Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор существующих конструкций и методик расчета металлических ортотропных плит пролетных строений мостов 0
1.1 Конструкции ортотропных плит, применяемых в мостостроении 0
1.1.1 Общие сведения об ортотропных плитах 0
1.1.2 Ортотропные плиты с открытыми продольными ребрами 0
1.1.3 Ортотропные плиты с замкнутыми продольными ребрами 1.2 Примеры конструкций мостовых пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части 3
1.3 Методики моделирования и расчета ортотропных плит
1.3.1 Нормативные методики расчета ортотропных плит 6
1.3.2 Расчеты ортотропных плит как пластин с ребрами с учетом дискретного расположения жесткостей 6
1.3.3 Расчеты ортотропных плит как пластин с эквивалентными ортотропными жесткостями 26
1.3.4 Расчеты ортотропных плит как балочного ростверка 28
1.3.5 Расчеты ортотропных плит как плитно-балочной конструкции 30
1.3.6 Численные методы расчета ортотропных плит 31
1.3.7 Применение конечно-элементных программных комплексов для расчета ортотропных плит 35
1.3.8 Сравнительный анализ методик расчета ортотропных плит 37
1.4 Построение обобщенной модели ортотропной плиты проезжей части 38
1.4.1 Геометрическая модель 38
1.4.2 Модель материала 40
1.4.3 Модель нагружения 40
1.4.4 Модель внешних воздействий 41
1.4.5 Модель наступления предельного состояния 41
1.4.6 Обобщенная модель ортотропной плиты 41
1.5 Существующие конструкции покрытия на мостовых сооружениях и тенденции их совершенствования 43
1.5.1 Требования к конструкциям одежды ездового полотна на мостовых сооружениях 44
1.5. История развития покрытий на мостовых сооружениях 48
1.5.3 Современные типы одежды ездового полотна 50 1.6 Материалы для одежды ездового полотна на мостовых сооружениях и их характеристики 52
1.7 Примеры конструкций одежды ездового полотна на мостовых сооружениях России и зарубежных стран и опыт их эксплуатации 54
1.8 Существующие методики расчета одежды ездового полотна на мостовых сооружениях .60 1.8. Нормативные методики расчета одежды ездового полотна на мостовых сооружениях
1.8.2 Применение теории изгиба пластин к расчету одежды ездового полотна на мостовых сооружениях 62
1.8.3 Конечно-элементные и другие методы расчета одежды ездового полотна на мостовых сооружениях 63
1.9 Проблемы, возникающие при проектировании и расчете ортотропных плит и возможные пути их решения 65
1.10 Анализ существующих моделей и методов расчета одежды ездового полотна на мостовых сооружениях 68
2 Совершенствование методики расчета ортотропных плит с замкнутыми продольными ребрами 71
2. Обоснование расчетной схемы для расчета ортотропной плиты 71
2. Обоснование размеров моделируемого участка пролетного строения 71
2. Разработка конечно-элементной модели для расчета ортотропной плиты 73
2. Обоснование выбора конечных элементов для моделирования конструктивных элементов ортотропной плиты 73
2. Оценка достоверности результатов, получаемых при моделировании ортотропной плиты пространственными пластинами .85
2 3 Анализ влияния податливости стенок главных балок на напряженно-деформированное состояние ортотропной плиты .87
2 4 Обоснование необходимости и разработка расчетной схемы пролетного строения, учитывающей совместную работу ортотропной плиты с главными балками 90
2. Выбор и обоснование способа конечно-элементного моделирования одежды ездового полотна на ортотропной плите проезжей части мостового сооружения 95
2. Выбор типа конечных элементов для моделирования одежды ездового полотна и ее связи с ортотропной плитой 95
2. Оценка достоверности результатов, получаемых при моделировании одежды ездового полотна с использованием конечных элементов-параллелепипедов 97
2.3 Экспериментальное исследование совместной работы ортотропной плиты с главными балками пролетного строения и одеждой ездового полотна 100
2.3.1 Предпосылки проведения экспериментального исследования 00
2.3. Описание конструкции эстакады 01
2.3.3 Программа экспериментального исследования 02
2.3.4 Определение сечений элементов ортотропной плиты для анализа их напряженно-деформированного состояния. Определение необходимого количества, массы нагрузки и ее расположения на пролетном строении. Определение местоположения приборов 03
2.3.5 Экспериментальные загружения ортотропной плиты пролетного строения колесной нагрузкой со снятием показаний приборов 04
2.3.6 Конечно-элементное моделирование поведения пролетного строения при экспериментальном загружении 06
2.3.7 Анализ результатов численного эксперимента и их сопоставление с данными натурных испытаний 08
2.4 Выводы по главе 1
3 Анализ влияния схем нагружения и параметров ортотропной плиты на ее напряженно-деформированное состояние 2
3. Об эффективности ортотропных плит различной конструкции 2
3. Анализ расчетных схем загружения замкнутых продольных ребер ортотропной плиты временными колесными нагрузками 2
3. Определение наиболее нагруженных замкнутых продольных ребер при различном расположении колесной нагрузки поперек пролетного строения 3
