Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор конструкций безбалластного мостового полотна
1.1. Типы безбалластного мостового плотна 9
1.2. Мостовое полотно с безбалластным подрельсовым основанием на железных дорогах мира
1.2.1. Конструкция безбалластного мостового полотна, принятая к повсеместному применению
1.2.2. Типы безбалластного мостового полотна 21
1.2.3. Перспективы дальнейшего развития 25
1.2.4. Вывод обзора конструкций безбалластного мостового полотна 26
1.3. Виды и анализ повреждения элементов мостового полотна на БМП
1.4. Цель и задачи работы 29
2. Методика расчета элементов проезжей части, металлических пролетных строений с БМП
2.1. Разработка усовершенствованной модели расчета проезжей части
2.1.1. Геометрические размеры конструкции 34
2.1.2. Создание геометрической модели в MSC.PATRAN 35
2.1.3. Создание конечных элементов 36
2.1.4. Моделирование нагрузок 39
2.1.5. Варианты нагружения 41
2.1.6. Граничные условия 43
2.1.7. Задание свойств материала 44
2.1.8. Вычисление и вывод напряжений в узловых точках 45
2.2. Применение методики 46
3. Анализ напряженного состояния элементов мостового полотна и балок проезжей части
3.1. Напряженно-деформированное состояние шпилек прикрепления плит мостового полотна к балкам
3.1.1. Выносливость шпилек 48
3.1.2. Деформация шпилек 63
3.2. Напряженно-деформированное состояние балок проезжей части 69
3.2.1 Выносливость в зоне сварного шва 69
3.2.2 «Жесткость» напряженного состояния 91
3.2.3. Прогиб и напряженное состояние в зоне верхнего сварного шва от типа конструкции и усилия натяжения шпилек
3.3 Выводы по главе 112
4. Безбалластное мостовое полотно на закладных деталях
4.1. Предложение по совершенствованию конструкции мостового, полотна на железобетонных плитах и анализ конструкции на закладных деталях 113
4.2. Анализ НДС таврово-уголкового прикрепления (Тавр) 119
4.3. Анализ НДС прикрепления (Уголки) 124
4.4. Анализ НДС в зонах сварных швов продольных балок при таврово-уголковом прикреплении и сравнение его с прикреплением на прокладном слое 133
4.5. Выводы по главе 144
Основные выводы 146
Список использованных источников 148
Приложение
Приложение А 160
- Мостовое полотно с безбалластным подрельсовым основанием на железных дорогах мира
- Разработка усовершенствованной модели расчета проезжей части
- Прогиб и напряженное состояние в зоне верхнего сварного шва от типа конструкции и усилия натяжения шпилек
- Предложение по совершенствованию конструкции мостового, полотна на железобетонных плитах и анализ конструкции на закладных деталях
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время на мостах с металлическими пролетными строениями железных дорог России все шире применяют безбалластное мостовое полотно (БМП) на железобетонных плитах, которые с помощью высокопрочных шпилек через прокладной слой, выполненный из мелкозернистого бетона, досок твердой древесины или других типов, прикрепляются к балкам проезжей части.
В последние годы тема безбалластного пути была предметом многочисленных споров и дискуссий. Сначала она обсуждалась только специалистами, которые пытались дать объективную оценку такого пути с технико-экономической точки зрения. Однако в дальнейшем круг участников расширился. Так, поводом этих дискуссий стали данные о повышенных расходах при строительстве безбалластного пути по сравнению с традиционным.
Привлекательность БМП для компаний - владельцев инфраструктуры железных дорог, несмотря на более высокие первоначальные капитальные вложения, обеспечивает его существенные достоинства, основными из которых являются устойчивость, сохранение геометрических и динамических характеристик в течение длительного времени и, следовательно, значительно меньшая потребность в текущем содержании и ремонте. Улучшается понимание процессов, имеющих место при взаимодействии БМП с подвижным составом, совершенствуются методы расчетов его экономической эффективности на весь срок службы, более объективными становятся критерии сравнения безбалластного полотна и балластного.
