Совершенствование метода проверки выносливости гибких штыревых элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с учетом динамической нагруженности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Козак Николай Викторович

• Козак Николай Викторович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Козак Николай Викторович

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния и пути совершенствования конструктивно-технологических решений сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных и городских мостов

1.1. Обзор состояния и тенденции развития конструкций сталежелезобетонных пролетных строений мостов

1.2. Анализ и перспективы развития конструкций элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений в отечественной и зарубежной практике

1.3. Состояние требований действующих нормативных документов к расчетам по выносливости элементов узлов объединения сталежелезобетонных пролетных строений мостов

1.4. Обоснование месторасположения определяющих выносливость элементов объединения в эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений

1.5. Учет факторов, влияющих на выносливость элементов объединения конструкций сталежелезобетонных пролетных строений мостов

1.6. Выводы по главе

Глава 2. Теоретические основы совершенствования метода определения выносливости элементов объединения конструкций сталежелезобетонных пролетных строений

2.1. Углубленный комплексный сравнительный анализ применяемых в практике проектирования методик проверки выносливости элементов объединения

2.2. Обоснование теоретических основ применяемых методов для проверки выносливости элементов объединения конструкций сталежелезобетонных пролетных строений мостов

2.3. Синтезирование основ совершенствования метода и определение набора учитываемых факторов

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальное исследование режима динамической нагруженности элементов объединения конструкций сталежелезобетонных пролетных строений

3.1. Методика экспериментального исследования режима нагруженности элементов объединения на примере эксплуатируемого автодорожного моста через реку Вуокса

3.2. Результаты экспериментального исследования

3.3. Анализ достоверности метода моделирования работы элементов объединения с использованием данных натурного эксперимента

3.4. Сравнительный анализ величин накопленных повреждений элементов объединения от воздействия проектных и фактических транспортных нагрузок

3.5. Количественное и качественное определение параметров методики проверки выносливости элементов объединения по результатам анализа экспериментальных исследований

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Обоснование расчетных нагрузок для проверки выносливости конструкций гибких штыревых упоров

4.1. Основы метода определения расчетных нагрузок для проведения проверки выносливости

4.2. Разработка вероятностно-весовой модели транспортного потока для моделирования транспортной нагрузки

4.3. Обоснование расчетной нагрузки для выполнения проверки выносливости гибких штыревых упоров сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов

4.4. Разработка усовершенствованного алгоритма выполнения проверки выносливости гибких штыревых упоров сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов

4.5. Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Материалы к количественному анализу

Приложение Б. Свидетельство о регистрации программы «ТензоАнализ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода проверки выносливости гибких штыревых элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с учетом динамической нагруженности»

Введение

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших отличительных особенностей условий работы мостовых конструкций является нестационарный динамический характер их режима нагружения. В подобных режимах эксплуатации, включающих большое количество циклов изменения усилий и напряжений в элементах, значительная роль отводится определению выносливости элементов конструкций. Применительно к конструкциям сталежелезобетонных пролетных строений, получивших значительное распространение в настоящее время, одним из менее исследованных является вопрос выносливости элементов объединения стальных балок и железобетонной плиты. Как показывает многолетний опыт обследования эксплуатируемых мостовых сооружений, после 10-15 лет эксплуатации в конструкциях сталежелезобетонных пролётных строений появляются дефекты и повреждения (провисания, трещины в железобетонной плите и др.), свидетельствующие о снижении жесткости конструкций и транспортно-эксплуатационных характеристик эксплуатируемого объекта. Одной из главных причин снижения жёсткости является необеспеченность надежности работы элементов объединения конструкций сталежелезобетонных пролётных строений при воздействии временных подвижных нагрузок вследствие усталостных разрушений. В современных отечественных нормах при проектировании автодорожных и городских мостов расчет гибких штыревых элементов объединения на выносливость не производится. В то же время с учетом того, что элементы объединения даже при расчете конструкций в квазистатической постановке характеризуются наличием значительных циклических воздействий, нормативный отказ от проектной проверки выносливости элементов объединения автодорожных и городских мостов теоретически и экспериментально не обоснован.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время проверка выносливости гибких штыревых упоров по отечественным нормам СП 35.13330.2011 не регламентируется, как и в целом проверка выносливости элементов объединения автодорожных мостов. В зарубежных нормах проектирования и расчета сталежелезобетонных конструкций (Еврокод, AASHTO LRFD) подобные требования имеются и предложены соответствующие методики проверки выносливости. Используемые в отечественных и зарубежных нормах общие методики проверки выносливости значительно отличаются друг от друга. Ряд важных аспектов обеспечения работы конструкций элементов объединения сталежелезобетонных пролётных строений нашли отражение в научно-исследовательских работах, на которые даны ссылки в I главе диссертации. Это работы ученых и специалистов: Е.Е. Гибшмана [14], Н.Н. Стрелецкого [60], Н.И. Новожиловой [40], В.А. Быстрова [4; 7; 8], И.Ю. Белуцкого [2; 3], И.Г Овчинникова [38; 46], А.И. Васильева [10; 11], М.М. Корнеева [28; 29], Ф.С. Замалиева [18-20; 35],

А.В. Козлова [26; 27], Г.Н. Ростовых [48; 49], Р.Г. Слюттера и Дж. В. Фишера [91; 111; 113; 162], А С. Новака [139; 140], М.М. Педерсена [146], Р.П. Джонсона [123], Ф.М. Руссо [155], И. Вайаса [173], Ф.Н. Лейтао [129], Б. Ванга [174] и др. Однако вопросы проверки выносливости элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений остаются малоизученными. В целях совершенствования метода проверки выносливости конструкций элементов объединения в виде гибких штыревых упоров от воздействия нестационарного потока автодорожного транспорта с учетом фактической динамической нагруженности требуется проведение экспериментально-теоретических исследований на реальных объектах.