3. Построение поверхностей влияния напряжений в расчетных сечениях замкнутых
продольных ребер и определение невыгодных схем их загружения колесной нагрузкой 117
3.3 Исследование влияния параметров ортотропной плиты с замкнутыми продольными ребрами на ее напряженно-деформированное состояние 19
3.4 Рациональное проектирование ортотропной плиты по условию прочности и устойчивости .124
3.5 Влияние типа продольных ребер и шага поперечных балок на жесткость ортотропной плиты 29
3.6 Выводы по главе 31
4 Анализ напряженно-деформированного состояния ортотропной плиты проезжей части и одежды ездового полотна с учетом их взаимного влияния .133
4. Нагрузки и воздействия на одежду ездового полотна проезжей части мостового сооружения 133 4. Обоснование необходимости учета совместной работы одежды ездового полотна и
ортотропной плиты при расчете одежды ездового полотна 34
4.3 Исследование напряженно-деформированного состояния ортотропной плиты при использовании тонкослойного покрытия 36
4.4 Исследование влияния положения колесной нагрузки на напряженное состояние одежды ездового полотна 38
4.5 Анализ влияния местного увеличения жесткости элементов ортотропной плиты на напряженное состояние одежды ездового полотна 142
4.6 Сравнительный анализ влияния типа одежды ездового полотна на напряженно-деформированное состояние системы «ортотропная плита - одежда ездового полотна» 145
4.7 Выводы по главе 48
Заключение 49
Список литературы
- Методики моделирования и расчета ортотропных плит
- Разработка конечно-элементной модели для расчета ортотропной плиты
- Экспериментальные загружения ортотропной плиты пролетного строения колесной нагрузкой со снятием показаний приборов
- Исследование влияния параметров ортотропной плиты с замкнутыми продольными ребрами на ее напряженно-деформированное состояние
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время при проектировании мостовых сооружений эффективно используются различные конечно-элементные (КЭ) программные комплексы (MidasCivil, Sofistik, Lusas, Lira, Femap), которые позволяют более корректно оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции пролетного строения и не допускать появление зон, опасных с точки зрения разрушения. Однако при проектировании одежды ездового полотна на пролетном строении пока преобладает эмпирический подход, согласно которому нормативными документами предлагаются конструкции покрытия, при этом методик анализа напряженно-деформированного состояния покрытия в нормативных документах не приводится.
Таким образом, при назначении конструкции одежды ездового полотна не учитывается фактическая жесткость пролетного строения, что особенно важно при использовании цельнометаллических пролетных строений. Требования по жесткости ортотропной плиты в нормативных документах отсутствуют, в связи с чем запроектированная по прочности, устойчивости и выносливости ортотропная плита может являться относительно гибкой конструкцией.
В результате одежда ездового полотна на ортотропной плите зачастую служит около 3-5 лет и разрушается с образованием трещин (преимущественно продольных, чего не наблюдается на автомобильных дорогах) и нарушением сцепления с плитой проезжей части. Этот факт проявился на вантовом мосту через р.Нева в Санкт-Петербурге, где в 2006 году были выявлены повреждения в виде продольных трещин над главными балками в покрытии на участках с щебеночно-мастичным асфальтобетоном (ЩМА), уложенным по слою литого асфальтобетона. При этом на участках с двухслойным литым асфальтобетоном никаких повреждений выявлено не было. Продольные трещины в покрытии были выявлены на мосту через р. Иртыш на Южном обходе г. Омска и на других сооружениях.
Проблема недостаточной долговечности одежды ездового полотна на мостах нашла отражение в актуализированном СП 35.13330.2011«Мосты и трубы», где было введено требование о том, что «конструкции дорожной одежды и ортотропной плиты должны исключать появление трещин в покрытии над главными балками стальных пролетных строений». Выполнение данного требования возможно только при учете совместной работы ортотропной плиты с главными балками и одеждой ездового полотна. Вместе с тем необходимо отметить, что существующие методики расчета ортотропных плит не учитывают податливость стенок главных балок, которая при высоких балках может быть значительной.
Таким образом, актуальность проведенных исследований обоснована необходимостью исключения продольных трещин в покрытии над главными балками при учете совместной работы ортотропной плиты с главными балками и одеждой ездового полотна.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности расчета цельнометаллического пролетного строения моста с учетом совместной работы главных балок, ортотропной плиты и одежды ездового полотна для предотвращения преждевременного разрушения одежды ездового полотна.
Задачи исследования.
-
Разработать конечно-элементную модель пролетного строения с ортотропной плитой и покрытием ездового полотна с учетом их совместной работы.
