Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса (краткий аналитический обзор)
1.1. Актуальность проблемы, цель, задачи и методы исследования
1.2. Научная новизна, практическая ценность и реализация работы, предмет защиты, апробация
Конструктивно-технологические решения автодорожных и городских мостов
2.1. Тенденции развития
2.2. Унификация конструктивной компоновки ортотропной плиты проезжей части
2.3. Конструкционные материалы, специфика потребительских свойств, заводские и монтажные соединения 7^
Методы расчета ортотропных плит автодорожных и городских мостов на поперечный и продольный изгиб с учетом физической и геометрической нелинейности их работы
3.1. Взаимодействие листа настила с подкрепляющими продольными ребрами
3.2. Решение задачи об изгибе ортотропных плит с учетом физической и геометрической нелинейности ^*
3.3. Критерий предельного состояния по прочности
3.4. Расчетные проверки прочности, местной и общей устойчивости 737
3.5, Особенности расчета металлических пилонов вантово-балочных и висячих мостов
4. Экспериментальные исследования ортотропных плит автодорожных и городских мостов
4.1. Цель и задачи экспериментов
4.2. Местная работа листа настила
4.3. Изгиб ортотропных плит уд
5. Конструктивно-технологические решения железнодорожных мостов /97
5.1. Тенденции развития /ду
5.2. Прокат стальной двухслойный коррозионностоикии для балластных корыт ортотропной конструкции, специфика потребительских свойств, заводские и монтажные соединения 50
5.3. Новые типы коробчатых пролетных строений
6. Методы расчета ортотропной плиты железнодорожных пролетных строений на прямых и кривых участках пути
6.1. Временная нагрузка от подвижного состава % 43
6.2. Теоретические решения задачи об изгибе плиты .2.5V
6,3 Особенности взаимодействия ортотропной плиты с главными балками пролетных строений на кривых участках пути д$
7. Экспериментальные исследования опытных железнодорожных пролетных строений
7.1. Цель, задачи и организация 214
1.1. Результаты обследования, статических и динамических испытаний $
13. Антикоррозионная защита j^
7.4. Результаты исследования усталостной прочности зZ0
8. Основные выводы
- Научная новизна, практическая ценность и реализация работы, предмет защиты, апробация
- Конструкционные материалы, специфика потребительских свойств, заводские и монтажные соединения
- Расчетные проверки прочности, местной и общей устойчивости
- Конструктивно-технологические решения железнодорожных мостов
Введение к работе
Стальные конструкции из ортотропных плитных элементов (рис.1) получили расширенное применение в пролетных строениях и пилонах мостов в последние 30 лет. В первые 20 лет объемы их внедрения составили около 1000 тыс. м2 проезжей части, а к 2003 году превысили 3000 тыс. м2.
Плитные ортотропные элементы легче железобетонных в 3- 4 раза при прочих равных условиях. Это главное достоинство и предопределило области их рационального применения:
- пролетные строения балочно-неразрезных, вантово-балочных, висячих и других систем больших пролетов автодорожных и городских мостов, в которых собственный вес составляет основную долю расчетной нагрузки. Применение стальных конструкций из ортотропных плитных элементов уменьшает расчетную вертикальную нагрузку мостов от собственного веса в 2- 2,5 раза. Эффект проявляется при этом существенной экономией материалов на пролетные строения, опоры, пилоны и фундаменты, благоприятными условиями взаимодействия мостов с геомассивами, а также: исключением сезонности монтажных работ, возможностью конструирования главных балок постоянной высоты, удобной для монтажа их продольной надвижкой или внавес с большими консолями;
балочные пролетные строения малых и средних пролетов автодорожных, городских и железнодорожных мостов, в том числе наплавных и разводных, сборно-разборных для временного и краткосрочного восстановления, где использование легких стальных конструкций оправдано функциональным назначением моста, технологическими и экономическими соображениями.