Цель работы заключается в экспериментально-теоретическом совершенствовании метода проверки выносливости гибких элементов конструкций объединения сталежелезобетонных пролетных строений (гибких штыревых упоров) автодорожных мостов на основе учета особенностей воздействия на элементы конструкций сталежелезобетонных пролетных строений фактических динамических нагрузок.

Область исследования соответствует паспорту научной специальности 2.1.8. Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей, пункту 6 «Совершенствование методов расчета конструкций, сооружений и их элементов: земляного полотна, пути, оснований, опор, дорожного и аэродромного покрытий, пролетных строений, защитных покрытий, тоннельной обделки, несущих, подпорных и ограждающих конструкций, средств организации движения, водопропускных труб, галерей и т.п., на статические и динамические воздействия природного и техногенного происхождения, включая расчеты напряженно-деформированного состояния и водно-теплового режима, грунтовых массивов, металлических, бетонных и железобетонных конструкций, гидравлического и ледового режимов акваторий мостовых переходов».

Объект исследования - сталежелезобетонные пролетные строения автодорожных мостов с элементами объединения железобетонной плиты с металлическими балками в виде гибких штыревых упоров.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние и выносливость гибких штыревых упоров элементов объединения балок и плит сталежелезобетонных пролетных строений при воздействии фактических динамических нагрузок автодорожных мостов.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ применяемых в настоящее время в отечественной и зарубежной практике проектирования способов объединения элементов сталежелезобетонных пролетных строений;

- проведено исследование существующих методов проверки выносливости и анализ факторов, влияющих на результаты проверки выносливости элементов объединения;

- выполнен комплексный сравнительный анализ (качественный и количественный) применяемых методик проверки выносливости элементов объединения на примере эксплуатируемых автодорожных мостов с учетом параметров нагруженности;

- разработано теоретическое обоснование модифицированного метода проверки выносливости на основе набора параметров (факторов), учитываемых в формуле проверки;

- разработана программа и проведен натурный эксперимент на эксплуатируемом автодорожном мосту (в два этапа - краткосрочный и долгосрочный) для определения фактических параметров динамической нагруженности элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений;

- выполнено конечно-элементное моделирование работы элементов объединения пролетных строений и определены зависимости между сдвигающими усилиями и напряжениями от воздействия подвижных нагрузок;

- проверена адекватность существующей инженерной методики моделирования работы элементов объединения в виде гибких штыревых упоров с использованием полученных экспериментальных данных;

- проведено количественное и качественное определение параметров усовершенствованного метода проверки выносливости элементов объединения на основе полученных экспериментальных данных нагруженности пролетного строения моста;

- обоснована расчетная подвижная нагрузка для выполнения проверки выносливости элементов объединения в виде гибких штыревых упоров сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Научная новизна:

1. Разработаны новые аналитические зависимости для определения коэффициентов усталостных и прочностных свойств элемента конструкции, что позволяет расширить область применения существующего метода проверки выносливости на элементы объединения сталежелезобетонных пролетных строений в виде гибких штыревых упоров;

2. Установлено наличие значительных динамических эффектов для сдвигающих сил, воздействующих на гибкие штыревые упоры в зонах вблизи деформационных швов, а также количественно определены величины фактических динамических коэффициентов к сдвигающим усилиям на элементы объединения;

3. Введен коэффициент, отражающий количество циклов изменения напряжений в гибких штыревых упорах за 1 проход транспортной нагрузки;

4. Разработана вероятностно-весовая модель нагрузки от транспортного потока, использование которой позволяет в динамике определять величину накопленного повреждения элемента объединения на основе фактических данных об интенсивности и составе движения.

Теоретическая значимость заключается в расширении области применения существующего метода проверки выносливости металлических элементов конструкций на элементы объединения сталежелезобетонных пролетных строений в виде гибких штыревых упоров.

Практическая значимость заключается в разработке способа повышения эксплуатационной надежности и долговечности конструкций сталежелезобетонных пролетных строений мостов за счет уточнения расчета элементов объединения путем проведения проверки их выносливости; в разработке инженерного алгоритма проведения проверки выносливости элементов объединения, позволяющего проводить расчет на основании фактических данных об интенсивности и составе движения; в разработке программы обработки и анализа экспериментальных данных «ТензоАнализ», позволяющей автоматизированно получать информацию о накоплении повреждений в контролируемых элементах (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2022613739).

Результаты экспериментальных исследований и теоретические положения, полученные при выполнении диссертационной работы, используются кафедрой автомобильных дорог, мостов и тоннелей ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Строительство уникальных зданий и сооружений».