-
Оценить степень влияния пространственной работы пролетного строения на напряженно-деформированное состояние системы "ортотропная плита - одежда ездового полотна".
-
Разработать методику регулирования жесткости ортотропной плиты с целью уменьшения трещинообразования одежды ездового полотна.
-
Оценить целесообразность использования различных типов одежды ездового полотна на ортотропной плите.
Объект исследований - система "пролетное строение - одежда ездового полотна".
Предмет исследований - напряженно-деформированное состояние одежды ездового полотна и ортотропной плиты проезжей части с учетом их совместной работы, а также совместной работы с главными балками пролетного строения.
Методы исследований. В работе использованы положения теории упругости, механики деформирования твердого тела, строительной механики, а также методы математического моделирования, основанные на использовании метода конечных элементов с использованием современного лицензированного конечно-элементного вычислительного комплекса «MidasCivil». Научная новизна работы:
- доказано, что трещинообразование покрытия зависит от жесткости
ортотропной плиты;
установлено, что на жесткость ортотропной плиты влияет податливость главных балок, неучет которой занижает вертикальные деформации ортотропной плиты на 45-60%;
предложены единые схемы загружения продольных ребер ортотропной плиты временной нагрузкой на основе построенных поверхностей влияния напряжений с учетом совместной работы ортотропной плиты с главными балками пролетного строения;
доказана целесообразность местного увеличения жесткости ортотропной плиты в зоне стенки главной балки с целью улучшения работы одежды ездового полотна.
Теоретическая и практическая значимость работы - разработанная конечно-элементная модель позволяет с достаточной точностью решать задачи моделирования и анализа напряженного состояния как ортотропной плиты, так и покрытия ездового полотна. Было выявлено, что напряженное состояние
покрытия зависит не только от конструкции плиты и покрытия в отдельности, а именно от их взаимодействия. Возможно и целесообразно использование модели для анализа проектных решений пролетных строений с целью разработки мероприятий по недопущению появления в покрытии продольных трещин, что позволит увеличить безремонтный срок службы покрытия на стальной ортотропной плите пролетного строения моста, а также снизить стоимость мостового сооружения за счет уменьшения массы ортотропной плиты и одежды ездового полотна благодаря рациональному проектированию их конструкций.
Результаты исследований использованы при проектировании ортотропной плиты следующих сооружений:
-
Байтовый мост через пролив Босфор Восточный в г.Владивостоке;
-
Байтовый мост через р. Москву в Серебряном Бору;
-
Мост через р. Тавда в Тюменской области. На защиту выносятся:
обоснование эффективности конечно-элементной расчетной модели цельнометаллического пролетного строения с учетом взаимодействия друг с другом главных балок, ортотропной плиты и одежды ездового полотна;
сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния ортотропной плиты на натурном объекте с результатами, полученными с помощью расчетной модели;
результаты исследования напряженно-деформированного состояния ортотропной плиты в системе "ортотропная плита - пролетное строение";
анализ факторов, влияющих на кривизну листа настила;
результаты исследований работы ортотропной плиты с одеждой ездового полотна с обоснованием целесообразности местного увеличения жесткости ортотропной плиты.
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием сертифицированного программного комплекса Midas Civil, достаточно широко применяемого для расчета мостовых конструкций; сопоставлением результатов расчета, выполненных с помощью различных программных комплексов; сопоставлением результатов конечно-элементного моделирования с данными экспериментов.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на следующих научных конференциях:
- V всероссийская научно-практическая конференция, СибАДИ, г.Омск,
2010г.;
- международная научно-практическая конференция "Пути решения
проблем дорожной отрасли СНГ и перспективы развития мостостроения",
Федерального дорожного агентства, Министерства транспорта РФ и СибАДИ,
г.Омск, 2010г.;
международный конгресс "Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности", СибАДИ, г.Омск, 2010г.;
научно-практическая конференция «Модернизация и инновационное развитие архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: фундаментальные и прикладные исследования», СибАДИ, г.Омск, 2011г.;
научно-технический семинар «Современные методы ремонта и эксплуатации мостовых сооружений из металлических пролетных строений с применением инновационных технологий и материалов при изготовлении, ремонте и содержании металлоконструкций мостовых сооружений» Федерального дорожного агентства, Улан-Удэ, 2012г;
- в законченном виде работа докладывалась и обсуждалась на
расширенном заседании кафедры «Транспортное строительство» ФГБОУ
Саратовского государственного технического университета имени Гагарина
Ю.А. и на расширенном заседании кафедры «Мосты и тоннели» ФГБОУ
Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных трудах, в том числе 6 статей подготовлены и опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и библиографического списка из 115 наименований. Общий объем работы составляет 213 страниц, в том числе 185 рисунков и 27 таблиц.
