Ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, которая в пять раз точнее рассчитывает надежность опорных частей мостов

Пермь. 26 сентября. ГеоИнфо —  Безопасность более 42 тысяч российских мостов, особенно в сейсмически активных регионах, таких как Крым и Дальний Восток, во многом зависит от надежности опорных частей — своеобразных «суставов» конструкции. Наибольшую эффективность показывают сферические опоры, в которых ключевую роль играет полимерный слой между стальными чашами: именно он отвечает за гашение колебаний. Однако после ухода с российского рынка иностранных производителей и на фоне несовершенства существующих методов проектирования, не способных достоверно прогнозировать поведение материалов при землетрясениях, разработка отечественных решений стала задачей национального масштаба.

Для ответа на этот вызов ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель опорной части моста, которая в пять раз точнее существующих методов рассчитывает ее надежность.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-29-00470), результаты опубликованы в научной статье.

В России насчитывается более 42 тысяч мостов общей длиной свыше 20 тысяч километров. Их надежность имеет критическое значение, так как сооружения должны выдерживать не только стандартные эксплуатационные нагрузки, но и сейсмические воздействия, число которых ежегодно растет.

Особую роль в этом играют опорные части, выполняющие функцию «суставов» моста. Они позволяют конструкции адаптироваться к перепадам температуры, вибрациям и подземным толчкам. Наиболее эффективными считаются сферические опоры, где основное гашение колебаний обеспечивает полимерный слой.

Однако существующие технологии демонстрируют ограниченную эффективность. Хотя срок службы стандартных опорных частей оценивается в 30–40 лет, на практике они часто не выдерживают реальных нагрузок при землетрясениях. Причина в том, что традиционные методы проектирования не учитывают поведение материалов при многократных мощных воздействиях, что приводит к ускоренному износу, затратным ремонтам и дополнительным рискам для безопасности.

Созданная в Пермском Политехе высокоточная модель — «цифровой двойник» — позволяет проанализировать долговечность опорных частей с учетом двух ключевых параметров: способа крепления полимерного слоя и его толщины.

Ученые исследовали три типа соединений полимерной прокладки со стальными плитами:

жесткое скрепление, при котором элементы образуют единое целое;

сцепление с шероховатой поверхностью, создающее плотный контакт с ограниченной подвижностью;

скольжение по гладкой поверхности, позволяющее слою плавно смещаться и перераспределять нагрузки.

Для каждого варианта определялась оптимальная толщина полимерного слоя от 4 до 12 мм.

«Результаты показали, что наиболее эффективным способом является сцепление с шероховатой поверхностью, обеспечивающее баланс прочности и подвижности конструкции. Оптимальная толщина полимерного слоя составила 4–8 мм. Более толстая прокладка деформируется под нагрузкой и снижает срок безремонтной работы опорной части», — отметил Юрий Носов, научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств Передовой инженерной школы Пермского Политеха, руководитель гранта РНФ № 25-29-00470.

Отдельное внимание уделили исследованию свойств полимерного слоя. Выяснилось, что под постоянным давлением он склонен к ползучести — медленной деформации под нагрузкой. Этот эффект усиливается при перепадах температур и значительно влияет на поведение опоры.

Чтобы учесть такие особенности, специалисты разработали две версии цифровой модели: простую (игнорирующую ползучесть, как это делается в традиционных расчетах) и сложную (вязкоупругую), учитывающую это свойство. Испытания при температурах от –40 °C до +80 °C подтвердили точность сложной модели, позволив учесть влияние термосилового воздействия.

«Анализ показал, что традиционные методы без учета ползучести дают высокую погрешность — до 70%. Например, при реальной просадке опоры на 0,1 мм старый подход предсказывает 0,17 мм, что приводит к неверной оценке прочности конструкции. Новая модель демонстрирует точность с погрешностью не более 13–20%: в аналогичном случае она показывает 0,11–0,12 мм, что близко к реальности», — пояснила Анна Каменских, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Разработка открывает возможность более точного прогнозирования работы мостовых опор, что делает их эксплуатацию в пять раз надежнее по сравнению с традиционными расчетными методами.

Новая технология вызвала интерес у компании ООО «АльфаТех», которая намерена использовать ее для оптимизации формы и технологии обработки опорных частей мостовых сооружений.