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основами диссертационного исследования послужили современные положения теорий усталости и выносливости металлов и теории расчетов сталежелезобетонных конструкций мостов. Для разработки усовершенствованного метода проверки выносливости проведен анализ теоретических основ ряда существующих методов проверки выносливости, результаты которого в сочетании с основами теории усталости металлов легли в основу синтеза нового метода проверки. Для уточнения параметров метода проверки подготовлены и проведены по разработанной программе натурные эксперименты. При обработке экспериментальных данных использованы методы статистической обработки данных (классический «метод дождя»). Теоретическое напряженно-деформированное состояние объекта исследования моделировалось численно с использованием метода конечных элементов, реализованного в лицензионных программных комплексах SOFiSTiK и ANSYS. При моделировании процессов накопления усталостных повреждений использована классическая теория линейного суммирования усталостных повреждений (гипотеза Пальмгрена-Майнера).

Положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованный метод, позволяющий производить проверку выносливости элементов объединения (гибких упоров) конструкций сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов;

2. Полученный экспериментально коэффициент расчетных циклов напряжений от расчетных нагрузок

3. Полученные экспериментально величины динамических коэффициентов для усилий, возникающих в элементах объединения в зонах вблизи деформационных швов.

4. Методика назначения повышенного динамического коэффициента (1+,«)т для

сдвигающих усилий, возникающих в элементах объединения в зонах вблизи деформационных швов;

5. Вероятностно-весовая модель нагрузки от транспортного потока на основании данных о фактическом весовом составе потока проходящего транспорта;

6. Обоснование возможности применения современной проектной нагрузки А14 для проверки выносливости гибких штыревых упоров;

7. Алгоритм применения усовершенствованного метода проверки выносливости элементов объединения, включающий в себя возможность проведения уточненных расчетов с использованием данных вероятностно-весовой модели транспортного потока.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведённых в диссертации, обоснована достаточным объёмом теоретических, численных и натурных экспериментальных исследований, выполненных в ходе исследования работы рассматриваемых конструкций. При проведении теоретических исследований использовались определяющие уравнения теории усталости металлов и теории расчета сталежелезобетонных конструкций в мостостроении, которые приняты в современных стандартах и сводах правил. Численные расчёты выполнены с помощью сертифицированных программных комплексов SOFiSTiK и ANSYS, основой которых является метод конечных элементов. При проведении экспериментальных исследований использовались современные методы и приборы и оборудование, позволяющие провести натурные измерения с допустимой степенью погрешности.

Апробация работы. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

1. Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и долговечность объектов транспортной инфраструктуры» (СПбГАСУ) в 2019 году;

2. Международной научно-практической конференции «В1М-моделирование в задачах строительства и архитектуры» (СПбГАСУ) в 2021 году;

3. Международной научно-технической конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация мостов, тоннелей и метрополитенов» (РУТ МИИТ) в 2021 году;

4. Научной встрече «Tomorrow Needs Engineering» в Университете Минью (Гимарайнш, Португалия) в 2021 году;

5. Международной научно-технической конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация мостов, тоннелей и метрополитенов» (РУТ МИИТ) в 2022 году;

6. Симпозиуме IABSE Prague (Прага, Республика Чехия) в 2022 году;

7. Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и долговечность объектов транспортной инфраструктуры» (СПбГАСУ) в 2022 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, из которых 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ, 2 - в сборниках конференций, индексируемых в Scopus. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

1. Быстров В.А. Проблемы обоснования режимов фактической динамической нагруженности и ресурса долговечности конструкций сталежелезобетонных автодорожных и городских мостов / В.А. Быстров, Н.В. Козак, Д.А. Ярошутин // Интернет-журнал «Транспортные сооружения». - 2019. - Т. 6. - № 4. - DOI: 10.15862/06SATS419. - EDN: GBIJSS.

2. Козак Н.В. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных норм проектирования в области расчетов элементов на выносливость / Н.В. Козак // Инновации и долговечность объектов транспортной инфраструктуры (материалы, конструкции, технологии) : материалы научно-практической конференции. Под редакцией М. П. Клековкиной. / СПбГАСУ. - СПб, 2019. - С. 92-97. - EDN: EYBIYT.

3. Козак Н.В. Особенности формирования расчетных загружений и оценки выносливости элементов мостовых сооружений по принятым методикам некоторых стран / Н.В. Козак, В.А. Быстров // Строительство: новые технологии - новое оборудование. - 2019. - № 12. -С. 8-14. - EDN: FFLXPR.

4. Козак Н.В. Моделирование и анализ работы неразрезных балок мостов под действием нестационарных нагрузок / Н.В. Козак // Новые информационные технологии в исследовании сложных структур : материалы Тринадцатой Международной конференции, 07-09 сентября 2020 года. - Томск, 2020. - С. 33-34. - EDN: BQFTHT.

5. Kozak N.V. Modeling of live load influence in analysis of bridge structures endurance / N.V. Kozak // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - № 832. - DOI: 10.1088/1757-899X/832/1/012025.

6. Козак Н.В. Комплексный анализ существующих методик проверки выносливости гибких штыревых упоров сталежелезобетонных автодорожных мостов по нормативам ряда стран

/ Н.В. Козак // Интернет-журнал «Транспортные сооружения». - 2021. - Т. 8. - № 2. - DOI: 10.15862/10SATS221. - EDN: MRLPEF.