Методики моделирования и расчета ортотропных плит
С момента появления в России пролетных строений с ортотропными плитами была проделана большая научная работа по исследованию этих конструкций. Большой вклад в развитие ортотропных мостовых конструкций в нашей стране внесли: Агеев B.C., Большаков К.П., Брук Л.И., Бялик Б.Ф., Верцман Н.Г., Гитман Э.М., Гребенчук В.Г., Гурьев СВ., Дорошкевич А.А., Егоров В.П., Егорушкин Ю.М., Журавов Л.Н., Иванайский Е.А., Капунников И.К., Картополь-цев В.М., Копырин В.И., Корнеев М.М., Корноухов ГЛ., Кручинкин А.В., Мамлин Г.А., Мари-нов Б.Д., Митропольский Н.М., Молгина Г.М., Монов Б.Д., Мыцик B.C., Новодзинский А.Л., Опанасенко О.В., Орлов В.Г., Пемов И.Ф., Передереев Б.М., Платонов А.С., Подберезный Н.И., Польевко В.П., Попов В.И., Потапкин А.А., Почечуев А.П., Саламахин П.М., Скрябина Т.А., Слоним Э.Я., Смирнов В.А., Стрелецкий Н.Н., Тряпицын Ю.В., Улицкий Б.Е., Фукс Г.Б., Чеп-расов Д.П., Шишкин В.Ю. и др.
Необходимо отметить, что стальные ортотропные конструкции до появления их в мостостроении уже применялись в кораблестроении, где широко использовались численные методы их расчета [85]. С развитием метода конечных элементов (МКЭ) судовой корпус, представляющий собой замкнутую ортотропную плиту, рассматривался как пластина (настил), подкрепленная стержневыми элементами (ребрами) [43].
С появлением ортотропных конструкций в мостостроении в 60-х г. г. XX века их расчет производился с использованием теории изгиба пластин [104]. Недостатком этого метода было приведение ортотропной плиты к эквивалентной пластине. Также довольно большое распространение получил метод балочного ростверка, использованный в [63]. При его применении были использованы результаты экспериментов и поведения реальных конструкций, которые закладывались в различных поправочных коэффициентах. С появлением численных методов появилась возможность идеализации рассчитываемой конструкции. Но при этом было необходимо использование определенных гипотез, характеризующих работу конструкции - гипотезы сплошности, однородности и изотропности материала, недеформируемости сечений, гипотезы плоских сечений и т.д. Введение гипотез значительно упрощает систему уравнений, но не всегда способствует ее решению. Для еще большего упрощения системы уравнений нередко приходится упрощать конструкцию. Если говорить об ортотропной плите, то ее упрощение может сводится к представлению ее как эквивалентной пластины. При этом неизбежны потери в адекватности получаемых результатов. С распространением МКЭ появилась возможность не только сократить количество вводимых гипотез, также появилась возможность не упрощать саму конструкцию. Так, нет необходимости вводить гипотезу плоских сечений, гипотезу о недеформируемости контура сечений. Есть возможность учета всех сложностей самой конструкции, сложных конструктивных узлов и т.д. Также существует возможность вместо использования динамического коэффициента произвести динамический расчет конструкции. Необходимо отметить, что вопросам динамических коэффициентов к временным нагрузкам на автодорожные мосты посвящены работы Гриднева СЮ. [17, 18].
Иными словами реальная конструкция заменяется идеализированной КЭ моделью. Благодаря перечисленным преимуществам, в настоящее время МКЭ является основным методом расчета строительных конструкций, в том числе и ортотропных плит.
В последние годы велась активная научная работа, посвященная расчету ортотропных плит с полосовыми продольными ребрами. Автоматизации и оптимальному проектированию посвящены работы Новодзинского А.Л. [34], Джха Виджай Кумара, Мохаммеда Эльтантави Эльмадави Авада [31]. Совершенствованию методики расчета посвящена работа Тряпицына Ю.В. [82]. Работе ортотропных плит на выносливость посвящена работа Мыцика B.C. [32], где в частности производился сравнительный анализ работы на выносливость полосовых и замкнутых продольных ребер. Соломахиным П.М. в МАДИ была разработана концепция автоматизации проектирования и оптимизации конструкции мостов [48], которая была использована при создании многих программ автоматизированного проектирования различных мостовых сооружений в МАДИ.
Большая работа по исследованию ортотропных плит проведена Платоновым А.С. [40, 41, 42]. На основании данных исследований им был разработан метод учета пластических деформаций, возникающих в плите при местном воздействии нагрузки, отраженный в [61].
