Обследование и строительная экспертиза шарнирных соединений строительных конструкций

Шарнирные соединения — критически важные узлы строительных конструкций, обеспечивающие передачу нагрузок при сохранении свободы вращения элементов. От их технического состояния напрямую зависит безопасность мостов, большепролётных покрытий, ферм и каркасных зданий. Дефекты шарниров развиваются скрыто, но могут привести к внезапному обрушению без видимых предвестников.

Экспертиза этих узлов требует специфических знаний о механике работы соединений, методах неразрушающего контроля и нормативных требованиях. Статья охватывает полный цикл обследования — от визуального осмотра до составления заключения.

Что такое шарнирные соединения и где они применяются

Принцип работы шарнира в строительных конструкциях

Шарнирное соединение передаёт усилия между элементами, допуская их взаимный поворот. В отличие от жёсткого узла, шарнир не воспринимает изгибающий момент — только продольные и поперечные силы. Это принципиально влияет на распределение напряжений во всей конструкции.

Ключевые функции шарниров:

• Компенсация температурных деформаций
• Снижение внутренних напряжений при осадках опор
• Обеспечение статической определимости системы
• Упрощение монтажа крупногабаритных элементов

Типы шарнирных соединений

Где чаще всего встречаются шарниры

Шарнирные узлы применяются в:

• Мостовых сооружениях — опорные части, соединения элементов ферм
• Большепролётных покрытиях — узлы структурных плит, арочные конструкции
• Промышленных зданиях — базы колонн, узлы ферм
• Резервуарах и ёмкостях — соединения стенок с днищем
• Высотных зданиях — демпфирующие системы, аутригеры

Когда необходима экспертиза шарнирных соединений

Плановые обследования

Регулярная диагностика шарниров входит в систему технической эксплуатации ответственных сооружений. Периодичность зависит от класса конструкции:

• Мосты I–II категории — ежегодно (весной после паводка)
• Покрытия общественных зданий — каждые 2–3 года
• Промышленные сооружения — по регламенту предприятия, но не реже 5 лет

Внеплановые обследования

Экспертизу назначают при:

• Обнаружении видимых повреждений (трещины, коррозия, смещения)
• Изменении условий эксплуатации (увеличение нагрузок, вибрации)
• Аварийных ситуациях на аналогичных объектах
• Реконструкции или капитальном ремонте
• Продлении срока эксплуатации сверх проектного
• Судебных разбирательствах о качестве строительства

Признаки, указывающие на проблемы с шарнирами

Визуальные сигналы:

• Ржавые потёки в зоне узла
• Трещины в бетоне вокруг закладных деталей
• Перекосы или смещения сопрягаемых элементов
• Разрушение защитных покрытий

Косвенные признаки:

• Нехарактерные звуки при динамических нагрузках
• Избыточные прогибы конструкций
• Заклинивание подвижных шарниров
• Неравномерная осадка опор

Нормативная база экспертизы

Основные документы

Обследование шарнирных соединений регулируется комплексом стандартов:

Общие требования:

• ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»
• СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений»

Для стальных конструкций:

• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»
• ГОСТ 23118-2019 «Конструкции стальные строительные»

Для мостовых сооружений:

• СП 79.13330.2012 «Мосты и трубы»
• ОДМ 218.4.001-2008 «Методика диагностики мостовых сооружений»

Методы контроля:

• ГОСТ Р 55614-2013 «Неразрушающий контроль. Толщинометрия»
• ГОСТ 22761-77 «Определение механических свойств методом твёрдости»

Категории технического состояния

По результатам экспертизы шарнирному соединению присваивается категория:

1. Нормативное — параметры соответствуют проекту, эксплуатация без ограничений
2. Работоспособное — есть отклонения, не влияющие на несущую способность
3. Ограниченно работоспособное — требуется усиление или снижение нагрузок
4. Аварийное — эксплуатация запрещена до проведения ремонта

Методика обследования: пошаговый алгоритм

Этап 1. Подготовка к обследованию

Сбор исходных данных включает:

• Проектную документацию (рабочие чертежи узлов, спецификации)
• Акты предыдущих обследований
• Журналы эксплуатации и ремонтов
• Данные о фактических нагрузках
• Сведения об условиях среды (агрессивность, температурный режим)

Разработка программы обследования: Программа определяет объём работ, методы контроля, необходимое оборудование, требования безопасности. Для сложных объектов программу согласовывают с заказчиком и надзорными органами.