Создание современных вантово-балочных и висячих мостов, поражающих воображение огромными величинами пролетов, оригинальностью и прогрессивностью решений, было бы немыслимо без использования стальных ортотропных конструкций. Более того, мировая практика мостостроения выдвигает сегодня необходимость использования еще более легких конструкций.
Таким образом, ортотропные плитные элементы, являясь основными функциональными частями пролетных строений и пилонов, определяют уровень технико-экономических параметров всей системы мостового сооружения: «пролетное строение-опоры (пилоны) -фундаменты-геомассивы».
Научная новизна, практическая ценность и реализация работы, предмет защиты, апробация
1. Разработана концепция оптимизации конструкции ортотропной плиты проезжей части автодорожных, железнодорожных и городских мостов - по совокупному учету требований минимизации расхода стали, технологии заводского изготовления и монтажа, надежности в эксплуатации.
2. Установлены новые закономерности взаимодействия листа настила ортотропных плит с подкрепляющими его продольными ребрами различных типов и разрабаотана автоматизированная методика учета этих закономерностей при расчете плитных на поперечный изгиб (по схеме «плитно-балочных конструкци») с учетом геометрического нелинейного деформирования.
3. Обоснован критерий предельного состояния ортотропной плиты при работе на поперечный и продольный изгиб, определяемый ограниченным развитием пластических деформаций материала в конструктивных элементах определенной величины, безопасной для эксплуатационных свойств сооружения.
4. Установлены новые закономерности деформирования ортотропной плиты проезжей части автодорожных и городских мостов в предельном состоянии по прочности и до исчерпания несущей способности. Впервые разработан автоматизированный метод их учета при расчетах плиты на поперечный и продольный изгиб, основанный на решении последовательными приближениями нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных,писывающих изгиб гибких ортотропных пластинок за пределом упругости работы материала с разложением этих уравнений на системы линейных уравнений по методу конечных разностей.
5. Разработаны научный основы формирования потребительских свойств низколегированного толстолистового проката и его сварных соединений при заводском изготовлении и монтаже ортотропных конструкций обычного и северных А и Б исполнений.
6. Впервые разработана научная концепция применения ортотропных конструкций из двухслойной коррозионнойстойкой стали в балластных корытах железнодорожных пролетных строений, включающая обснование конструктивно-технологических решений и методов расчета, отражающих ФЪ специфику передачи нагрузки от подвижного состава на плиту на прямых и кривых участках пути. V4T
7. Обоснованы конкретные формулы проверок и прочности ортотропных конструкций. Практическая ценность и реализация
1. Результаты работы включены в СНиП 2.05.03-84 "Мосты и трубы", изменения и дополнения к этому документу 1991 года, стандарты Корпорации "Трансстрой": СТП-004-97, СТП- 005-97, СТП-006-97, СТП-012-2002 и другие действующие нормативные документы, а также проекты новых СНиП и СП "Мосты и трубы, что обеспечило при дополнительном научном сопровождении массовое внедрение ортотропных конструкций в автодорожных, железнодорожных, пешеходных, городских мостах различных систем, назначения, обычного и северного А и Б исполнения.
2. Разработанные конструкции из плитных ортотропных элементов применены при проектировании, заводском изготовлении и монтаже практически всех стальных автодорожных и городских мостов в нашей стране, в том числе при реконструкции МКАД и строительстве 3-го транспортного кольца в г. Москве. Общий тоннаж смонтированных конструкций около 800 тыс. тонн, а также в типовом проекте Гипротрансмоста инв. № 1298 стальных коробчатых пролетных строений 33,6 и 45,0 м для прямых и кривых участков пути, обычного и северных А и Б исполнений. По этому проекту предприятиями ЗАО "Воронежстальмост" и ЗАО «Курганстальмост» изготовлено 135 пролетных строений. Они установлены в мостах России, в том числе на БАМ, и стран СНГ.
