Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор (состояние вопроса, цель и задачи исследования). 9
1.1 Тенденции развития стальных конструкций проезжей части автодорожных мостов 9
1.2 Анализ усталостных повреждений в ортотропных плитах 16
1.3 Нормативная подвижная автодорожная нагрузка 23
1.4 Анализ действующих нормативных документов по расчету мостов на выносливость 25
1.5 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 37
Глава 2 Статистическое распределение временных нагрузок на ортотропной плите 41
2.1 Особенности движения современного грузового автотранспорта 41
2.2 Адаптация нормативной нагрузки для оценки выносливости элементов ортотропной плиты 47
2.3 Статистическое распределение нагрузки на ортотропной плите в поперечном направлении. 54
2.4 Интенсивность потока движения автотранспорта 63
2.5 Назначение коэффициента усталостного приведения реальных грузовых автомобилей к тележке нормативной нагрузки АК 71
2.6 Выводы по главе 83
Глава 3 Изучение закономерностей силового воздействия нормативной тележки по схеме АК на продольные ребра различных типов 85
3.1 Описание расчетной схемы и порядка расчета 85
3.2 Зависимость нормальных напряжений в продольных ребрах ортотропной плиты от поперечного положения нормативного автомобиля ... 94
3.3 Изучение на натурном объекте воздействия автомобиля КамАЗ-55111 на нормальные напряжения в элементах ортотропнои плиты при его перемещении поперек проезжей части 107
3.4 Выводы по главе 113
Глава 4 Методика оценки выносливости стальной ортотропнои плиты проезжей части автодорожных мостов 115
4.1 Учет поперечного положения нагрузки и его влияние на усталостную прочность продольных ребер ортотропнои плиты 115
4.2 Учет вероятности классов нормативной нагрузки 132
4.3 Разработка методики оценки выносливости ортотропнои плиты проезжей части автодорожных мостов от обращающихся нагрузок 139
4.4 Выводы по главе 142
Глава 5 Практическое применение методики оценки выносливости стальной ортотропнои плиты проезжей части автодорожных мостов .. 143
5.1 Программная реализация методики оценки выносливости в табличном редакторе Microsoft Excel 143
5.2 Применение методики для оценки выносливости стальной ортотропнои плиты с продольными ребрами различной конструкции 148
5.3 Определение экономического эффекта от внедрения методики оценки выносливости ортотропнои плиты проезжей части автодорожных мостов от обращающихся нагрузок 152
5.4 Выводы по главе 160
Заключение.
Основные результаты и выводы 161
Библиографический указатель
- Анализ усталостных повреждений в ортотропных плитах
- Адаптация нормативной нагрузки для оценки выносливости элементов ортотропной плиты
- Зависимость нормальных напряжений в продольных ребрах ортотропной плиты от поперечного положения нормативного автомобиля
- Учет вероятности классов нормативной нагрузки
Введение к работе
Актуальность проблемы. До 1991 г. отечественные нормы не регламентировали расчеты автодорожных мостов на выносливость. Впервые такие требования были включены в действующий СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы» [82]. Однако, дополнения 1991 г. не учитывали ряд специфических особенностей нагружения элементов ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов от вертикальной временной нагрузки с позиции оценки выносливости. Более того, при регламентированных в [82] эффективных коэффициентах концентрации напряжений необходимость выполнения расчетов на выносливость, как правило, отпадала. Наблюдаемая в последние годы тенденция к росту интенсивности движения грузового автотранспорта по проезжей части обострила эту проблему. В этой связи возникли реальные предпосылки к снижению ресурса элементов ортотропной плиты проезжей части по выносливости, с наступлением предельного состояния сначала второй, а затем и первой группы. В условиях низких температур, характерных для эксплуатации конструкций северного А и Б (по [82]) исполнения, усталостные повреждения могут привести к катастрофическим последствиям.