Практический совет: Отсутствие проектной документации — не повод отказываться от экспертизы. В этом случае конструкцию обмеряют, а расчётную схему восстанавливают по фактическим данным.

Этап 2. Визуальный осмотр

Визуальный осмотр — первый и обязательный метод контроля. Он выявляет до 80% дефектов шарнирных соединений.

Что фиксируют при осмотре:

Инструменты визуального контроля:

• Лупы с 4–10-кратным увеличением
• Эндоскопы для труднодоступных мест
• Зеркала на штангах
• Измерительные щупы и калибры
• Фотоаппаратура для документирования

Этап 3. Инструментальные измерения

Геометрические параметры:

• Фактические размеры элементов шарнира
• Зазоры между сопрягаемыми деталями
• Величины износа трущихся поверхностей
• Углы взаимного поворота элементов

Допустимые отклонения для стальных шарниров:

• Овальность отверстий — не более 1% диаметра
• Износ валика — не более 2% диаметра
• Зазор в сопряжении — по проекту ±10%
• Отклонение от соосности — не более 0,5 мм на 100 мм длины

Оборудование для измерений:

• Штангенциркули, микрометры
• Нутромеры для измерения отверстий
• Угломеры и уровни
• Лазерные дальномеры
• Тахеометры (при геодезическом контроле положения)

Этап 4. Неразрушающий контроль

Ультразвуковая дефектоскопия

Выявляет внутренние дефекты: трещины, расслоения, непровары сварных швов. Метод незаменим для контроля валиков шарниров и массивных деталей.

Возможности метода:

• Обнаружение трещин глубиной от 2 мм
• Определение толщины элементов (важно при коррозионном износе)
• Контроль качества сварных соединений

Магнитопорошковый контроль

Эффективен для поиска поверхностных трещин в стальных элементах. Особенно актуален для зон концентрации напряжений — галтелей, отверстий, переходов сечений.

Капиллярный контроль

Визуализирует тонкие поверхностные трещины, невидимые глазом. Применяется при контроле сварных швов и валиков шарниров после очистки от загрязнений.

Вихретоковый контроль

Определяет толщину антикоррозионных покрытий и выявляет подповерхностные дефекты без удаления защитного слоя.

Твердометрия

Косвенно оценивает прочностные характеристики стали. Снижение твёрдости может указывать на перегрев при пожаре или деградацию материала.

Сравнение методов неразрушающего контроля:

Этап 5. Испытания под нагрузкой

При сомнениях в работоспособности шарнира проводят натурные испытания:

Статические испытания:

• Нагружение до эксплуатационного уровня
• Измерение перемещений и деформаций
• Контроль появления новых дефектов

Динамические испытания:

• Оценка свободы вращения в шарнире
• Определение собственных частот конструкции
• Выявление заклинивания или избыточного люфта

Важно: Испытания проводят только после детальной диагностики, когда нет признаков аварийного состояния.

Типичные дефекты шарнирных соединений

Коррозионные повреждения

Причины:

• Нарушение антикоррозионной защиты
• Скопление влаги и грязи в узле
• Контакт разнородных металлов
• Воздействие агрессивных сред

Последствия:

• Уменьшение рабочего сечения элементов
• Заклинивание подвижных шарниров
• Ослабление болтовых соединений

Пример из практики: На одном из автодорожных мостов коррозия валика шарнира привела к уменьшению его диаметра на 15% за 20 лет эксплуатации. При этом внешне узел выглядел удовлетворительно — ржавчина развивалась внутри сопряжения.

Износ трущихся поверхностей

Характерен для подвижных шарниров мостов и большепролётных конструкций. Проявляется в:

• Увеличении зазоров
• Появлении эксцентриситета нагрузки
• Перераспределении усилий на другие элементы

Критический износ: При овальности отверстий более 3% или износе валика более 5% диаметра шарнир подлежит ремонту.

Трещины в элементах

Зоны риска:

• Галтели и переходы сечений
• Околошовные зоны сварных соединений
• Отверстия под болты и валики
• Места концентрации напряжений

Опасность: Трещины в шарнирах развиваются при знакопеременных нагрузках (усталость) и могут привести к хрупкому разрушению.

Ослабление болтовых соединений

Возникает из-за:

• Вибраций конструкции
• Недостаточного начального натяжения
• Смятия контактных поверхностей
• Коррозии резьбы

Контроль: Проверку затяжки высокопрочных болтов выполняют тарированным ключом с точностью ±5%.