Повышение скорости, интенсивности движения и осевой нагрузки поездов ставит серьезные задачи перед разработчиками новых конструкций безбалластного мостового полотна. Безбалластный путь на плитах мостового полотна признан прогрессивной конструкцией для мостов с металлическими пролетными строениями при осуществляемом в последние годы расширении полигона бесстыкового пути и железобетонного подрельсового основания.
Одной из важнейших задач эксплуатации мостов является безопасность пропуска нагрузок путем обеспечения необходимой грузоподъемности и надежности мостового полотна, которые по мере развития различных повреждений снижаются.
Диссертационная работа посвящена важной и актуальной проблеме эксплуатации - исследованию напряженно-деформированного состояния (НДС) и обеспечению надежности проезжей части на безбалластном мостовом полотне железнодорожных металлических мостов. Обращено внимание на металлические соединительные элементы (высокопрочные шпильки) и их влияние на напряженное состояние продольных балок проезжей части. Наиболее частому повреждению подвергаются высокопрочные шпильки, приводящие как к разрушению прокладного слоя, так и к появлению трещин в железобетонных плитах.
Цель диссертационной работы - исследование напряжённо-деформированного состояния с учетом пространственной работы и его влияния на прочность и надежность соединительных элементов мостового полотна и балок проезжей части в зонах сварных швов металлических пролетных строений железнодорожных мостов.
При этом важными задачами являются выбор оптимального прокладного слоя и усилия натяжения шпилек прикрепления плит БМП к продольным балкам с учетом обеспечения необходимой их выносливости, а также исследование напряженно-
деформированного состояния сварных продольных балок пролетного строения учетом остаточных напряжений от сварки и совместной работы элементов проезжей части.
На основании полученных данных по напряженно-деформированному со стоянию предполагается дать предложения по совершенствованию конструкции мостового полотна и способов расчета с целью повышения его надежности и экономичности, разработать альтернативный вид прикрепления плит БМП к продольным балкам без прокладного слоя с точечным опиранием, а также провести сравнительный анализ по напряженно-деформированному состоянию и другим показателям с принятыми конструкциями.
Объектом исследования являются НДС соединительных элементов и балок проезжей части в зонах сварных швов на БМП и влияние НДС на их работоспособ ность.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием конечно-элементных методов реализованных в программных комплекса MSC.PATRAN, MSC.NASTRAN и натурных экспериментальных тензометрических испытаний на опытных объектах (мост через р. Клязьма, линии Москва - Александ ров и др.).
Научная новизна:
1. Разработана методика пространственного расчета напряженно-
деформированного состояния элементов проезжей части на БМП металлических
железнодорожных мостов, обеспечивающая комплексный учет действующих факто
ров и совместной работы элементов конструкции.
-
Установлено влияние усилия натяжения шпилек, типа прокладного слоя и величины временной нагрузки на усталостную долговечность элементов прикрепления (шпилек) плит БМП к продольным балкам железнодорожных мостов.
-
Определены максимальные суммарные напряжения (остаточные + от нагрузки) при плоском напряженном состоянии в зонах сварных швов продольных балок.
-
Разработана конструкция прикрепления плит БМП к продольным балкам проезжей части без прокладного слоя с «точечным» опиранием.
Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования определяются корректностью постановки задач, обоснованностью всех этапов расчета и использованием апробированных методов расчета, а также подтверждены сравнением их с экспериментальными данными на натурных объектах.
Практическая полезность (ценность). Разработанная методика пространственного расчета НДС элементов проезжей части на БМП позволяет рационально выбрать тип прокладного слоя и предварительное натяжение шпилек существующей конструкции для обеспечения заданной надежности по выносливости шпилек Кв, а так же создать новые конструкции прикрепления без прокладного слоя, обеспечивающие высокую долговечность, надежность и уменьшение эксплуатационных расходов.