Конструкционные материалы, специфика потребительских свойств, заводские и монтажные соединения
Данный прокат отвечает следующим основным требованиям: - три категории поставки мостового проката в зависимости от типа термообработки; 1 категория - без термообработки; 2 категория - в нормализованном состоянии; 3 категория - в термически улучшенном состоянии после закалки и высокого отпуска. Фасонный прокат 2 и 3 категорий поставляется по согласованию с потребителем.
Для получения требуемых технических свойств допускается проведение нормализации или закалки с высоким отпуском при изготовлении проката 1 категории и закалки с высоким отпуском - при изготовлении проката 2 категории. Таким образом, термообработка является одним из ведущих приемов формирования потребительских свойств проката; - прокат для конструкций северного исполнения испытывают на изгиб на широком образце при нормальной температуре в соответствии с требованиями ГОСТ 5521. Тем самым гарантируются повышенные запасы пластичности проката. Оптимальное удлинение металла проката всех толщин 5S, % не менее 19; - ударная вязкость KCU(ai)} Дж/см не ниже 29 при температуре испытания, С: -40 (категория 1), -60 (категория 2), -70 (категория 3), +20 и после механического старения (1 и 2 категории), -20 и после механического старения (3 категория). Испытание на ударную вязкость KCV ГОСТ 6713 не предусмотрено; - для листов толщиной 10 мм и более проводится испытание на излом надрезанных образцов (с целью регламентации структуры). При этом структура проката в изломе должна быть однородной и не иметь видимых невооруженным глазом дефектов: следов усадочной раковины, рыхлости, трещин и газовых пузырей. В изломе не допускаются отдельные волосовины и мелкие расстояния длиной более 10 мм для проката толщиной до 25 мм включительно и более 15 мм проката толщиной более 25 мм. Суммарная длина волосовин и мелких расслоений не должна быть более 20 мм для проката толщиной до 25 мм включительно и более 30 мм для проката толщиной свыше 25 мм. В прокате северного исполнения толщиной 10 мм и более излом надрезанных образцов толщиной, равной толщине листа, должен иметь волокнистое строение на площади не менее 50 %; - сплошность проката должна соответствовать классам 1 или 2 по ГОСТ 22727. Расслоение проката не допускается; - в прокате ограничена массовая для вредных примесей: азота не более 0,008 % (в готовом прокате до 0,012 %), мышьяка - 0,08 %; для конструкций обычного исполнения содержание фосфора не более 0,035 %, серы - не более 0,040 %, а в прокате для конструкций северного исполнения не более соответственно 0,030 % и 0,025 %; свариваемость обеспечивается технологией изготовления и соблюдением всех требований по химическому составу и механическим свойствам: Углеродный эквивалент (С,) не введен; - для проката, предназначенного для изготовления конструкций северного исполнения, масса приемочной партии ограничена 25 т, а для конструкций обычного исполнения из проката категории 3 - не более 75 т, а в остальных случаях - не более массы плавки-ковша. По требованию потребителя листовой и широкополосной прокат для конструкций северного исполнения толщиной 10 мм и более может контролироваться на каждом листе и полосе.
Очевидно, что совокупность вышеизложенных требований явилась значительным шагом вперед по обеспечению потребительских свойств проката для мостостроения. Однако, в свете современных мировых достижений и потребностей практики прокат по ГОСТ 6713 еще далек от идеального. Необходимо в этой связи отметить следующее.
Прокат не контролируется на ударную вязкость KCV. Такой контроль отвечает более высоким требованиям к вязкости металла, чем контроль по KCU.
Физический предел текучести на уровне 335 390 Н/мм2 достигается, главным образом, легированием остродефицитными компонентами хромом и никелем и уникальными видами термообработки. В свете современных достижений металлургии это является определенным недостатком.
Показатели содержания серы и фосфора высокие. Современные металлургические технологии позволяют существенно понизить содержание в прокате серы и фосфора, см., например, п.2.3.2.
Требование к свариваемости неопределенно. Оно не учитывает даже Сэ и не отвечает потребностям реальных сварочных технологий. Известно, что свариваемость является многофакторным понятием и не может обеспечиваться только требованиями к химическому составу и механическим свойствам.