Методика определения усилий в элементах ортотропной плиты
Ортотропная плита выполняет следующие функции: совместная работа с главными балками пролетного строения и работа между главными балками. В [63] предлагается отдельно находить усилия в плите от совместной ее работы с главными балками и отдельно находить усилия от работы плиты между балками, используя затем принцип суперпозиции, складывая полученные напряжения. Указаний относительно методики определения усилий от совместной работы с главными балками в [63] нет. Учитывая принцип работы, к примеру, балочного несущего элемента, его расчетная схема может представлять собой разрезную/неразрезную балку (рисунок .3 а). При этом пространственная работа может быть учтена введением коэффициента поперечной установки (КПУ), определенного по методу внецентренного сжатия или методу рычага. Временная нагрузка при этом должна быть расположена как можно ближе к ограждению в соответствии с линией влияния КПУ (рисунок .4 а). Относительно работы плиты между главными балками: в [63] указано, что метод расчета должен учитывать совместную работу листа настила, подкрепляющих его ребер и главных балок. Допускается ортотропную плиту условно разделять на отдельные системы - продольные и поперечные ребра с соответствующими участками листа настила. По сути - это метод Хомберга, основанный на замене ортотропной плиты свободно опертым по контуру балочным ростверком, когда расчетная схема представляется системой балок (поперечных балок плиты), опирающихся на упругоподатливые и поворачивающиеся опоры (продольные ребра) [103].
Разработка конечно-элементной модели для расчета ортотропной плиты
Анализ публикаций, посвященных расчетам ортотропных плит, позволил установить, что подавляющее число работ посвящены анализу модели, не учитывающей податливость главных балок пролетного строения, одежда ездового полотна учитывается только в качестве нагрузки, не учитываются температурные воздействия и воздействие агрессивных сред. Не учитывается циклическое и динамическое воздействие колесной нагрузки. В работе [82] рассматривается работа ортотропной плиты в составе разрезного пролетного строения с высотой главных балок м. При этом наибольшее применение находят цельнометаллические пролетные строения с главными балками высотой от ,5 до 3 м, чаще неразрезные, где ортотропная плита работает в совершенно иных условиях.
Опыт эксплуатации покрытия на ортотропной плите свидетельствует о том, что покрытие разрушается быстрее, нежели ортотропная плита, что требует пересмотра методики расчета покрытия на ортотропной плите. В связи с этим необходимо рассчитывать покрытие как конструктивный элемент пролетного строения. Иными словами, его учет необходим не для учета разгрузочного влияния покрытия на ортотропную плиту, а для расчета самого покрытия. Данный факт отмечался в других научных работах [1, 42, 67]. При этом, с нашей точки зрения, необходим учет податливости главных балок пролетного строения путем их учета в составе геометрической модели. Также необходима возможность учета продольных ребер различной формы, а также при необходимости возможность учета их неравномерного шага. Таким образом, с помощью такой универсальной геометрической модели возможно определение рационального размещения продольных ребер необходимой формы и размеров, позволяющее снизить напряжения в покрытии, а значит и трещинообразование. Учитывая, что основной материал покрытия - асфальтобетон - довольно пластичен при высоких температурах, в идеале его модель должна учитывать нелинейность его деформирования.
С появлением и распространением МКЭ несколько изменился подход к анализу орто-тропной плиты. Появилась возможность учитывать как все нюансы напряженного состояния [79], так и сложные конструктивные нюансы, учет которых существующими в нормативной литературе [63] методами невозможен. Сложность использования МКЭ состоит в допустимости использования тех или иных КЭ при геометрическом моделировании тех или иных конструктивных элементов. При этом увеличение числа КЭ ведет за собой увеличение количества уравнений, при решении которых могут возникать различные проблемы. Поэтому при формировании геометрической схемы необходимо использование рационального числа КЭ.
Учитывая вышесказанное, рекомендуемая обобщенная модель, используемая для расчета ортотропной плиты и одежды ездового полотна, реализованная с помощью МКЭ выглядит следующим образом:
Геометрическая модель - пролетное строение с главными балками и одеждой ездового полотна. Ширина модели соответствует полной ширине пролетного строения, длина модели зависит от задачи: для расчета ортотропной плиты - полная длина пролетного строения, для расчета одежды ездового полотна возможно уменьшение длины модели до 4-6 пролетов продольных ребер. Модель одежды ездового полотна должна учитывать ее многослойность, возможность получать напряжения в различных ее слоях.
Модель материала - для металла: модуль упругости Е и коэффициент Пуассона v, работа в упругой стадии. Для покрытия: модуль упругости Е и коэффициент Пуассона v, работа также в упругой стадии. Учет работы материалов только в упругой стадии достаточен для выполнения цели настоящего исследования, дальнейшие исследования должны базироваться на учете нелинейности деформирования асфальтобетона.
Модель нагружения - вся нагрузка (постоянная и временная колесная) моделируется статической, причем колесная нагрузка прикладывается непосредственно к поверхности покрытия с учетом нормированных [63] размеров отпечатка колеса. Динамическая составляющая учитывается коэффициентом динамичности д, цикличность нагрузки не учитывается. Дальнейшие исследования должны базироваться на учете цикличности временной нагрузки, так как работа асфальтобетона на выносливость является одним из факторов, определяющих возможность его использования на стальной ортотропной плите пролетного строения моста.