Рекомендации по использованию. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при эксплуатации, реконструкции, проектировании и строительстве металлических железнодорожных мостов с БМП.
Апробация работы. Исследования выполнялись в рамках программы фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ МИИТа, начиная с 2006
г. Отдельные разделы представлялись в сборниках научных трудов МИИТа. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
> Научно-практической конференции «Наука МИИТа - транспорту», (Москва, 2007 г.) [1];
Девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2008 г.) [4];
Десятой международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2009 г.) [6, 7];
Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2009 г.) [8,9];
Заседании кафедры «Мосты» в Московском государственном университете путей сообщения (Москва, 2009 г).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАКом.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста и 29 страницах приложений, содержит 156 рисунков и 33 таблицы.
Мостовое полотно с безбалластным подрельсовым основанием на железных дорогах мира
В нашей стране на первых металлических мостах, сооруженных в 1880 г. в Самаре и Сызрани мостовое полотно устраивалось на деревянных поперечинах (мостовых брусьях). Мостовые брусья укладывают на продольные (главные) балки с расстоянием в свету не менее 10 см и не более 15 см во избежание провала колес между брусьями. Брусья укладывают по наугольнику, а в отдельных случаях (на мостах с косыми пролетными строениями) допускается веерное расположение мостовых брусьев. Все мостовые брусья крепятся к поясам продольных балок или ферм лапчатыми болтами.
Мостовые брусья обычного сечения 20x24 (или 22x26) см изготавливаются длиной 3,25 м. Чем больше расстояние между осями продольных балок или ферм (от 2,0 до 2,5 м), тем большим должно быть поперечное сечение мостовых брусьев (от 20x24 до 24x30 см), а длина - по индивидуальному заказу (до 4,2 м). По наблюдениям ВНИИЖТа один из основных факторов выхода мостовых брусьев — их гниение (около 40 %). Главной причиной загнивания брусьев является пропитка древесины с повышенной влажностью, а также некачественная пропитка. Влажность древесины перед пропиткой должна быть не более 25 %.
Второй фактор, приводящий к выходу из строя брусьев,— механические, повреждения в виде износа под подкладками (врезание подкладок), растрескивание и разработка отверстий прикрепителей — костылей, шурупов. Для уменьшения механического износа под рельсовыми подкладками рекомендуется укладывать на брусья (под подкладки) резиновые прокладки. При строительстве новых мостов и сплошной замене брусьев укладка упругих прокладок обязательна. С помощью таких прокладок не только снижается механический износ брусьев, но и увеличивается упругость мостового полотна с деревянными поперечинами и тем самым распределяется нагрузка от колес на большее число опор с уменьшением нагрузки на один брус на 15—20 %. Соответственно снижаются и местные напряжения в верхних поясах продольных балок.
Конструкция мостового полотна с деревянными поперечинами на металлических мостах имеет наибольшее распространение на отечественных дорогах, но постепенно она будет заменяться более эффективным безбалластным полотном с плитами. К недостаткам мостового полотна с деревянными поперечинами следует отнести: - сравнительно непродолжительный срок службы мостовых брусьев,— в среднем около 12—15 лет; - неравноплотность опирання рельсов на отдельные брусья по длине моста; - подвижность брусьев в вертикальной плоскости под поездной нагрузкой (так называемый «клавишный эффект»); - необходимость ручной врубки и пригонки мостового бруса, что затрудняет механизацию работ по их укладке звеньями с помощью путеукладочных и других кранов; - расход дефицитного полномерного лесоматериала (поперечное сечение и длина мостовых брусьев значительно больше, чем стандартных деревянных шпал) на 1 км до 3 га леса в возрасте 100—120 лет диаметром до 35—40 см; - коррозия металлических балок под брусьями; - дискретная передача нагрузки от брусьев на