Дефекты сварных швов

В сварных шарнирных узлах выявляют:

• Трещины (поперечные и продольные)
• Непровары корня шва
• Подрезы основного металла
• Поры и шлаковые включения

Статистика: До 40% дефектов сварных шарниров связаны с нарушениями технологии при изготовлении или монтаже.

Смещения и перекосы

Причины:

• Неравномерная осадка опор
• Температурные деформации при заклинившем шарнире
• Ошибки монтажа
• Одностороннее воздействие нагрузок

Последствия: Возникновение непроектных изгибающих моментов, перегрузка отдельных элементов.

Особенности экспертизы для разных типов конструкций

Мостовые сооружения

Шарниры мостов работают в особо сложных условиях:

• Высокие динамические нагрузки
• Агрессивное воздействие противогололёдных реагентов
• Значительные температурные перепады
• Ограниченный доступ для осмотра

Специфика обследования:

• Контроль опорных частей выполняют с применением домкратов для разгрузки
• Проверяют соответствие фактических перемещений расчётным
• Оценивают работу деформационных швов в комплексе с шарнирами

Критерий работоспособности: Подвижный шарнир должен обеспечивать проектные перемещения без заклинивания. Неподвижный — исключать смещения.

Стальные фермы

Шарнирные узлы ферм покрытий характеризуются:

• Сложной геометрией соединения нескольких стержней
• Концентрацией напряжений в фасонках
• Эксцентриситетами при передаче усилий

На что обращают внимание:

• Состояние болтовых соединений (особенно в узлах с высокопрочными болтами)
• Трещины в фасонках и косынках
• Местные деформации от неучтённых воздействий

Арочные конструкции

Шарниры в пятах и замке арок:

• Передают значительные сосредоточенные усилия
• Требуют точного центрирования
• Критичны к перекосам и эксцентриситетам

Особенности контроля:

• Геодезические измерения положения шарниров
• Проверка сопряжения с фундаментами
• Оценка коррозионного состояния закладных деталей в бетоне

Каркасные здания

Шарнирные базы колонн:

• Обеспечивают передачу вертикальных и горизонтальных нагрузок
• Должны допускать небольшой поворот при неравномерных осадках

Типичные проблемы:

• Коррозия анкерных болтов в уровне пола
• Нарушение подливки под базой
• Деформации опорных плит

Поверочные расчёты при экспертизе

Когда необходим расчёт

Поверочный расчёт выполняют, если:

• Выявлены дефекты, уменьшающие несущую способность
• Изменились нагрузки или условия эксплуатации
• Проектная документация отсутствует
• Требуется обосновать возможность дальнейшей эксплуатации

Что проверяют расчётом

Для стальных шарниров:

• Прочность валика на изгиб и срез
• Смятие в отверстиях проушин
• Прочность сварных швов прикрепления
• Устойчивость сжатых элементов

Формула проверки валика на изгиб:

σ = M / W ≤ Ry · γc

где M — изгибающий момент, W — момент сопротивления, Ry — расчётное сопротивление, γc — коэффициент условий работы.

Проверка на смятие:

σсм = N / (d · t) ≤ Rр · γc

где N — усилие, d — диаметр валика, t — толщина проушины, Rр — расчётное сопротивление смятию.

Учёт фактического состояния

При расчётах используют:

• Фактические размеры элементов (с учётом износа и коррозии)
• Фактические прочностные характеристики стали
• Коэффициенты, учитывающие дефекты

Пример: При коррозионном износе валика на 10% его несущая способность снижается примерно на 25% (из-за уменьшения момента сопротивления, пропорционального кубу диаметра).

Оформление результатов экспертизы

Структура технического заключения

Обязательные разделы:

1. Основание для обследования — договор, задание, причины проведения

2. Общие сведения об объекте — название, адрес, год постройки, назначение

3. Краткая характеристика конструкций — тип, материалы, расчётная схема

4. Результаты обследования — выявленные дефекты с фотофиксацией и привязкой

5. Результаты испытаний и измерений — протоколы, графики, таблицы

6. Поверочные расчёты — при необходимости

7. Выводы о техническом состоянии — категория по каждому элементу и в целом

8. Рекомендации — мероприятия по устранению дефектов, усилению, режиму эксплуатации

Документирование дефектов

Каждый дефект описывают по схеме:

• Местоположение (ось, отметка, привязка к элементу)
• Характер (трещина, коррозия, деформация)
• Размеры и ориентация
• Фотография с масштабной линейкой
• Оценка влияния на несущую способность

Выдача рекомендаций

Рекомендации должны быть:

• Конкретными (что, где, как выполнить)
• Выполнимыми технически и экономически
• Привязанными к срокам и приоритетам

Пример формулировки: «В срок до начала эксплуатационного сезона выполнить очистку шарнира от продуктов коррозии, восстановить смазку в сопряжении валик-втулка, нанести антикоррозионное покрытие согласно проекту».