Модель внешних воздействий - воздействие температуры принимается равномерным по всей толщине покрытия, воздействие агрессивной среды не учитывается. Вместе с тем при дальнейших исследованиях необходим учет неравномерности температуры по толщине покрытия, а также учет агрессивного воздействия среды.
Модель наступления предельного состояния - по несущей способности с учетом только упругой стадии работы материалов как ортотропной плиты, так и покрытия. Дальнейшие исследования должны учитывать работу материалов вне зоны упругости.
Главной задачей мостового сооружения является обеспечение проезда транспорта, которое обеспечивается не только надежными конструкциями фундаментов, опор, пролетного строения, но и главным образом качественной одеждой ездового полотна. Именно качественное покрытие обеспечивает безопасность движения по мосту.
На цельнометаллических мостах покрытие укладывается на ортотропную плиту. Априори предполагалось, что ортотропная плита и покрытие на ней должны работать совместно. Покрытие должно улучшать работу плиты, плита в силу своей жесткости должна улучшать работу покрытия. Однако наблюдения показывают, что по достижении 3-5 лет появляются трещины в покрытии, причем продольных трещин больше, чем поперечных, чего не наблюдается на автомобильных дорогах.
В то же время мировая практика показывает, что срок службы дорожной одежды на большом мосту может составлять 5- 0 лет. Главной проблемой оценки работы дорожной одежды на ортотропной плите является отсутствие методик расчета, предусматривающих совместную работу системы «ортотропная плита - покрытие ездового полотна».
Большой вклад в разработку методик расчета и технологии возведения дорожных одежд на автомобильных дорогах внесли ученые СибАДИ [4, 8, 55, 60], вместе с тем необходимо отметить, что работа покрытия на мосту в корне отличается от работы дорожной одежды на автомобильной дороге. На мосту покрытие укладывается на плиту проезжей части, которая работает, а значит и деформируется между главными балками пролетного строения. Поэтому возникновение наиболее распространенных дефектов в виде трещин может происходить преимущественно сверху вниз - при отрицательном изгибающем моменте в покрытии, возникающем над стенками продольных ребер или стенками главных балок. Дорожная одежда на автомобильной дороге укладывается на щебеночное основание, которое можно рассматривать как упругое. Исходя из этого, возникновение трещин происходит снизу вверх. Таким образом, рассчитывать покрытие на мосту необходимо по иным методикам, нежели дорожную одежду на автомобильной дороге.
Экспериментальные загружения ортотропной плиты пролетного строения колесной нагрузкой со снятием показаний приборов
Как уже было рассмотрено ранее, при расчетах ортотропной плиты целесообразнее использовать КЭ в виде пространственных пластин. Если говорить о способе моделирования одежды ездового полотна, то принимая во внимание необходимость оценки ее напряженного состояния по слоям, необходимость оценки нормальных и касательных напряжений в вертикальной плоскости, а также зарубежный опыт моделирования поведения покрытия [110], наиболее целесообразным выглядит использование КЭ-параллелепипедов.
Учитывая требования как отечественных, так и зарубежных нормативных документов в части обеспечения надежного сцепления поверхности ортотропной плиты с одеждой ездового полотна, эта связь может быть учтена: введением абсолютно жестких связей, связывающих узлы листа настила ортотропной плиты с узлами нижней поверхности одежды ездового полотна (рисунок 2.28). Длина этих элементов при этом должна быть равна половине толщины листа настила ортотропной плиты [110].
Граничные условия элементов при отсутствии жестких связей. Учет совместной работы слоев покрытия между собой обеспечивается наличием общих узлов. В данном случае при использовании МКЭ возможен учет депланаций сечения покрытия, что невозможно при использовании теории изгиба пластин.
Необходимо отметить, что при расчете асфальтобетона использовался модуль упругости, полученный при растяжении. Данное допущение было принято, исходя из того, что продольные трещины возникают от поперечных растягивающих напряжений в покрытии, что также отмечалось Судомойным [67].
Для оценки достоверности результатов, получаемых при использовании параллелепипедов для моделирования покрытия, были использованы результаты экспериментальных исследований, произведенных Судомойным А.С. [67]. Первая часть этих исследований (работа орто-тропной плиты без покрытия) была использована для сравнительного анализа в п.2.1.2.2. Вторая часть экспериментальных исследований производилась с учетом совместной работы орто-тропной плиты и одежды ездового полотна, в качестве которого был использовано полимербе-тонное покрытие толщиной 0 мм. Автором модуль упругости покрытия в результате исследований был принят равным 5340 МПа. Учитывая, что в определении значения коэффициента Пуассона при данных исследованиях [67] не было необходимости, было принято решение назначить данный параметр равным 0, 5 на основании исследований Сибиряковой Ю.М. [54].