металлические балки пролетных строений, которая менее благоприятна, чем сплошное опирание. Кроме того, изгиб брусьев под нагрузкой вызывает деформации кручения верхних поясов пролетных строений. Это особенно ощутимо сказывается на сварных пролетных строениях с широкими полками, при которых возникают характерные усталостные повреждения балок трещинами. На существующих мостах разрешается дальнейшая эксплуатация мостового полотна на металлических поперечинах, уложенных по индивидуальным проектам. Поперечины длиной 2600 мм в виде двутавров сварных или клепаных из двух швеллеров № 20. Внутри колеи укладывают щитовой настил из рифленого железа, который сверху покрывают противошумной мастикой, а снизу под настил укладывают резиновые прокладки. Во избежание провала сошедших с рельсов колес ограничивают расстояние между поперечинами не более 600 мм, а под рельсами устраивают подвесные мостики. При устройстве мостового полотна с металлическими поперечинами снижаются эксплуатационные расходы, связанные с содержанием и частой заменой деревянных поперечин. Конструкция мостового полотна с металлическими поперечинами неперспективна, так как имеет существенные недостатки: большую металлоемкость (более 500 кг на 1 пог. метр), жесткость, усталостные повреждения, сложность электрической изоляции рельсов на участках с автоблокировкой, повышенный уровень шума, требует противокоррозионных мероприятий (окраска и т. п.). Расходы на содержание такого полотна не ниже, чем при деревянных мостовых брусьях. По заявке Киевского метрополитена и института Киевметропроект лабораторией "Путь и путевое хозяйство метрополитенов" ВНИИЖТа была разработана конструкция пути на лежнях применительно к конструкции пролетного строения моста южного перехода через р. Днепр Сырецко-Печерской линии Киевского метрополитена [50]. Проектом предусмотрено нахождение поверх ортотропной плиты несущих ребер из металлических листов толщиной 20 мм. В зоне размещения рельсовых нитей предусмотрены опорные площадки в виде металлического листа, приваренного продольными швами к несущим стойкам-ребрам. Для предохранения от коррозии металлических несущих элементов проектом предусмотрено, кроме покрытия металлических поверхностей антикоррозионным составом, устройство из легкого бетона заполнения в замкнутом контуре: ортотропная плита — два несущих ребра — опорная площадка.
Основными элементами, удерживающими рельсовые нити вместе с лежнями в поперечном горизонтальном и продольном направлении, являются продольные упоры, содержащие выступающие в продольном направлении консоли, исключающие возможность смещения лежней в наружную сторону рельсовой колеи. В отличие от тоннелей здесь стабильность рельсовой колеи достигается устройством контакта с пролетным строением (через продольные и боковые упоры) в зоне концевых частей лежней.
Разработка усовершенствованной модели расчета проезжей части
При укладке мостового полотна на эксплуатируемых мостах плиты временно опираются на отдельные деревянные прокладки из дуба или бука, размерами в плане 250x100 мм, устанавливаемые по оси балок под каждой подрельсовой площадкой. При этом плиты прикрепляются к балкам высокопрочными шпильками с шайбами с наружной стороны верхних поясов балок через каждые 50 см по длине моста. Для этого в плитах устраиваются специальные отверстия овальной формы. На шпильку надеваются увеличенные шайбы, перекрывающие указанные отверстия в плитах. Сразу после укладки плит на деревянные прокладки шпильки затягиваются усилием по 80 кН каждая. После этого мостовое полотно с железобетонными плитами допускает нормальное движение поездов без ограничения скорости.
В теплое время года производится устройство прокладного слоя из цементно-песчаного раствора с арматурной сеткой. Для этого вдоль верхних поясов балок под железобетонными плитами устанавливается опалубка прокладного слоя и в отверстия в плитах подается раствор с обязательным его уплотнением. В период твердения раствора в течение 4-5 суток ежедневно контролируется и поддерживается натяжение шпилек до 80 кН, а скорость движения ограничивается до 25 км/ч.