Мониторинг шарнирных соединений

Когда внедряют мониторинг

Постоянное наблюдение целесообразно для:

• Уникальных и особо ответственных сооружений
• Конструкций с выявленными дефектами в ожидании ремонта
• Объектов с интенсивным динамическим воздействием
• Сооружений в сложных геологических условиях

Параметры мониторинга

Измеряемые величины:

• Перемещения в шарнире (линейные и угловые)
• Деформации элементов
• Температура конструкции
• Уровень вибраций

Применяемые датчики:

• Тензорезисторы — деформации
• Инклинометры — углы поворота
• Датчики перемещений — линейные смещения
• Акселерометры — вибрации

Организация системы мониторинга

Компоненты системы:

1. Датчики на конструкции
2. Блоки сбора и первичной обработки данных
3. Каналы связи (кабельные или беспроводные)
4. Сервер хранения и анализа
5. Интерфейс визуализации и оповещения

Пороговые значения: Система автоматически сигнализирует при превышении установленных пределов, позволяя оперативно реагировать на изменения состояния.

Ремонт и усиление по результатам экспертизы

Типовые решения по устранению дефектов

Коррозионные повреждения:

• Очистка до чистого металла
• Наплавка при значительном износе
• Нанесение антикоррозионного покрытия

Износ сопрягаемых поверхностей:

• Замена изношенных втулок
• Наплавка или металлизация валика
• Установка ремонтных вкладышей

Трещины:

• Разделка и заварка (для допустимых случаев)
• Установка накладок
• Замена элемента

Ослабление болтов:

• Подтяжка до проектного усилия
• Замена дефектных болтов
• Установка дополнительных болтов

Усиление шарнирных узлов

Способы усиления:

• Увеличение сечения элементов накладками
• Установка дополнительных рёбер жёсткости
• Изменение расчётной схемы (превращение шарнира в жёсткий узел)
• Разгрузка узла путём перераспределения усилий

Важно: Проект усиления разрабатывает специализированная организация. Самостоятельное усиление без расчётного обоснования может ухудшить работу конструкции.

Практические рекомендации для заказчиков экспертизы

Как выбрать экспертную организацию

Проверьте:

• Наличие допуска СРО на обследование зданий и сооружений
• Опыт работы с аналогичными конструкциями
• Наличие аттестованной лаборатории неразрушающего контроля
• Квалификацию специалистов (аттестация по методам контроля)

Как подготовиться к обследованию

Обеспечьте эксперту:

• Доступ ко всей технической документации
• Безопасный доступ к обследуемым узлам
• Возможность временного снижения нагрузок (при необходимости)
• Информацию об истории эксплуатации и ремонтов

Как использовать результаты

• Ознакомьтесь с заключением — задайте вопросы эксперту по непонятным моментам
• Выполните рекомендации в срок — особенно для категорий «ограниченно работоспособное» и «аварийное»
• Сохраните документацию — она потребуется при последующих обследованиях
• Планируйте бюджет — на ремонт, усиление, повторный контроль

Заключение

Экспертиза шарнирных соединений — комплексная задача, требующая знаний конструктивных особенностей, владения методами диагностики и понимания нормативных требований. Своевременное обследование позволяет выявить дефекты на ранней стадии, когда их устранение обходится значительно дешевле, чем аварийный ремонт.

Ключевые выводы:

1. Шарниры — ответственные узлы, их состояние критически влияет на безопасность всего сооружения

2. Регулярное обследование предотвращает аварии и снижает затраты на эксплуатацию

3. Комбинация визуального осмотра и инструментального контроля даёт полную картину технического состояния

4. Результаты экспертизы — основа для принятия решений о ремонте, усилении или дальнейшей эксплуатации

5. Качество экспертизы зависит от квалификации специалистов и оснащённости лаборатории

Инвестиции в диагностику многократно окупаются за счёт продления срока службы конструкций и предотвращения аварийных ситуаций.