Величина, параметры нагрузки и ее положение соответствуют рисунку 2.16. Учитывая, что рациональный шаг узлов КЭ для данной расчетной схемы был определен в п.2. . . и составил 5,5 мм, то для сравнительного анализа расчетных схем с учетом работы покрытия варьируемым параметром было принято количество слоев КЭ, моделирующих одежду ездового полотна. К тому же количество слоев КЭ, как показали предварительные исследования [76], оказывает значительное влияние на результаты расчета. Было решено использовать , , 3 и 4 слоя КЭ. На первом этапе было решено использовать вариант моделирования покрытия, изображенный на рисунке 2.29, не подразумевающий использование жестких связей.
Были получены поперечные нормальные напряжения в верхней фибре одежды ездового полотна над ребром №5 (рисунок 2.30). Напряжения были получены в поперечном створе приложения нагрузки. Результаты расчета приведены в таблице 2.10. Рисунок 2.30 - Положение нагрузки и расчетного сечения.
Учитывая, что изменение величины напряжений при использовании 4-х слоев КЭ составило порядка 0,5% по отношению к схеме с 3-мя слоями КЭ, было решено анализ результатов с использованием 5-ти и т.д. слоев КЭ не производить.
Из рассмотренных вариантов расчетных схем наиболее приемлемой оказалась расчетная схема с 4-мя слоями КЭ. При этом минимальное отклонение от результатов эксперимента составляет 6,4 %, максимальное - 3,8 %, среднее арифметическое - 10,6 %.
Для оценки возможности использования жестких связей была использована расчетная схема с 4-мя слоями КЭ покрытия. Результаты расчета с использованием жестких связей, а также без их использования представлены в таблице 2.11.
Оценивая результаты расчета, можно отметить, что более корректные результаты были получены без использования жестких связей.
Таким образом, с учетом проведенного сравнительного анализа с результатами экспериментальных исследований Судомоина А.С., а также с учетом исследований, проведенных в п. 2. . . можно рекомендовать: ) количество слоев КЭ, моделирующих одежду ездового полотна, рекомендуется назначать не менее 3-х; ) жесткую связь покрытия и листа настила рекомендуется обеспечивать с помощью общих узлов; 3) основной шаг сетки расчетной схемы рекомендуется назначать порядка 80 мм; 4) шаг узлов сетки КЭ при ее сгущении в определенной зоне рекомендуется назначать порядка 15-20 мм. 100
Учитывая, что рекомендуемая расчетная схема для оценки работы ортотропной плиты и покрытия ездового полотна включает в себя все пролетное строение, экспериментальные исследования целесообразно проводить не на моделях, представляющих собой фрагменты конструкции ортотропной плиты или пролетного строения, а на функционирующем или вновь построенном пролетном строении. Только при таком подходе сопоставление результатов, полученных в ходе КЭ моделирования и результатов, полученных в ходе натурного эксперимента может быть наиболее корректным.
Вместе с тем необходимо отметить, что лабораторные испытания позволяют максимально точно приложить нагрузку, в то время как при испытаниях ортотропной плиты на реальном сооружении существуют определенные проблемы. Так, продольные ребра ортотропной плиты очень чувствительны даже к незначительному смещению нагрузки поперек пролетного строения. Учитывая, что на проезжей части определение местоположения того или иного продольного ребра является сложной задачей, к ней нужно подходить максимально тщательно. Так, смещение нагрузки в поперечном направлении даже на 50-70 мм может привести к кардинальному изменению НДС продольных ребер ортотропной плиты.
Также является определенной проблемой нечеткость отпечатка колеса автомобильной нагрузки. Поэтому при использовании в экспериментальных исследованиях реальной колесной нагрузки необходимо очень тщательно определять параметры отпечатка колеса. Также сложность может вносить различный уровень давления в колесах, приводящий к разным параметрам отпечатков разных колес.
Учитывая все вышесказанное, было решено экспериментальные исследования проводить на вновь построенной эстакаде в створе ул.Иманова в г.Астана республики Казахстан. Пролетное строение эстакады цельнометаллическое с ортотропной плитой проезжей части с использованием полосовых продольных ребер. С одной стороны данное обстоятельство может рассматриваться как камень преткновения для данной научной работы, так как работа базируется на исследовании замкнутых продольных ребер. Вместе с тем наличие полосовых продольных ребер не препятствует главной задаче экспериментального исследования - оценке адекватности КЭ модели пролетного строения с ортотропной плитой и покрытием ездового полотна. Эстака 101
да была возведена силами ООО «НПО Мостовик». Экспериментальные исследования производились в рамках испытаний эстакады 3- 4 июня 007 года перед вводом конструкции в эксплуатацию.
Исследование влияния параметров ортотропной плиты с замкнутыми продольными ребрами на ее напряженно-деформированное состояние
Результаты расчета показали, что при использовании тонкослойного покрытия напряжения в середине пролета продольного ребра изменились незначительно (на - %). При уменьшении толщины покрытия напряжения от местной работы увеличились за счет меньшего распределения давления от колеса, но вместе с тем уменьшились напряжения от общей работы плиты за счет снижения постоянной нагрузки.