После достижения раствором прочности не менее 10 МПа все высокопрочные шпильки затягиваются на расчетное усилие по 200 кН. При этом происходит дальнейшее обжатие деревянных монтажных прокладок и передача нагрузки на прокладной слой из цементно-песчаного раствора. Расчетная величина натяжения высокопрочных шпилек, прикрепляющих плиты безбалластного полотна к пролетному строению, выбрана из необходимости того, чтобы под поездной нагрузкой не происходило значительного разгружения шпилек, а значит, и постепенного ослабления их затяжки в отвертывании гаек в процессе эксплуатации.
Прокладной слой под плитами работает в очень сложных условиях. Только высокое и постоянное обжатие обеспечивает его длительную работоспособность без выкрашивания и отслоения от верхнего пояса и, как следствие, коррозии металла.
Промежуточное рельсовое скрепление КБ на железобетонных плитах имеет две резиновые прокладки повышенной упругости (под рельсом и под подкладкой) толщиной 8—10 мм, при которых жесткость пути практически такая же, как и при деревянных мостовых поперечинах. Мостовое полотно с безбалластными плитами прошло всесторонние испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа, где по нему было пропущено более 3,5 млрд. т. В то же время исследования ВНИИЖТа [42] показали, что на плитах БМП из обычного железобетона могут появляться продольные трещины (вдоль оси пути), проходящие внутри колеи вдоль выступов для охранных уголков. Более долговечным является вариант плит из предварительно напряженного железобетона.
Опыт эксплуатации безбалластного мостового полотна с железобетонными плитами показывает, что одним из главных элементов БМП является прокладной слой. От качества и стабильности прокладного слоя напрямую зависит натяжение высокопрочных шпилек и работа самих плит. Опыт эксплуатации показал, что шпильки частично или полностью ослабевают, появляются повреждения (износ плит под шайбами, прокладного слоя под их концами). Для обеспечения надежности и долговечности мостового полотна на БМП необходим постоянный контроль натяжения шпилек динамометрическими ключами, тщательный уход за узлами крепления плит.
Наряду с цементно-песчаным раствором под плитами БМП укладывают монолитный слой из полимерного бетона; металлические обоймы, заполняемые бетоном. В последнее время в качестве прокладного слоя применяются сплошные двухслойные прокладки из антисептированной древесины и резины; сплошные двухслойные прокладки из армированной резины, при этом натяжение высокопрочных шпилек снижено до восьми тонн. В последнее время в опытном порядке на трех мостах уложен прокладной слой, включающий прокладки повышенной упругости из вспененного полиуретана, имеющего нормированное количество открытых пор и строго регламентированную жесткость. На двух мостах со стальными главными балками с полной длиной пролетных строений - 44,8м (на мостах через р.Клязьма и р.Калмаш) и мосту с ферменными пролетными строениями длиной по 128 м (мост через р. Оку) [15, 35, 37, 39, 51, 55, 58, 63, 122, 123]. Опытная эксплуатация этой конструкции прокладного слоя с упругим элементом показала следующее: - вертикальные перемещения плиты относительно верхнего пояса главных балок составляет от 0,16 до 0,8 мм под воздействием локомотива; - продольное упругое перемещение крайних плит вдоль оси моста достигает 1,2 мм; - суммарные напряжения в шпильках при их натяжении силой 6 тн и проходе подвижного состава достигают 580 МПа (5788 кг/см"); - после года эксплуатации отмечен излом отдельных шпилек по резьбе. В связи с повышением скорости движения поездов и стремлением к снижению объемов работ по текущему содержанию пути все большее признание получает путь на жестком основании. Уже допущенные к применению конструкции безбалластного пути, укладываемого на земляное полотно, по технологическим показателям вполне могут быть использованы для укладки на мостах без значительных конструктивных изменений.
На сети железных дорог Германии (DBAG), как правило, на мосту укладывают безбалластный путь в том случае, если такой же уложен на подходах.