7. Козак Н.В. Сравнительный анализ КЭ моделей и оптимизация построения поверхностей влияния для элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений с использованием SOFiSTiK и Python / Н.В. Козак // BIM-моделирование в задачах строительства и архитектуры: материалы IV Международной научно-практической конференции 21-23 апреля 2021 г. / СПбГАСУ. - СПб, 2021. - С. 148-156. - DOI: 10.23968/BIMAC.2021.019. - EDN: QJLRXF.

8. Козак Н.В. Экспериментальное исследование режима работы гибких штыревых упоров сталежелезобетонного пролётного строения существующего автодорожного моста / Н.В. Козак // Интернет-журнал «Транспортные сооружения». - 2022. - Т. 9. - № 1. - DOI: 10.15862/07SATS122. - EDN: CLALTW.

9. Improving of fatigue assessment method of stud shear connectors using experimental data from studs' test of existing road bridge / N. Kozak [et al.] // Proceedings of IABSE Symposium Prague 2022: Challenges for Existing and Oncoming Structures. - Prague: IABSE, 2022. - P. 224-234. - DOI: 10.2749/prague.2022.0224.

10. Козак Н.В. Программа обработки результатов тензомониторинга «ТензоАнализ». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2022613739, дата регистрации 07.06.2021.

Внедрение результатов. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «СПбГАСУ» при изучении дисциплин «Проектирование мостов» и «Основы надежности постоянных мостов».

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах диссертационного исследования, включая постановку задачи и выбор способов их решения, а именно: в проведении анализа материалов по теме исследования; в проведении качественного и количественного анализа существующих методик проверки выносливости, включая процесс анализа конечно-элементных моделей; в разработке усовершенствованного метода проверки выносливости; в подготовке программы натурных экспериментов; в подготовке измерительного оборудования и его установке на объект эксперимента; в проведении натурного эксперимента; в обработке экспериментальных данных, включая разработку программы пакетной обработки данных для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит их введения, четырех глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 129 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 28 таблиц, 66 рисунков, библиографический список из 1 82 источников, 2 приложения.

Глава 1. Анализ современного состояния и пути совершенствования конструктивно-технологических решений сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных и городских мостов

1.1. Обзор состояния и тенденции развития конструкций сталежелезобетонных пролетных

строений мостов

Сталежелезобетонные пролетные строения являются закономерным итогом развития и последующего сближения парадигм проектирования двух основных типов пролетных строений мостов - стальных и железобетонных. История возникновения сталежелезобетонных (в зарубежных источниках - «композитных») конструкций в современном прочтении этого термина уходит в XIX век. В работе [147] был проведен исторический анализ и предложены следующие этапы развития сталежелезобетонные конструкций:

1. Начальный этап (вторая половина XIX века), характеризующийся первыми попытками совмещения двух материалов в конструкциях перекрытий гражданских зданий.

2. Этап определения (первая четверть XX века), в период которого было начато формирование расчетно-аналитической базы для проектирования составных конструкций.

3. Этап разработки (вторая четверть XX века), характеризующийся активными исследованиями обеспечения совместной работы конструкции и первыми попытками использовать расчетно-аналитически обоснованные составные решения в конструкциях объектов транспортной инфраструктуры.

4. Классический этап (третья четверть XX века), связываемый с началом широкого использования расчетно-аналитически обоснованных сталежелезобетонных конструкций в практике.

Строительство первых мостов со сталежелезобетонными пролетными строениями датируется началом XX века. По мере разработки решений по объединению конструкций, начинают появляться примеры усиления существующих конструкций мостов путем устройства узлов объединения металлических и железобетонных частей. В 1944 году сталежелезобетонные мосты были впервые стандартизированы в национальных нормах США (AASHTO).

В СССР начало применения сталежелезобетонных конструкций в мостах датируется 1944 годом, когда Проектстальконструкциией под руководством инженера Г.Д. Попова была разработана серия проектов сталежелезобетонных пролётных строений. К периоду конца 1940-х-1950-х годам относят начало широкого распространения сталежелезобетонных пролетных строений в Европе и СССР. Проектами подобных конструкций занимаются Лентрансмостпроект, ЦНИИ ПСК, Трансмостпроект, Киевский филиал Союздорпроекта. Первая систематизация

накопленного отечественного опыта была проведена Е.Е. Гибшманом в работе [14]; несколько позже актуальным вопросам проектирования и строительства сталежелезобетонных конструкций были посвящены труды Н.Н. Стрелецкого [60], В.А. Быстрова [7].

Текущим мировым тенденциям и истории развитии конструкций СТЖБ ПС посвящены работы [115; 122; 125; 131-133; 144; 151; 170; 172; 173; 178], с акцентом на отечественную практику - работы [28; 47; 64]. Из указанных работ необходимо отдельно выделить труд М.М. Корнеева [28], проведшего глубокий анализ и сформировавшего наиболее часто используемую на сегодняшний день систему классификации конструктивных решений.