Таким образом, назрела необходимость проведения научных исследований по проблеме оценки выносливости конструкций ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов с разработкой соответствующей методики. Она должна учитывать особенности движения автотранспорта и закономерности накопления усталостных повреждений от автодорожной нагрузки, а также позволять использование современных компьютерных программ, позволяющих корректно учесть индивидуальные особенности работы ортотропной плиты любой конструкции под нагрузкой, вероятность положения на проезжей части и перспективы развития временных нагрузок. Совокупность вышеизложенного характеризует актуальность диссертационной работы.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики оценки выносливости стальной ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов от обращающихся нагрузок.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
Адаптация нормативной нагрузки для оценки выносливости ортотропной плиты;
Изучение вероятностных особенностей поперечного положения грузовых автомобилей на проезжей части моста и его влияние на напряженное состояние элементов ортотропной плиты различной конструкции;
Оценка закономерности накопления усталостных повреждений в ортотропной плите от воздействий многоосных грузовых автомобилей;
^Экспериментальное натурное исследование влияния поперечного положения автомобиля КамАЗ-55111 на напряженное состояние элементов ортотропной плиты проезжей части;
5. Разработка методики оценки выносливости стальной ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов от обращающихся нагрузок.
Методы исследования. В соответствии с целью и задачами диссертационной работы исследования выполнены с использованием современных теоретических и экспериментальных методов. Теоретические методы базировались на научных положениях математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, строительной механики, метода предельных состояний и теории надежности. Экспериментальные исследования проводили на натурном мостовом сооружении с использованием современной компьютерно-измерительной тензометрической системы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Обоснован расчетный метод перехода от обращающихся и перспективных грузовых автомобилей к условной абстрагированной эквивалентной по воздействию на плиту нормативной нагрузке посредством специального коэффициента усталостного приведения и предложена схема этой нагрузки при оценке выносливости ортотропной плиты;
Выявлены закономерности влияния на усталостную прочность элементов ортотропной плиты проезжей части воздействий автомобильной нагрузки: вдоль моста при малых длинах линий влияния в пределах 3-^6 м и поперек моста в пределах нормируемых габаритов полосы проезжей части;
3. Получена теоретическая зависимость котангенса угла наклона кривой
усталости при нагружении ортотропной плиты до 5x106 циклов для
конструкционных сталей, используемых в отечественном мостостроении.
Практическая значимость. Методика оценки выносливости стальной ортотропной плиты автодорожных мостов от обращающихся нагрузок позволяет привести долговечность ортотропной плиты в соответствие с проектным сроком службы моста. В табличном редакторе Microsoft Excel разработана специальная программа «Auto-fatigue», позволяющая оперативно определять долговечность по выносливости стальных ортотропных плит автодорожных мостов. Даны предложения по оценке остаточного ресурса элементов и узлов ортотропных плит, а также по учету ежегодного накопления усталостных повреждений в зависимости от реального количества пропущенных по проезжей части грузовых автомобилей с целью корректировки остаточного ресурса по выносливости.
Вопросы, выносимые на защиту:
1. Адаптация нормативной нагрузки для оценки выносливости ортотропной плиты;
2. Результаты исследования вероятностного поперечного положения
грузовых автомобилей на проезжей части моста и его влияния на напряженное
состояние ортотропной плиты с продольными ребрами различной конструкции;
Методика оценки выносливости стальной ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов от обращающихся нагрузок;
Предложения по оценке остаточного ресурса стальной ортотропной плиты эксплуатируемых автодорожных мостов.
Достоверность основных научных положений и результатов исследования обеспечивается корректностью теоретических и экспериментальных исследований (в пределах принятых допущений), а также удовлетворительным совпадением полученных в результате теоретических исследований данных с данными эксперимента на натурном объекте.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Гипротрансмост» в проекте моста через реку Москву на участке Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова для оценки усталостной долговечности разработанных и испытанных в «НИЦ «Мосты» ОАО ЦНИИС при участии автора диссертационной работы новых конструктивных решений узлов ортотропной плиты с продольными ребрами замкнутого трапециедального сечения.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на заседаниях секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений (мосты, путепроводы, виадуки и т.п.)» Ученого совета ОАО ЦНИИС, а также на 64-й научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского Автомобильно-Дорожного Института МАДИ (ГТУ).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены в 5 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического указателя и приложений. Полный объем диссертации составляет 187 стр., включая 73 рисунка, 22 таблицы и 2 приложения. Основной текст (без оглавления, библиографического указателя, приложений, рисунков и таблиц) излагается на 117 страницах. Библиографический указатель включает 114 наименований.
Диссертация выполнена в Филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Мосты».
