lub brakujące śruby), korozję płyty podłożyskowej na styku z gniazdem łożyska oraz uszkodzenie połączenia płyty górnej (połączenie spawane lub skręcane z dolną półką dźwigara).

AASHTO Manual for Bridge Element Inspection śledzi łożyska jako oddzielny element (Element 310 — Łożysko Elastomerowe, Element 311 — Łożysko Ruchome, Element 312 — Łożysko Zamknięte/Ukryte, Element 313 — Łożysko Stałe, Element 314 — Łożysko Czaszowe). Stan łożyska bezpośrednio wpływa na przenoszenie obciążeń przez dźwigar. Zablokowane łożysko dylatacyjne wywołuje w dźwigarach siły termiczne, które nie były uwzględnione w projekcie. Uszkodzone łożysko na podporze tworzy szczelinę między dźwigarem a gniazdem łożyska, redystrybuując reakcje na sąsiednie podpory. BIRM zawiera szczegółowe listy kontrolne inspekcji dla każdego typu łożyska.

Wpływ Degradacji Dźwigara na Nośność

Degradacja dźwigara bezpośrednio obniża nośność mostu — stosunek nośności konstrukcji do przyłożonych obciążeń. Współczynnik nośności (RF) jest obliczany według AASHTO MBE Sekcja 6 jako:

RF = (C - A1 × D) / (A2 × L × (1 + I))

Gdzie C to nośność, A1 to współczynnik obciążeń stałych, D to efekt obciążeń stałych, A2 to współczynnik obciążeń ruchomych, L to efekt obciążeń ruchomych, a I to współczynnik dynamiczny. Degradacja zmniejsza składnik nośności C, co obniża RF.

Dla dźwigarów stalowych nośność na zginanie wynosi M_n = F_y × S_x (na granicy plastyczności) lub M_n = M_p (moment plastyczny, ograniczony przez zwichrzenie boczne). Ubytek przekroju zmniejsza sprężysty wskaźnik wytrzymałości przekroju (S_x) i plastyczny wskaźnik wytrzymałości przekroju (Z_x). Pozostałą nośność oblicza się, używając zmierzonych właściwości przekroju w najbardziej zdegradowanym przekroju. Na przykład 15% zmniejszenie pola dolnej półki z powodu korozji zmniejsza wskaźnik wytrzymałości o około 10–15%, co proporcjonalnie obniża RF. Nośność na ścinanie dźwigara V_n = 0,58 × F_y × D × t_w × C (gdzie C uwzględnia wyboczenie środnika). Ubytek przekroju środnika bezpośrednio zmniejsza grubość środnika, proporcjonalnie redukując nośność na ścinanie.

Dla sprężonych dźwigarów betonowych nośność na zginanie w stanie granicznym użytkowalności jest określona przez dopuszczalne naprężenia rozciągające. Utrata sprężenia zwiększa netto naprężenie rozciągające pod obciążeniem ruchomym, a jeśli naprężenie rozciągające przekracza dopuszczalną granicę (typowo 0,0948√f’c dla elementów klasy C), pojawiają się pęknięcia. W stanie granicznym nośności korozja splotów zmniejszająca pole przekroju splotu redukuje graniczną nośność na zginanie. Utrata jednego splotu w dźwigarze zawierającym 40 splotów zmniejsza nośność o około 2,5%. Jednak utrata wielu splotów lub splotów w tym samym rzędzie może bardziej znacząco zmniejszyć nośność z powodu utraty rozkładu siły sprężającej.

SNBI Sekcja 5 wymaga raportowania Współczynnika Nośności Eksploatacyjnej (B.LR.05), Współczynnika Nośności Dopuszczalnej (B.LR.06) oraz Kontrolnego Współczynnika Nośności dla Obciążeń Prawnych (B.LR.07). Gdy Nośność Dopuszczalna spada poniżej 1,0, most musi być oznakowany ograniczeniami wagowymi zgodnie z konfiguracją obciążeń prawnych stanu (B.EP.01). Przykładowy zestaw danych SNBI dla Mostu 15558X pokazuje Współczynnik Nośności Eksploatacyjnej 0,30 i Współczynnik Nośności Dopuszczalnej 0,50 z wartościami oznakowania od 15 do 30 ton w zależności od konfiguracji obciążeń prawnych.

AASHTO MBE Sekcja 6 zawiera szczegółowe procedury obliczania nośności zdegradowanych dźwigarów. Dla dźwigarów stalowych pomiar pozostałej grubości za pomocą ultradźwiękowego pomiaru grubości w odstępach co 5 stóp na całej długości dźwigara określa minimalny pozostały przekrój. Dla dźwigarów betonowych szczegółowa inwentaryzacja pęknięć dokumentująca szerokość, długość, rozstaw i lokalizację pęknięć w połączeniu z inwentaryzacją splotów w obszarach odprysków określa efektywną utratę sprężenia. Inżynier ds. nośności wykorzystuje te dane terenowe do obliczenia nośności po degradacji, co może skutkować oznakowaniem ograniczeń wagowych lub koniecznością wzmocnienia lub wymiany mostu.

Podsumowanie

Dźwigary mostowe są głównymi elementami nośnymi nadbudowy, dostępnymi w wielu konfiguracjach — stalowe dźwigary dwuteowe, spawane blachownice, sprężone dźwigary betonowe dwuteowe (AASHTO i bulb-tee), stalowe dźwigary skrzynkowe i stalowe dźwigary korytkowe. Każdy typ ma charakterystyczne stany uszkodzeń: dźwigary stalowe cierpią na korozję (szczególnie w miejscach łożysk i dylatacji), pęknięcia zmęczeniowe (w połączeniach spawanych według kategorii AASHTO od A do E’), ubytek przekroju i uszkodzenia udarowe; dźwigary betonowe rozwijają pęknięcia zginające i ścinające, odpryski od korozji splotów oraz utratę sprężenia od długoterminowych efektów materiałowych. SNBI ocenia stan dźwigara poprzez Ocenę Stanu Nadbudowy (B.C.02) w skali od 0 do 9 oraz poprzez ilościowe stany na poziomie elementów. Metody inspekcji obejmują inspekcję wizualną (metoda podstawowa), NDT (UT, MT, PT, UPV, impact-echo) oraz inspekcję z użyciem dronów dla mostów o dużej wysokości. Degradacja dźwigara bezpośrednio obniża wartości nośności poprzez ubytek przekroju i utratę sprężenia, co może wymagać oznakowania ograniczeń wagowych w celu zapewnienia bezpieczeństwa mostu. Zrozumienie typów dźwigarów, mechanizmów uszkodzeń i wymagań inspekcyjnych jest niezbędne dla zarządców mostów, inspektorów i inżynierów odpowiedzialnych za utrzymanie bezpieczeństwa i funkcjonalności inwentarza mostów drogowych.