Несмотря на общее многообразие применяемых решений, можно выделить некоторые тренды данного периода:

1. Оптимизация поперечных сечений балок. Если в 1950-е годы были распространены стальные балки с равными поясами и неизменными по длине [14; 59; 147], то в дальнейшем наблюдается переход к решениям с изменяющимися параметрами элементов как стальной части, так и бетонной части [7; 28; 47; 64; 172; 173].

2. Оптимизация решений надопорных участков конструкций. На заре своего развития сталежелезобетонные изгибаемые конструкции рассматривались в первую очередь для разрезных систем, где бетон работает только в сжатой зоне [59; 147]. С необходимостью распространить данные решения на более эффективные неразрезные системы определилась проблема совершенствования конструкции элемента в зоне действия отрицательных моментов (над промежуточными опорами). Были найдены и введены в практику различные пути решения данной задачи, такие как регулирование внутренних усилий, преднапряжение бетона надопорных участков [60; 74; 102; 108]. Исследования [71; 77] посвящены поиску возможных решений по обеспечению совместной работы промежуточных опор и пролетных строений (т.е. применению рамных схем).

3. Поиск оптимального конструктивного решения плиты проезжей части. Использование сборных элементов для плиты проезжей части отмечалось уже с 1950-х годов, при этом большое развитие данная концепция получила в СССР ввиду значительной индустриализации производства [7; 14; 60]. К концу века данная технология стала использоваться в практике значительно реже ввиду выявленных проблем при эксплуатации, но тем не менее, в настоящее время существует тенденция к реинкарнации технологий сборных плит индивидуального проектирования [65; 84; 152; 172].

4. Усложнение конструкций пролетных строений с уменьшением числа главных несущих элементов. Если в середине XX века проекты преимущественно выполнялись по схеме многобалочных конструкций, в которых плита работала в поперечном направлении без вспомогательных элементов [128; 147], то впоследствии получили распространение схемы с

малым числом главных балок (двухбалочные, одноконтурные коробчатые) и вспомогательными продольными и поперечными элементами [28; 83; 123; 165; 172]. Определенное распространение получила также и технология поперечного предварительного напряжения плиты проезжей части [83].

5. Поиск оптимальных конструктивно-технологических решений по обеспечению совместности работы металлических балок и железобетонной плиты, а также исследования оптимальных значений численных параметров совместности работы (податливости элементов объединения). С одной стороны, в процессе развития конструкций восприятие роли элементов объединения существенно изменилось; если на заре развития данные элементы рассматривались просто как связывающие конструктивные узлы [147], то в данный момент характеристики элементов объединения существенного влияют на используемую расчетную модель конструкции в целом [7; 14; 15]. С другой стороны, происходит процесс поиска наиболее оптимальных конструктивных решений с экономической, технологической и надежностных точек зрения [88; 104; 158]. Подробно вопросы совершенствования работы элементов объединения СТЖБ ПС проанализированы в следующем разделе.

1.2. Анализ и перспективы развития конструкций элементов объединения сталежелезобетонных пролетных строений в отечественной и зарубежной практике

Одной из характерных особенностей сталежелезобетонных конструкций является наличие в составе главной несущей конструкции деталей, соединяющих металлическую и железобетонную части - элементов объединения. Посредством элемента объединения за счет передачи сдвигающих и отрывающих усилий в конструкции обеспечивается напряженно-деформированное состояние, близкое к соответствующему состоянию цельного элемента. Существующие способы объединения могут быть дифференцированы между собой по критерию конструктивного решения. Основываясь на проведённых ранее исследованиях [23; 26; 28; 31; 32], рационально выделить следующие варианты устройства объединения (Рисунок 1.1 ):

а) Объединение путем повышения трения и сцепления по контактной поверхности (использование клеевого соединения, обжима болтами и др.);

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козак Николай Викторович, 2023 год

-— -

/

Область

статического

максимума

о 1

к

2 1

О

и 1

I -1

И -& -2

% -3

~ -4

-5

4 6

Время (секунд)

10

— Экспериментальные данные

— КЭ-моделнрованне

Область

статического

максимума

8 10 12 Время (секунд)

14

16

18

20

Рисунок 3.21 - Осциллограммы нормальных напряжений с1 (МПа) в контрольной точке №1 упора №1: а) при проезде экспериментальной нагрузки у левого ограждения с V = 20,8км/ч; б) при проезде экспериментальной нагрузки по оси моста с V = 14,6км/

Использованная конечно-элементная модель макроуровня (модель пролетного строения) дополнительно была верифицирована с использованием экспериментальных осциллограмм нормальных напряжений в нижнем поясе главных балок в сечении в 0,4 длины расчетного пролета £1-2; по данным величинам соответствие значений по максимуму статической компоненты составило 98% - 103% (Рисунок 3.22).

В ходе анализа осциллограмм напряжений ох (Рисунок 3.21) были отмечены расхождения

в характере фактической и расчетной осциллограмм вне области статистического максимума, что может быть объяснено двумя факторами:

1. Недостаточная степень учета упругопластических свойств всех задействованных элементов пролетного строения;

2. Изменчивость скорости транспортного средства вне зоны контроля скорости.

В тоже время, данные расхождения принципиально не оказывают влияния на характеристики цикла загружения (величины размаха напряжений, максимальных и минимальных напряжений), и, таким образом, могут не учитываться при решении задач проверки выносливости.