Анализ усталостных повреждений в ортотропных плитах
Впервые с явлением усталостного разрушения металла специалисты столкнулись в начале XIX века, когда на рудниках происходили многочисленные аварии из-за разрыва цепей подъемников [71]. В 1829г. немецкий горный инженер И. Альберт на разработанной им машине проводил испытания железных цепей при повторных нагружениях и определил явление усталости материала [43].
В период между 1852 и 1870гг. немецкий железнодорожный инженер Август Вёлер организовал и осуществил первые систематические исследования усталости металла. Он проводил натурные испытания осей железнодорожных вагонов, а также испытания при циклическом нагружении образцов нескольких различных материалов на изгиб, кручение и осевое нагружение [43]. Полученные им зависимости долговечности образцов от уровня напряжений при многоцикловом воздействии и поныне известны как «кривые Вёл ера» или «кривые усталости». В настоящее время их принято представлять графически в логарифмических или полулогарифмических координатах.
Кривая усталости обычно аппроксимируется двумя линиями - наклонной, характеризующей линейную связь между максимальными напряжениями цикла и горизонтальной, определяющей ту величину максимальных напряжений цикла - предел выносливости - ниже которой не происходит разрушения образцов практически при любом количестве циклов нагружения. Точка пересечения линий называется точкой перелома. Считается более корректным [43,73] определять предел выносливости как напряжение, при котором не происходит разрушения до некоторого числа циклов, называемого базовым.
Традиционно исследование сопротивления усталости проводится по результатам лабораторных испытаний образцов при синусоидальном режиме нагружения.
Синусоидальный цикл характеризуется коэффициентом асимметрии цикла, определяемым как отношение минимального по абсолютному значению напряжения цикла к максимальному. Цикл может быть симметричным или асимметричным, который в свою очередь может быть знакопостоянным или знакопеременным. Частным случаем знакопостоянного цикла является отнулевой цикл, т.е. цикл, минимальные напряжения в котором равны нулю. Коэффициент асимметрии цикла для мостовых конструкций при расчетных и эксплуатационных режимах нагружения может отличаться от использованного при лабораторных испытаниях. Это обстоятельство учитывается диаграммой предельных напряжений цикла, известной как диаграмма Гудмана-Смита [37].
Явление многоцикловой усталости - наиболее частая причина возникновения отказов (трещин) и достижения предельного состояния в элементах стальных конструкций [7]. Механизм появления усталостной трещины начинается с зарождения в металле микротрещин. Под воздействием переменных напряжений в поликристалле происходит локальная пластическая деформация. Она приводит к возникновению сдвига в отдельных зернах и к необратимым изменениям в атомной решетке, вызванным смещением атомов от их устойчивого положения. Этот процесс называется разрыхлением. При дальнейших циклических деформациях в зонах сдвигов появляются микронесплошности, которые, объединяясь между собой, образуют микротрещину, которая охватывает одно или два зерна.
Начальная стадия развития микротрещин происходит под углом, близким к 45 к направлению нагрузки. После того, как микротрещина охватила несколько зерен, она создала концентрацию напряжений в ее вершине и дальнейшее развитие уже протекает перпендикулярно к действующим усилиям.
Если причиной отказа элемента является накопление усталостных повреждений, то оно имеет стохастическую природу [8] вследствие трех факторов: 1) процесс накопления повреждений в каждой конкретной конструкции является случайным процессом; 2) внешние воздействия носят случайный характер; 3) сопротивление элементов конструкции усталости существенно изменяется от одного экземпляра к другому (разброс количества циклов нагружений при усталостных испытаниях в равных условиях).
Исследованию причин возникновения и развития усталостных повреждений в элементах и соединениях металлических конструкций мостов посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов, например [2,11,14,20,28,31,36,43,54,56,73,76,84]. В ряде работ [34,38,43,73,98,107] отмечается, что усталостные явления проявляются избирательно в тех локальных зонах, где имеется максимальная концентрация напряжений. Понятие концентрации напряжений введено в инженерную практику в 1913г. СЕ. Инглисом и используется при расчетах, как мера максимального повышения напряжений в локальной зоне, определенных методами сопротивления материалов и теории упругости [61]. Большой объем работ, посвященных сбору статистических данных по усталостным повреждениям, выполнен в МГУ ПС (МИИТ), ЦНИИСе, НИИЖТе, ЛИСИ, институте сварки им. Е.О. Патона, НИИ мостов и др. научных организациях.