Расчетные проверки прочности, местной и общей устойчивости
Обустройства экспериментального стенда обеспечивали по необходимости местный изгиб листа, общий изгиб модели или оба этих воздействия. Схема испытания листа настила на местный изгиб показана на рис. 4.2. Прогибы листа настила и плиты в целом измеряли индикаторами часового типа, а фибровые деформации листа настила, продольных и Ф поперечных ребер - съемным деформатором, что оказалось целесообразным для измерения как упругих, так и пластических деформаций большой величины. Начальные пластические деформации в листе настила зафиксированы при испытательной нагрузке 40 КН. Испытания прекращены при нагрузке 550 КН, которая превзошла предельную по упругому щ состоянию листа в 13,7 раз без нарушения сплошности образца и его сварных соединений. Этот факт свидетельствует о значительных резервах несущей способности листа.
Эксперимент подтвердил результаты теоретических исследований, ф изложенные в п. 3 о том, что местное воздействие на лист распространяется приблизительно на 5 панелей между продольными ребрами и он работает в поперечном направлении как неразрезная пятипролетная гибкая пластинка на упруго-податливых и поворачивающихся опорах, каковыми являются 1(,0 U8 1 - домкрат с манометром, 1 - домкрат с месдозой, 3 - система силовой рамы и правка для обеспечения общего изгиба модели (передача нагрузки на 4-е точки), 4 - конструкции, имеющие передачу давления от ската автомобиля на лист настила плиты Рисунок 4.1 Обустройства стенда для испытания моделей ортотропнон плиты і /4/ І ЇЇГИ ї А 4 :. J2a А,Б,В,Г - розетки датчиков для измерения деформаций листа по верхней и нижней фибры Рисунок 4.2 Схема испытания листа настила ортотропной плиты на местный изгиб МеП Є/я - is o -qtr о Ф W 1 Рхн "IS lo &, a qs ,0 i,s - растяжение, + - сжатие, нив- индексы к деформациям по нижней и верхней фибрам. Рисунок 4 3 Экспериментальные деформации листа настила ортотропной плиты при испытании по схеме рис /61 продольные ребра. Локальное воздействие нагрузки проявлялось через местную деформацию контуров покрывающего листа и продольных ребер.
В листе возникали как изгибные, так и цепные (мембранные) напряжения. Доля мембранных напряжений увеличивалась с ростом прогиба. Рассмотрим для примера поперечные напряжения листа в точках А и В (см. рис. 4.3) при нагрузках 150 и 200 КН. Считая распределение напряжений по толщине листа линейным, имеем: 7мем = (а + а") 0,5 и аизг = ± (а - а") 0,5, где амем и аизг - значения мембранных и изгибных напряжений по нижней и верхней фибрам листа; а и а - соответственно суммарные фибровые напряжения.
Довести лист до полного исчерпания несущей способности не удалось, так как при Р = 400 КН началась местная потеря устойчивости продольных ребер около поперечных балок.
Для анализа экспериментальных данных о местной работе листа настила использовали, как и для анализа результатов теоретических исследований (см. п. 3.2.) неравенство m — Ддол, 384 EJ в которые входит формула прогиба в середине пролета разрезной балки пролетом а и жесткостью EJ , от равномерно распределенной нагрузки q; Ддол," допускаемая в предельном состоянии величина упругого прогиба листа между продольными ребрами; m - поправочный коэффициент (коэффициент условий работы по терминологии методики предельных состояний), учитывающий особенности работы листа в ортотропной плите.
Очевидно, что при анализе экспериментальных прогибов листа л. коэффициент m отражает особенность работы его в составе ортотропной плиты.
По нормам DIN 1072 и DIN 1079 этот коэффициент принят одинаковым для всех типов плиты и равным «0,17. Правомерность такого допущения вызывает сомнения, что подтверждается следующим.