а)

б)

20

18

Г-" пз 16

с § 14

12

ь 10 8

§

I

1> 6

те 4

& 2

аз X 0

-2

-4

| тто лт Област

ЛСИч1 рШМVII1 шхлпохV да 1ШШ ь

------КЭ-моделирование статического

максимума

10

Время (секунд)

20 18 3 16 £ 14

е-12.

2 ю

I & б

4

2

0

-2

-4

т

к

Рч

с

л X

Экспериментальные данные ■ КЭ-моделирование

Область

статического

максимума

тД^к

_ , -

8 10 12 Время (секунд)

14

16

18

20

Рисунок 3.22 - Осциллограммы нормальных напряжений с (МПа) в нижнем поясе балки В2 а) при проезде экспериментальной нагрузки у левого ограждения с V = 20,8км/ч; б) при проезде экспериментальной нагрузки по оси моста с V =14,6км/ч

Анализ возможности использования балочных расчётных моделей ПС при проверке выносливости упоров. Приведенные выше расчетные осциллограммы были получены с использованием плитно-балочной расчетной модели с упругими связями межу плитой и стальными балками; в тоже время, в существующих рекомендациях по определению расчётных усилий на элементы объединения большее распространение получил метод определения сдвигающих усилий через величину поперечной силы, действующей на балку с приведенным сечением [69; 83; 99]. На этапе построения расчетной модели (см. раздел 3.2) были проанализированы 3 типа моделей пролетных строений:

- плоская балочная (далее - модель 1);

- пространственная балочная (далее - модель 2);

- пространственная плитно-балочная с упругими связями (далее - модель 3).

На Рисунке 3.23 приведены полученные с использованием данных моделей осциллограммы сдвигающих сил на группу упоров. Как видно, в целом применение пространственных моделей дает близкий результат (отклонения не более 5%).

Модель 1

20 10 0 -10

О

Модель 2

-и Модель 3

я! Ьгссз

Экспери ментальные данные

Модель 1 Модель 2 Модель 3

Экспериментальные данные

2 4 6 8 10 12 14

Рисунок 3.23 - Осциллограммы сдвигающих сил на группу упоров полученные при использовании плоской балочной модели (Модель 1), пространственной балочной модели (Модель 2) и пространственной плитно-балочной с упругими связями (Модель 3).

С учетом общей трудозатратности построения и анализа пространственной плитно-балочной модели (некоторые характеристики отдельных расчетов справочно приведены в Таблице 3.6) при выполнении инженерных задач в условиях ограниченности в вычислительных ресурсах рациональным является использование именно балочной модели с нахождением величин поперечных сил и последующим их пересчетом в сдвигающие усилия по элементарной формуле (3.5)

Т = О^/п, (3.5)

где Т - сдвигающее усилие на 1 упор;

Q - поперечная сила в рассматриваемом сечении; £ - статический момент сечения железобетонной плиты; I" - момент инерции приведенного сечения; п - кол-во упоров на 1 погонный метр шва объединения.

Таблица 3.6 - Некоторые характеристики расчетов моделей разного типа

Модель 1 2 3

Число неизвестных в системе уравнений 1451 122690 404654

Время расчета, сек. 10 2689 6358

Отклонение от стат. экс. данных ^ = 1,7с) +70% -7% -5%

3.4. Сравнительный анализ величин накопленных повреждений элементов объединения от воздействия проектных и фактических транспортных нагрузок.

В главе 2 определены величины накопленных повреждений в элементах объединения рассмотренного объекта от проектных нагрузок. В Таблице 3.7. приведены количественные значения величины накоплений повреждений за 1 сутки для рассмотренных расчетных нагрузок проектной интенсивности (проект = 540 ед/сут) и фактической зафиксированной на мосту (Лфакт ~ 300 тяжелых т/с в сут), а также величина накопления повреждений, полученная фактически в ходе эксперимента. Для перерасчета повреждений с проектной на фактическую интенсивности и обратно использовалась формула (3.6). Нагрузки, используемые в методах с кривой усталости II типа (по нормам США), в данном случае не рассматривались.

N

факт

факт проект

D^ = D_____—^. (3.6)

N

проект

Таблица 3.7 - Величины накопления повреждений за сутки, х10-6

Нагрузка Кривая усталости (Рисунок 2.2) Повреждения при проектной интенсивности (ед./сут.) Повреждения при фактической интенсивности (ед./сут.)

Фактический трафик (среднее значение) I тип 5,22 3,60

Фактический трафик (макс. значение, 99%) 11,16 8,00

1 - А14 (СП) 8,36 4,65

2 - FLM3 (EN) 15,35 8,53

3 - А15 (ДБН) 0,13 0,07

5 - Test 50т 0,52 0,29

Как видно по результатам сравнения, фактические величины накопления характеризуются одним порядком с величинами от проектных нагрузок по СП и БК и значительно выше, чем получаемые от нагрузки по ДБН. Кроме того, необходимо отметить и значимую разницу в повреждениях от фактической нагрузки и рассмотренной ранее условной нагрузки в виде 50-тонного автопоезда, что, вероятнее всего, свидетельствует о прохождении по дороге в отдельных случаях значительно более тяжело транспорта.