Усталостные повреждения (трещины) очень редко приводят к разрушению всей конструкции, но они являются серьезным препятствием для нормальной эксплуатации и вызывают необходимость проведения срочных работ по ремонту и усилению. Даже зачаточная усталостная трещина может стать причиной внезапного хрупкого разрушения поврежденного элемента, особенно при ударном воздействии в сочетании с низкой температурой.
Зарубежный опыт эксплуатации стальных мостов с ортотропной плитой проезжей части указывает на преждевременное появление в них усталостных трещин. В мировой практике наблюдались случаи усталостного разрушения как стальной ортотропной плиты [104], так и других элементов пролетных строений [3,111], что иногда приводило к разрушению всего пролетного строения моста [53,91,111]. В нашей стране пока таких разрушений в современных конструкциях в связи с недолгим сроком их эксплуатации при интенсивном движении грузового автотранспорта не установлено. Вместе с тем, за последние 15 -20 лет на дорогах России наблюдается устойчивый рост интенсивности движения и осевых нагрузок. Эта тенденция, несомненно, сохранится и в будущем.
Основными усталостными повреждениями элементов ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов являются [44, 59,103]: - трещины в стенке поперечной балки около обрыва сварного шва в узле пересечения с продольным ребром; - трещины в форме «выкола» в верхнем поясе поперечной балки и в поясе таврового продольного ребра двухъярусной ортотропной плиты проезжей части (в месте пересечения продольного ребра с поперечной балкой); - трещины в стенке поперечной балки у кромки выреза в месте примыкания к продольному ребру; - трещины вдоль односторонних сварных швов прикрепления продольных ребер замкнутого сечения к листу настила; - поперечные трещины в продольном ребре по стыковому сварному шву цельносварного стыка и по шву приварки подкладки с внутренней стороны ребер замкнутого сечения.
Стальная ортотропная плита представляет собой сварную конструкцию с большим количеством мест концентрации напряжений. В отечественных [66,70] и зарубежных [101] работах подчеркивается, что такая конструкция обладает большим резервом несущей способности, которую никогда нельзя использовать до конца вследствие появления больших прогибов. Однако нельзя переносить эти утверждения также на выносливость ортотропной плиты. В работе [89] по результатам исследования несущей способности ортотропной плиты при работе на изгиб отмечено, что если при однократном статическом нагружении напряжения при разрушении конструкции превосходят предел упругости материала в 7+8 раз, то при работе на динамическое воздействие (на базе 2 циклов нагружения) это соотношение снижается до 1,7 раза. В действительности же ортотропная плита работает в динамическом режиме с очень большим количеством циклов нагружения.
Адаптация нормативной нагрузки для оценки выносливости элементов ортотропной плиты
По результатам исследований А.И. Васильева, проведенных в ЦНИИСе в 70-е годы XX века [21,22,25,27], в нормативные документы для дорог общего пользования была введена новая автодорожная нагрузка - А11. С естественным развитием подвижных нагрузок с конца 90-х годов XX века в г. Москве проектирование мостовых сооружений производится по нормам МГСН 5.02-99 (Московские городские строительные нормы) на нагрузку А14 [46]. Обоснование нагрузки А14 для дорог общего пользования было выполнено в работах [19,26]. С 2008 года предполагается введение нагрузки А14 в качестве нормативной для мостовых сооружений на всех дорогах общего пользования.
Неоспоримое достоинство нормативной нагрузки по схеме АК состоит в удобстве загружения ею линий влияния. Однако, как отмечалось ранее, при определении напряжений в расчетах на выносливость эта нагрузка не отражает реальную картину силового воздействия на конструкцию во времени. Справедливости ради необходимо отметить, что нагрузка АН была разработана и введена в нормативные документы до того, как стальные автодорожные мосты стали рассчитывать на выносливость.
Элементы ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов имеют малую длину линии влияния и работают одновременно на общее и местное воздействие подвижной нагрузки. Каждый автомобиль при прохождении по проезжей части создает свой собственный цикл нагружения. В зависимости от того, является ли этот автомобиль единственным на проезжей части в данный конкретный момент или нет, максимальные и минимальные напряжения каждого последующего цикла, а также коэффициент асимметрии цикла «р» будут существенно отличаться.