В зависимости от конструкции БМП к пролетным строениям нередко предъявляют повышенные требования в отношении жесткости. Резкое изменение упругости основания в зоне перехода от моста к береговому устою обычно устраняется с помощью особых конструктивных мер. Требования, связанные с изменением длины и прогибом пролетных строений, также должны быть учтены в конструкции в зависимости от типа пути на жестком основании. Для того чтобы на большепролетных мостах не возникали повышенные напряжения в рельсах, особенно в зоне подвижного опирання, применяют рельсовые клеммные скрепления с ограниченной силой прижатия или уравнительные приборы.
На железных дорогах Германии БМП применяется на мостах с железобетонными пролетными строениями. Конструкция БМП на мостах аналогична конструкции безбалластного пути на земляном полотне. На металлических пролетных строениях применяется путь на поперечинах. Единственной конструкцией БМП на мостах, разрешенной к повсеместному применению на железных дорогах Германии, является система Rheda auf Вшскеп(рис. 1.4) [4].
Прогиб и напряженное состояние в зоне верхнего сварного шва от типа конструкции и усилия натяжения шпилек
Схема интерполирования или экстраполирования напряжений по поверхности или объему на основе известных компонент напряжений требует того, что напряжения должны быть преобразованы в совместную систему координат (до усреднения данных напряжений).
Система координат определяется вручную и вообще должна быть совместна с подлежащей исследованию поверхностью для получения корректных значений узловых напряжений.
Обычно такой координатной системой является естественная координатная система, которая использована для генерации модели поверхности или объема. Эта система координат не должна конфликтовать с системой координат вывода (поле CD) определенной в картах задания узловых точек. В рассчитываемой модели направление координатных осей задано следующим образом: ось X - вдоль конструкции; ось Y - в вертикальной плоскости; ось Z - в перечном направлении. Каждый компонент напряжений (например, аЛ) при вычислении осредненных напряжений обрабатывается независимо. Инварианты напряжений в узловых точках (среднее напряжений, эквивалентные по Генки-Мизесу и т.п.) определяются по усредненным компонентам напряжений в узловых точках. Компоненты напряжений в узловых точках выводятся в системе координат вывода (выводной системе) поверхности.
Для вычисления узловых напряжений в зонах, содержащих объемные элементы используется упрощенный топологический метод. Существует большое количество средств PATRANa для отладки и отслеживания вычислительного процесса. Некоторые из них стандартные, остальные выполняются по специальным запросам в Executive Control Section, Case Control Section и Bulk Data Section.
До выполнения расчета PATRAN проводит ряд проверок геометрии -проверок формы и топологии элементов CQUAD4 и СНЕХА. Эти проверки выявляют степень отклонения от идеального квадрата или куба соответствующих элементов. Нужно отметить, что эти проверки особенно важны для областей с большим уровнем напряжений или больших градиентов напряжений, в остальных зонах влияние неточности элементов менее существенно. Элементы со значительными искажениями формы в модель включаться не должны. При существовании возможности такой проверки ее нужно производить обязательно.