3.5. Количественное и качественное определение параметров методики проверки выносливости элементов объединения по результатам анализа экспериментальных

исследований

Определение величины фактического динамического коэффициента. Анализ экспериментальных данных во второй фазе эксперимента показал наличие значимых динамических эффектов при проезде каждой тяжелой транспортной нагрузки (1+^) = 1,10 - 1,60 (величины получены в первом приближении по результатам автоматизированной обработки массивов данных тензометрии).

Основываясь на данных первой «активной» фазы эксперимента (Таблица 3.3), было определено что фактический динамический коэффициент для сдвигающих усилий на контролируемые упоры находится в диапазоне (1 + ¡и) = 1,05 - 1,35 и зависит от скорости прохождения нагрузки (Рисунок 3.24), при этом общий характер зависимости согласуется с проведенными ранее исследованиями [40]. С учетом статистических отклонений c вероятностью 99% (+3о) максимальные динамические коэффициенты не превысили бы (1 + ¡и) = 1,46.

1.50 1.45 1.40

d 135 I 1.30

1 1.25

л. 1.20

- 1.15

1.10

1.05

1.00

10

Рисунок 3.24 - Зависимость между фактическим динамическим коэффициентом сдвигающих усилий

и скоростью транспорта

Полученные данные свидетельствуют о статистической регулярности повышения величины сдвигающих усилий на элементы объединения. С учетом того, что в отечественных нормах для проверки выносливости элементов объединения для тележки АК предлагается использовать коэффициент (1 + 2/3 ¡) = 1,27 (при стандартном (1 + ¡и) = 1,40), представляется не целесообразным в расчетных моделях использовать пониженные коэффициенты. Повышенные динамические коэффициенты (1 + 2/3¡) = 1,67 (при стандартном (1 + ¡) = 2,00) по отечественным нормам применяются только для конструкций деформационных швов. В то же время, в

20 30 40 50 60

Скорость, км/ч

европейских стандартах проектирования [92] предлагается использовать повышенный динамический коэффициент не только для непосредственно деформационных швов, но и для всех элементов конструкций в данной области. Опираясь на вышеизложенное, по результатам исследования предлагается применять повышенные расчетные динамические коэффициенты и в отечественных нормах проектирования (Рисунок 3.25, формула (3.7)):

1,4

1,2

1,67 1+2/3/1 [(1-/()=2,00] (1 + = 1,67 ■ (1--— )>126 24,44

1,3 1,26 1-2/3,и [(1+^=1,40]

' '

-- 1

-АфГаЦЕИ) -(1+2/Зц) (Сущ. СП) -(1+2/Зц) (Пред. СП)

м

Рисунок 3.25 - Зависимость динамического коэффициента в зависимости от расстояния от проверяемой

конструкции до деформационного шва

(1 + #) = 1,67 • (1 --

В

-) ^ 1,26,

(3.7)

24,44

где В - расстояние от проверяемой конструкции до деформационного шва (в метрах).

Определение коэффициента количества циклов нагружения (^ъ) за один проход нагрузки. Полученные в результате непрерывной записи данные о напряжениях в гибких штыревых упорах позволяют проанализировать фактический режим их работы. На суточных диаграммах (Рисунки 3.17, 3.18) отчетливо видны всплески напряжений в момент проезда тяжелых нагрузок (тягачей с полуприцепами, одиночных грузовиков, автобусов), легкие же нагрузки практически не оставляют следов.

В Таблице 3.8 приведены результаты анализа спектрограмм по количеству циклов загружений по следующим категориям:

1) Циклы с размахом сдвигающих сил более 5 кН - тяжелые транспортные средства массой от 18 тонн (в том числе двухосные т/с).

2) Циклы с размахом более 10 кН - тяжелые транспортные средства массой от 36 тонн (груженные автопоезда с полуприцепами).

Таблица 3.8 - Количество циклов загружений по категориям размахов

Категория Кол-во в день, ед. Среднее значение Станд. откл.

1 2 3 4 5

1 - >5кН 358 321 356 317 307 332 21

2 ->10кН 94 115 143 115 84 110 20

С помощью статистического анализа экспериментальных данных было выявлено, что за сутки происходит в среднем 332 цикла колебаний с размахом более 5 кН. Данные величины очень близки к фактической интенсивности движения тяжелых нагрузок за сутки Л^акт.общ = 329 ед/сут (Таблица 3.2). Таким образом, фактический коэффициент количества циклов нагружения за один проход нагрузки по результатам эксперимента определяется как #ьэкс = 1,009.

Необходимо отметить, что количество циклов загружений от тяжелых т/с массой более 36 тонн значительно меньше фактической интенсивности автопоездов, что может быть объяснено тем, что значительная часть автопоездов проходило по мосту незагруженной.

С учетом приведенного выше экспериментально подтверждено, что при определении выносливости гибких штыревых упоров величину коэффициента количества циклов нагружения за один проход нагрузки можно принимать равной единице (#ь = 1).