С увеличением длины линии влияния внутренних усилий в элементе ситуация меняется на противоположную. Как показывает повседневная статистика, на наиболее загруженных автомагистралях Москвы, Санкт-Петербурга и других крупных городов, а также на федеральных автодорогах вблизи крупных городов практически ежедневно образуются заторы. Под затором в данном случае подразумевается ситуация, когда средняя скорость движения автотранспорта на данном участке дороги составляет менее 10 км/ч, а расстояние в свету между соседними автомобилями снижается до минимума. Продолжительность существования затора может достигать нескольких часов. Все время существования затора амплитуда переменных напряжений в несущих элементах конструкции тем меньше, чем длиннее линия влияния. Вследствие этого все время существования затора можно принять за один цикл нагружения. Отсутствие затора на мосту для подобных элементов в большинстве случаев приводит к тому, что напряжения от временной нагрузки не превышают предела ограниченной выносливости в расчетных точках конструкции. Таким образом, чем длиннее линия влияния, тем меньше общее количество циклов нагружения за все время эксплуатации, способных негативно повлиять на выносливость конструкции. Для элементов автодорожных мостов с длиной линии влияния более 40- 50 м и не работающих на местное воздействие нагрузки расчет на выносливость, по всей видимости, теряет практический смысл.
Расчет на выносливость элементов и узлов ортотропных плит автодорожных мостов необходимо производить на наиболее невыгодный случай из двух возможных ситуаций:
1. для элементов проезжей части с преимущественным растяжением от временной нагрузки (надопорное сечение неразрезного пролетного строения) невыгодным будет случай с затором на проезжей части моста;
2. для элементов с преимущественным сжатием (сечение в середине пролета моста) невыгодным будет случай, когда на всей проезжей части находится только один тяжелый автомобиль - непосредственно вблизи рассчитываемого сечения. Использование для элементов проезжей части, характеризующихся линией влияния относительно короткой длины, в качестве нормативной по выносливости нагрузку по схеме АК из двух составляющих не совсем удобно и корректно. Равномерно распределенная составляющая нагрузки и тележка имеют пересекающиеся участки, что не соответствует реальному воздействию автомобиля. Для большей достоверности и удобства было бы правильнее полностью исключить из расчета узлов и сопряжений ортотропнои плиты на выносливость равномерно распределенную нагрузку.
Такого же мнения, очевидно, придерживались разработчики мостовых норм США AASHTO LRFD Bridge Design Specifications [87]. В этом нормативном документе для расчетов выносливости используется нагрузка, которая состоит из одного 3-хосного грузовика (трака) или только его оси с постоянной базой задних колес 9,1м и нагрузками на оси Р!=3,6тс и Р2=14,52 тс (рисунок 2.2). Динамический коэффициент (1+и)=1,15, коэффициент надежности по нагрузке для расчетов выносливости ур=0,75. Расчетное давление оси Ptj (для расчетов выносливости) определяется по формуле: ,= .(1+//)-3,6 = 0,75.1,15-3,6 = 3,1 Рп=ур-(\+[г)Л4,52 = 0,15Л,\5Л4,52 = \2,5тс; Давление колеса Pt/2. Размер штампа колеса поперек моста - 50см. Размер штампа вдоль моста определяется по формуле: ур -(1+//)-Р/2,5 = 0,75-1,15.16/2,5 = 5,5аюймовшгМ14ш; (2.2) Здесь Р=16 KIP (давление колеса в тысячах фунтов). Покрытие распределяет давление колеса под углом 45, что при толщине покрытия 6 см образует штамп 62x26 см. Аналогичный принцип был принят в нормах Великобритании - BS5400 [88], где в виде усталостной нагрузки принят стандартный четырехосный экипаж с осевой нагрузкой 80 кН. Расстояния между осями такой нагрузки составляли 1,8+6,0+1,8 м (рисунок 2.2).
Для расчетов по европейским нормам Eurocode ENV 1993-2 [94] система нагрузок состоит из двух независимых частей: двухосной тележки (тандема) и равномерно распределенной по площади. Коэффициенты надежности у к обеим частям нагрузки принимаются равными 1,35. Увеличение нагрузки за счет динамики уже изначально включено в значения осевого и распределенного давления.
Зависимость нормальных напряжений в продольных ребрах ортотропной плиты от поперечного положения нормативного автомобиля
Как следует из приведенного ниже графика, наиболее невыгодным для точки на нижней фибре плоского продольного ребра в сечении с поперечной балкой является такое расположение тележки на плите, когда передний край оттиска переднего колеса находится на расстоянии 7,9+8,0 м от края плиты, при этом напряжения в расчетной точке в зависимости от расстояния между продольными ребрами изменяются в пределах от -80,9 до -106,1 МПа (рисунок 3.10).