Результаты испытания модели показали, что значение коэффициента m не постоянная, а переменная величина. Она зависит от величины местного прогиба листа, вернее - от кривизны изогнутой поверхности. Соответственно график имеет нисходящий и восходящий участки с экстремальной точкой при местном прогибе листа, равном 1/42 а, что объясняется изменением начальных физических и геометрических условий испытания. В пояснение этого необходимо отметить, что лист работал в упругой стадии сравнительно недолго - до нагрузки 350 КН. Предельный прогиб упругого состояния составляет 1/250 а. В упруго-пластической стадии коэффициент ц увеличивается с ростом нагрузки от 1/6,8 до 1/6,1. С другой стороны образование «погиби» способствует перераспределению нагрузки между листом и соседними продольными ребрами.
Конструктивно-технологические решения железнодорожных мостов
При работе плиты на изгиб в ортогональных направлениях возникают изгибные и растягивающие осевые (мембранные) напряжения. В упругой стадии осевые напряжения имеют малую величину, кроме мембранных напряжений при местном изгибе листа между соседними продольными ребрами (п. 4.2.). В упруго-пластической стадии доля осевых напряжений в общем напряженном состоянии резко увеличивается с ростом прогибов (рис. 4.10-4.11). Проявляется мембранный эффект растяжения, как следствие нелинейной работы плиты. Большие резервы несущей способности листовых конструкций, работающих на растяжение в ортогональных направлениях, общеизвестны. В нашем случае максимальная испытательная нагрузка (800 КН на четвертом этапе испытания) превосходила в 10 раз нагрузку, соответствующую началу пластических деформаций в нижних фибрах продольных ребер. Однако исчерпания несущей способности листа и плиты в целом (по прочности) достигнуто не было.
Попутно следует отметить, что при нагрузке 460 КН началась местная потеря устойчивости продольных ребер в зонах отрицательных изгибающих моментов Мх около поперечных балок. N При этом плита не теряла несущей способности и могла нести возрастающую нагрузку. т Характерно, что в интервале испытательной нагрузки в листе плиты не наблюдали линии сдвига (линии Чернова-Людерса) под действием максимальных касательных напряжений, как это имело место в вышеописанных малоразмерных образцах. Дело в том, что в зависимости от знака напряжений стх и оу (в ортогональных направлениях плиты) максимальные касательные напряжения развиваются по различным площадкам, а от соотношения абсолютных величин ах и ау зависит направление этих площадок. Так как в процессе деформирования плиты напряженное состояние листа постоянно менялось за счет нелинейных факторов, то величина и направление максимальных касательных напряжений также менялись. Следовательно, отсутствовали предпосылки для накопления дислокаций и образования сдвигов.
После первой разгрузки плита получала за счет необратимых пластических деформаций остаточный прогиб, равный 7і88о расстояния между поперечными балками, и происходит упрочнение стали в зонах пластический деформаций. При повторном загружении конструкция плиты работает упруго до нагрузки несколько более высокой, чем максимальная нагрузка первого этапа испытания. Характерно при этом, что линия нагружения второго этапа испытания образует более крутой участок гистерезисной петли, соответствующей циклу разгрузка-нагружение.
Качественно иную картину цикла "разгрузка-нагружение" наблюдаем при переходе от второго к третьему этапу испытания, когда остаточный прогиб плиты составляет уже /5оо пролета продольных ребер. В этом случае линия нагружения имела более пологое очертание, чем линия предшествующей разгрузки.
На основании изложенного можно заключить, что нелинейные факторы изменяют не только характер начального напряженного состояния, но и начальную схему и условия деформирования плиты. Можно ожидать при этом, что накопления существенных остаточных деформаций в ортотропной плите при повторных нагружениях одной и той же нагрузкой не будет, если предельный остаточный прогиб будет ограничен величиной порядка V2ooo пролета продольных ребер.
При соост = 1/3000 в максимальная величина фибровой деформации продольного ребра под площадкой испытательной нагрузки превосходила в 2,8 раза величину упругой части деформации и была на 18 % меньше теоретической.