Для элемента типа СНЕХА проводится два типа геометрических проверок: на удлинение (aspect ratio) и депланацию граней. Эти проверки необходимы, так как точность вычисления неравномерного поля напряжений падает при отклонении геометрии элемента от формы куба. Под удлинением здесь понимается соотношение двух любых сторон. Если это отношение больше 100, то есть элемент чрезмерно вытянут, то для него выдается сообщение UIM 4655. Депланация является свидетельством того, что грань СНЕХА не является плоской. При значительном отклонении выдается сообщение UIM 4656. Сообщение будет выдано, если нормали к грани в противоположных угловых точках расходятся на угол больший, чем 45 град. Узлы на серединах сторон при вычислении не учитываются. Инженеру-проектировщику мостов необходимо максимально использованть резервы прочности каждого элемента с учетом его конструктивных и технологических особенностей и строгого обеспечения гарантируемой безотказности работы. Однако прогнозирование безотказной работы реальных элементов, весьма разнообразных по размерам, конструктивной форме, характеру нагружения и условиям эксплуатации, является сложной задачей. Это обусловлено тем, что на работу натурного элемента влияет огромное количество факторов [5, 18, 20, 26, 57, 62, 82, 98], совокупное значение которых носит неопределенный характер и не всегда может быть надежно оценено по известному раздельному влиянию каждого из них. В связи с этим истинное сопротивление усталостному разрушению даже для одинаковых элементов претерпевает существенные изменения от элемента к элементу и оценивается в вероятностном аспекте. Благодаря универсальности подхода программного комплекса можно в целом оценить пространственную работу конструкции. Выявить слабые участки и элементы, в которых возможны появления отказов и заблаговременно дать оценку их надежности. Данная методика позволяет учесть совместную работу балок проезжей части с элементами верхнего строения пути, оценить напряженно-деформированное состояние в любой точке конструкции. Благодаря этому можно проследить взаимодействие усилия натяжения шпилек и возникающих в связи с этим напряжений в сварном шве продольных балок; оценить влияние прокладного слоя на выносливость шпилек от усилия их натяжения; определить участки по длине пролетного строения с максимальными значениями по моменту и поперечной силе; уточнить влияние жесткости и податливости прокладного слоя на работу шпилек, а также в зоне сварного шва продольных балок и др. Применяя эту методику, можно проанализировать напряженно-деформированное состояние конструкции при любой нагрузке и сравнить различные виды конструкции проезжей части на БМП, а таюке оценить их надежность и прочность по разным видам отказов.
Практически все элементы пролетного строения в условиях эксплуатации подвергаются неустановившемуся нагружению, при котором амплитуды цикла меняются во времени по тому или иному закону. Поэтому оценка выносливости элементов пролетного строения в большинстве случаев сводится к расчету при нестационарном нагружении [15, 58].
Проведенные исследования выносливости конструкционных материалов и элементов при нестационарном нагружении свидетельствуют о том, что на процесс накопления повреждений в материалах, появления и роста усталостных трещин оказывают влияние многие факторы, в том числе: свойства материала; характер изменения напряжений во времени; способом нагружения; типом напряженного состояния и степенью его неоднородности; конструктивной формой и абсолютными размерами элемента.
Степень влияния этих факторов на появление отказов неодинакова и не всегда может быть количественно оценена. Вследствие этого инженерные расчеты долговечности элементов проводятся приближенно на основе гипотезы линейного суммирования повреждений.
Эта гипотеза, достаточно проста и удобна, хотя она и не может отразить всей сложности явлений, происходящих в материале при циклическом нагружении.
Предложение по совершенствованию конструкции мостового, полотна на железобетонных плитах и анализ конструкции на закладных деталях
Истинное сопротивление усталостному разрушению оценивается в вероятностном аспекте. Без такой оценки, обычно не вскрывающей причины рассеяния характеристик выносливости, во многих случаях расчета нельзя обойтись.
Наиболее полное представление о длительной и ограниченной выносливости реальных элементов пролетного строения можно получить с помощью семейств кривых их выносливости, отвечающих требуемым вероятностям разрушения. При определении несущей способности для заданного срока службы или при прогнозировании сроков службы для заданных условий нагружения достаточно располагать соответствующими функциями распределения пределов выносливости или долговечности. Однако испытание большого количества реальных элементов для построения функций распределения и семейств кривых выносливости сопряжено с большими трудностями, а часто вообще невозможно. Поэтому актуальны поиски расчетного построения.
В лучшем случае удается провести испытания лабораторных образцов или малых моделей из материалов рассчитываемых элементов в условиях, лишь приближающихся к эксплуатационным. Чтобы по этим данным судить о выносливости самих элементов, приходится отказываться от традиционных методов ее оценки и искать новые методы, которые априорно с достаточной точностью отражали бы влияние на выносливость как геометрических размеров, конструктивной формы, технологии изготовления и вида нагружения элемента, так и свойств материала, вероятности разрушения и ее доверительной вероятности.