Для точки на нижней фибре плоского продольного ребра в сечении Уз длины панели наиболее невыгодным является такое расположение тележки на плите, когда передний край оттиска переднего колеса находится на расстоянии около 9,8 м от края плиты, при этом нормальные напряжения в расчетной точке в зависимости от расстояния между продольными ребрами изменяются в пределах от 83,9 до 95,7 МПа (рисунок ЗЛО). Такое положение тележки соответствует расположению её задней оси над расчетным сечением. L a." 2 J Q. 0 — / -20 \ J P—300 им— 350 мм " 400 мм Рисунок 3.11- График зависимости нормальных напряжений в контрольной точке модели с плоскими продольными ребрами в сечении Уз длины панели (точка 2) при движении тележки А11 вдоль плиты
Максимальные нормальные напряжения в расчетной точке на нижней фибре трапециедального продольного ребра у начала сгиба листа для перехода к боковой стенке в сечении Л длины панели в зависимости от расстояния между продольными ребрами изменяются в пределах от -22,4 до -31,6МПа (рисунок 3.12). Максимальные напряжения в расчетной точке возникают при таком расположении тележки на плите, когда передний край оттиска переднего колеса находится на расстоянии около 8,9 м от края плиты.
По рисункам 3.10-3.13 видно, что на всех диаграммах вместе с главным пиком напряжений присутствуют один или два промежуточных пика, что обусловлено последовательным прохождением осей тележки А11 через расчетное сечение. Размах напряжений промежуточного цикла составляет от 10 до 40 % от размаха напряжений между главными экстремумами диаграммы. Возникает существенный вопрос - как учесть влияние на усталость промежуточных циклов и стоит ли это делать вообще? Есть несколько аргументов в пользу того мнения, что учитывать в данном случае промежуточные циклы нет необходимости:
1. Зарубежными исследованиями [76] установлено, что стальная конструкция обладает «памятью» и воспринимает как один цикл размах напряжений между главными экстремумами диаграммы напряжений, игнорируя любые промежуточные пики и впадины. 2. По рисункам 3.10-3.13 видно, что в данных условиях коэффициент асимметрии любого промежуточного цикла будет ближе к +1, чем коэффициент асимметрии главного цикла, что соответственно менее опасно для конструкции.
3. Размах напряжений промежуточного цикла составляет 10- -40 % от размаха напряжений между главными экстремумами диаграммы. Вместе с тем известно [76], что зависимость усталостных повреждений от размаха напряжений имеет степенной вид с показателем степени 3- 5 (для большинства случаев). Таким образом, усталостные повреждения от промежуточных циклов будут на К5 порядков меньше, чем усталостные повреждения от главного цикла. При этом количество промежуточных и главных циклов сопоставимо.
Принимая во внимание вышеизложеннное, будем полагать, что влияние промежуточных циклов несущественно и при прохождении по проезжей части расчетный автомобиль создает только один цикл переменных напряжений. В качестве экстремальных напряжений принимаем максимальные и минимальные значения, полученные при прохождении тележки вдоль всей расчетной модели.
Из-за повышенной жесткости в моделях с трапециедальными продольными ребрами нагрузка распределяется на большую ширину плиты по сравнению с моделями с плоскими продольными ребрами, поэтому уровень нормальных напряжений в трапециедальных продольных ребрах при поперечном смещении тележки А11 снижается более плавно;
Максимальные абсолютные значения нормальных напряжений в моделях с трапециедальными продольными ребрами оказались в 2,5-КЗ,5 раза ниже по сравнению с моделями с плоскими продольными ребрами. Частично это можно объяснить использованием для моделирования трапециедальных продольных ребер пластин толщиной 8 мм, что несколько больше наиболее распространенного на практике проката толщиной 5-Н) мм;
С точки зрения процесса накопления усталостных повреждений применение для стальных ортотропных плит автодорожных мостов продольных ребер замкнутого трапециедального сечения существенно выгоднее, чем плоских полосовых ребер.