В опорном сечении продольного ребра максимальные напряжения уменьшились на 4 %, это произошло благодаря тому, что уменьшение распределения давления от колеса не оказывает существенного влияния на НДС данного сечения ребра вследствие расположения колес на расстоянии порядка 750 мм от самого сечения. В данном случае уменьшение постоянной нагрузки позволило уменьшить суммарные напряжения в продольном ребре.
Учитывая, что в основном максимальные напряжения возникают в опорном сечении продольного ребра, применение тонкослойного покрытия позволяет уменьшить максимальные напряжения в продольных ребрах до 4 %.
При анализе работы ортотропной плиты с тонкослойным покрытием нельзя обойти вниманием НДС листа настила, ведь сложившиеся требования рационального шага между продольными ребрами (порядка 300 мм) исходят из условий использования одежды ездового полотна из асфальтобетона толщиной порядка 80- 0 мм. Согласно [91] деформации листа настила между продольными ребрами от временной нагрузки с учетом коэффициента динамичности не должны превышать 0,003 Зa, где а - расстояние между стенками продольных ребер. При расстоянии между стенками продольных ребер 300 мм деформации от указанных нагрузок не должны превышать 0,99 мм.
Таким образом, деформации настила между ребрами при использовании тонкослойного покрытия увеличились на 36 %, но вместе с тем не превысили предельные деформации согласно [91] - 0,99 мм.
В целом по результатам произведенных расчетов можно говорить о том, что использование тонкослойного покрытия проезжей части незначительно сказывается на работе ортотроп-ной плиты в продольном направлении. Увеличившиеся напряжения в продольных ребрах орто-тропной плиты от местной нагрузки компенсируются уменьшившимися напряжениями от общей работы плиты в составе главных балок. Увеличенные деформации листа настила между ребрами находятся в допустимых [91] пределах. Таким образом, с учетом того, что применение тонкослойного покрытия позволяет значительно уменьшить (до 40 %) постоянную нагрузку на пролетное строение, применение такого типа покрытий обоснованно и целесообразно при обеспечении нормативного срока службы самого покрытия.
В одежде ездового полотна, уложенной на стальной ортотропной плите моста, возникает сложное напряженное состояние. В связи с тем, что ортотропная плита обладает определенной гибкостью, напряженное состояние покрытия может кардинально изменяться при незначительном смещении колесной нагрузки. Большое значение имеет положение колес подвижной нагрузки по отношению к продольным ребрам, поперечным балками плиты и стенкам главных балок. То есть покрытие фактически работает как неразрезная плита на упругих опорах, которыми являются стенки продольных ребер и поперечных балок ортотропной плиты и стенки главных балок.
При моделировании работы покрытия на пролетном строении целесообразно использовать пространственные расчетные схемы, позволяющие определять все компоненты сложного напряженного состояния покрытия:. Учитывая многообразие возможных схем загружения, актуальной задачей становится поиск невыгодных положений колесной нагрузки. В данной работе было принято решение ограничиться анализом влияния положения колесной нагрузки только на величину максимальных поперечных нормальных напряжений в покрытии, так как они являются определяющими при возникновении продольных трещин. При этом в результате исследования получены были все виды напряжений в покрытии [75].
С этой целью было произведено исследование напряженного состояния одежды ездового полотна при постоянной нагрузке и при различном положении временной нагрузки по длине и ширине пролетного строения. Так как целью расчета являлось получение только поперечных нормальных напряжений, было решено производить расчет не с помощью расчетной схемы всего пролетного строения, а только его участка (расчетная схема РС8 часть , рисунок 2.21)с асфальтобетонным покрытием толщиной0 мм.
Параметры поперечного сечения замкнутого продольного ребра изображены на рисунке 4.3. Модуль упругости асфальтобетонного покрытия был принят равным 6000 МПа, что соответствует плотному асфальтобетону на БНД марки 60/90 при температуре 00С [54]. Расчет выполнялся в упругой стадии работы материалов.
При расчетах использовалась расчетная нагрузка А4 Рисунок 4.3 - Параметры попе (без полосовой нагрузки) и Н4. Вдоль пролетного строения реЧного сечения замкнутого нагрузка ставилась в положения (рисунок 4.4). поолольного оебоа
Нагрузка А4 и Н4 перемещалась по ширине пролетного строения с шагом 75мм. Крайние положения тележки показаны на рисунках 4.5 и 4.6. Всего было рассмотрено 52 загру-жения на нагрузку А4 и 34 загружения на нагрузку H4. Оценивались максимальные поперечные растягивающие напряжения в покрытии, возникающие в пределах всей расчетной схемы. Полученные результаты приведены на рисунке 4.7.