Теоретической основой для взаимного пересчета характеристик выносливости, полученных при различных условиях нагружения, и прогнозирования поведения материала в элементе по данным испытаний лабораторных образцов или моделей, изготовленных из этого материала, служит теория подобия. Она широко применяется для решения многих задач прочности и пластического формоизменения [29, 33, 45, 46, 96, 99, 100, 101, 102, 103, 104].
Задача о подобии усталостного разрушения в квазистатической постановке охватывает расчетные случаи, касающиеся длительной выносливости элементов, когда появление трещины усталости до конца срока службы элемента не предполагается и исходное напряженное состояние в опасных сечениях не изменяется. Эта задача успешно решена и доведена до практического внедрения в работах С. В. Серенсена и В. П. Когаева [33, 45, 46]. Позднее эта задача была рассмотрена применительно к элементам без конструктивных концентраторов напряжений (гладким), прочность, которых определяется некоторым объемом в зоне действия максимальных напряжений, а не конкретным сечением [99, 100, 101].
Применение теории подобия в кинетической постановке привело к заключению об определяющей роли локального напряженного состояния у фронта трещины. При этом определяющими явились условия наступления автомодельности процесса деформации и разрушения, а также выделение стадий стабильного его развития [29]. Свойство автомодельности предполагает, что при определенных обстоятельствах процесс начнет протекать самопроизвольно и на его течение почти не будут влиять внешние факторы. Именно в этот момент — момент смены механизма деформации — и должны определяться механические свойства элемента. Между сменами механизма деформации («жесткости» напряженного состояния) заключены стадии стабильного развития процесса. Например, при квазихрупком разрушении стадия стабильного развития связана с раскрытием трещины, а скачок трещины происходит в момент исчерпания пластичности локальных объемов материала впереди трещины. Используя критические точки перехода от стабильности к нестабильности, можно упростить моделирование процессов деформации и разрушения и начать его с того момента, когда в элементе возникла трещина, способная перерасти в магистральную [29].
В этом разделе мы рассмотрим НДС продольных балок, дадим оценку выносливости (по существующим нормам) и «жесткости» напряженного состояния в зонах сварных швов продольных балок проезжей части металлических мостов с учетом суммарных нагрузок.
Напряженное состояние продольных балок, зависит от типа прокладного слоя, конструкции мостового полотна на БМП, временной нагрузки, остаточных напряжений в зонах сварных швов, натяжения шпилек. Суммарные напряжения в зонах сварных швов верхнего и нижнего пояса имеют высокую цикличность изменения, что повышает вероятность возникновения усталостных трещин в этих зонах.
Высокая производительность и экономное использование металла способствовали широкому использованию сварки при изготовлении стальных конструкций всех видов. Сварные соединения стальных конструкций, обладая существенными производственными и экономическими преимуществами, имеют присущие только им недостатки: технологические дефекты сварного шва (газовые и шлаковые включения в металле шва, непровары, подрезы, кратеры в начале и конце шва и т. д.) вызывают концентрацию напряжений и снижение статической и циклической трещиностойкости сварного соединения; неравномерный нагрев и остывание свариваемых деталей приводят к изменению механических свойств металла околошовной зоны и образованию остаточных сварочных напряжений и деформаций.
Если вредное влияние технологических дефектов сварного шва можно уменьшить, подбирая соответствующим образом, сварочный материал и повышая культуру изготовления сварных конструкций, то недостатки второго вида не представляется возможным избежать в полной мере, так как они являются естественным следствием теплового процесса сварки [111]. В результате сварки, как ведущего технологического процесса изготовления металлических конструкций, увеличивается потенциальная энергия совместно работающих элементов, но снижается внутренняя энергия основного металла в зоне термического влияния (ЗТВ) в результате необратимых процессов, протекающих при изменении структуры металла и развитии пластических деформаций, распространяемых в относительно небольшом объеме. Сварочный процесс можно рассматривать как типичный термодинамический процесс, во время которого часть подведенного тепла при сварке превращается в механическую работу деформирования [3, 16, 53, 56].