Расчет любой конструкции на выносливость выполняется на многократное воздействие эксплуатационной нагрузки. Выявленное наличие существенной зависимости напряжений от поперечного положения тележки позволяет сделать вывод, что учет этой зависимости при расчетах ортотропной плиты на выносливость окажет большое влияние на проектную долговечность конструкции. Это позволит при проектировании избежать возможного перерасхода металла или потребует усиления конструкции именно из-за требования обеспечения долговечности по выносливости.
Полученные теоретические закономерности изменения нормальных напряжений в продольных ребрах ортотропной плиты являются одним из основополагающих моментов разрабатываемой в данной работе методики оценки выносливости стальной ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов. Однако необходимо выяснить, имеет ли место в действительности подобное распределение напряжений при поперечном смещении автомобиля, а также, насколько велико влияние поперечного положения нагрузки на проезжей части на долговечность элементов ортотропной плиты.
Учет вероятности классов нормативной нагрузки
В основе разработанной в данной работе методики оценки выносливости стальной ортотропнои плиты проезжей части автодорожных мостов от обращающихся нагрузок лежат два основных положения: 1) поперечное положение автомобилей на полосе проезжей части носит случайный характер; 2) полная масса тяжелых грузовых автомобилей, проходящих по проезжей части, носит случайный характер.
Влияние на усталостную долговечность конструкции поперечного положения автомобилей показано на примере расчета в предыдущем параграфе. Остановимся подробнее на второй идее.
Все рассуждения, приведенные в предыдущем параграфе, были выполнены для тележек класса К=11. Вместе с тем, совершенно очевидно, что полная масса реального грузового автомобиля также как и его поперечное положение является случайной величиной. Закон распределения полной массы грузового автомобиля также, очевидно, будет нормальным. Необходимо определить числовые характеристики данного закона.
Работа [19] показывает, что для коротких линий влияния сдвоенные и строенные группы осей современных автомобилей по возникающим в конструкции внутренним силовым факторам приблизительно соответствует тележке АН. С учетом коэффициента загруженности грузовых автомобилей (отношение фактического веса брутто к максимальному весу брутто по паспорту транспортного средства), равного 0,8 [6], полная масса тяжелых автотранспортных средств приблизительно соответствует классу К=9, а максимальная - классу К=11.
В предыдущем параграфе рассмотрен пример, в котором отсутствовали напряжения от постоянных нагрузок и от общего воздействия временных вертикальных нагрузок. В общем случае эти напряжения будут присутствовать, но если напряжения в конструкции от постоянных нагрузок в течение эксплуатации практически не изменяются (замена дорожного полотна, снег и т.п. не учитываем), то напряжения от общего воздействия временных нагрузок с течением времени будут возрастать и это необходимо учитывать при расчете на выносливость.
Так как расчет выносливости выполняется на многократное приложение нагрузки, то методика, изложенная в СНиП [82] предполагает определение напряжений в конструкции от нагрузки АН без введения коэффициентов надежности по нагрузке. При этом база расчета составляет 2x106 циклов нагружения конструкции. В главе 2 показано, что количество тяжелых грузовых автомобилей, которое может проехать по проезжей части автодорожного моста за время эксплуатации в зависимости от категории дороги и интенсивности движения будет в 5- -50 раз больше. При этом надо принять во внимание, что при прохождении каждого грузового автомобиля над расчетным сечением в случайный момент времени их общее количество на проезжей части будет различным, но при этом в среднем несколько меньше нагрузки АН. В европейских мостовых нормах Eurocode ENV 1993-2 [94] это учитывается введением для тележек и распределенных нагрузок понижающих коэффициентов (таблица 2.1). В рамках разработанной методики предлагается по аналогии с отдельным грузовым автомобилем принять для определения напряжений от общего воздействия временной нагрузки ее среднюю интенсивность равной А9. Такая замена позволит также при расчете избежать неопределенности того рода, что на настоящий момент при расширении автомагистралей большинство новых автодорожных мостов проектируются под нагрузку А14 (2-я очередь движения), а большинство существующих мостов на этих дорогах (1-я очередь движения) запроектированы под АН, но нагрузки по ним сейчас проходят практически одинаковые.
Ранее выполненные исследования [24] свидетельствуют, что обеспеченность нормативной нагрузки равна примерно 0,9999, что соответствует отступлению от среднего на 4 стандарта (4а). Отсюда можно условно принять как на настоящий момент, так и на будущее, что стандарт нормального распределения классов нормативных автодорожных нагрузок равен 0,5.