3.6. Выводы по главе 3

1. Разработана программа и проведен натурный эксперимент на существующем эксплуатируемом автодорожном мосту с СТЖБ ПС на а/д А-181 через реку Вуокса, включающий в себя 2 этапа: активный (краткосрочный, с известной нагрузкой) и пассивный (долгосрочный, нагрузка от транспортного потока);

2. С использованием инструментов конечно-элементного моделирования проанализирована работа гибких штыревых упоров при сдвиге железобетонной плиты СТЖБ ПС и получены численные зависимости между сдвигом плиты и величинами напряжений (относительных деформаций) в контрольных точках на поверхности гибких штыревых упоров;

3. Подтверждена адекватность существующих методов моделирования работы элементов объединения путем сопоставления экспериментальных осциллограмм напряжений в исследуемых упорах, полученных в рамках первого этапа эксперимента, и теоретических осциллограмм напряжений, полученных путем моделирования проезда нагрузки по конечно-элементной модели СТЖБ ПС;

4. По результатам обработки экспериментальных осциллограмм напряжений первого этапа эксперимента выявлено наличие значительных динамических эффектов даже в случае

движения испытательной нагрузки по ровной поверхности проезжей части, что свидетельствует о целесообразности использовании повышенного динамического коэффициента (1 + и) при проектировании элементов объединения СТЖБ ПС в зонах вблизи деформационного шва;

5. Предложена количественная модель назначения динамического коэффициента (1 + ¡¡)т к сдвигающим усилиям при проектировании элементов объединения СТЖБ ПС;

6. Для автоматизации обработки большого объема экспериментальных данных разработана программа «ТензоАнализ», позволяющая в пакетном режиме обрабатывать данные и получать информацию о накоплении повреждений в контролируемых элементах;

7. По результатам сопоставления фактической интенсивности движения и полученных экспериментально спектров напряжений определено, что один проезд нагрузки по мосту соответствует одному циклу нагруженности элемента объединения = 1);

8. Проведено сопоставление расчетных и фактических величин накопления повреждений в контролируемых элементах объединения. Установлено, что фактические величины накопления повреждений характеризуются одним порядком с величинами от проектных нагрузок по СП и Е^ при этом отмечена значимая разницу в повреждениях от фактической нагрузки и рассмотренной условной нагрузки в виде 50-тонного автопоезда, что свидетельствует о регулярном присутствии в транспортном потоке значительно более тяжелого транспорта.

Глава 4. Обоснование расчетных нагрузок для проверки выносливости

Для выполнения проверки выносливости гибких штыревых упоров элементов объединения (ЭО) СТЖБ ПС кроме непосредственного использования разработанного в предыдущих главах усовершенствованного метода проверки, также необходимо определить расчетную временную нагрузку, и, таким образом, сформулировать завершённый алгоритм проведения проверки выносливости по усовершенствованному методу. Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

1. Выбор и обоснование теоретической основы (метод) определения расчетных нагрузок;

2. Разработка вероятностно-весовой модели транспортного потока на основе данных о фактическом весовом составе движения;

3. Подбор расчетной нагрузки;

4. Разработка алгоритма проведения проверки выносливости ЭО на основе усовершенствованного метода с учетом полученных результатов всех этапов текущего исследования.

4.1. Основы метода определения расчетных нагрузок для проведения проверки

выносливости

В настоящее время в основе определения расчетных нагрузок используются принципы теории надёжности конструкций, и, в частности, принципы определения эквивалентных нагрузок по критерию минимального индекса надежности конструкций [86; 101; 118].

В наиболее общем случае, для проверок конструкции на прочность, условие прочности /1 может быть определено как (4.1), тогда ее переменные Храсч и Хпред могут быть описаны как функции от ряда параметров (4.2, 4.3) со своими законами распределения вероятности (расшифровка параметров приведена в Таблице 4.1). Графическая интерпретация определения условия прочности /1 приведена на Рисунке 4.1 а.

Так как в случае проверки конструкции на прочность рассматриваются наихудшие условия работы конструкций из всего спектра возможных, то для учета вероятных отклонений

конструкций гибких штыревых упоров

(4.1)

(4.2)

(4.3)

величин параметров переменных от средних ожидаемых значений используются коэффициенты надежности, для переменной Хпред — понижающие, для -Храсч — повышающие (Рисунок 4.1 б).

Индекс надежности

Рисунок 4.1 - Графическая интерпретация определения условия прочности: а) в вероятностной форме, б) с использованием математических ожиданий параметров и коэффициентов надежности

В случае проверки конструкций на выносливость условие выносливости /2 может быть представлено в виде формулы (4.4) (см. раздел 1.4), в которой расчетная переменная .Орасч зависима от множества параметров условий загружения, свойств материалов и т.п. (формула (4.5)). Подробная расшифровка используемых параметров приведена в Таблице 4.1. Предельная переменная ^пред (критерий усталостного разрушения конструкции) в общем случае может быть задана в вероятностной форме, однако при использовании классической гипотезы линейного накопления повреждений допускается принимать ^пред = 1. Графическая интерпретация определения условия выносливости /2 приведена на Рисунке 4.2 а.

/2 = Апред - Арасч > 0 , (4.4)

ЯраСч = / (Р , N , М.) . (4.5)

В генеральной совокупности всех загружений за рассматриваемый период характерным выступает математическое ожидание условий работы, т.е. условия работы со средневзвешенными значениями параметров переменных. Величина ^расч в таком случае может быть определена через математическое ожидание (формула 4.6) по всем входящим перемененным (Р1, Р2, Рз, Р4, N1, М1, М2).

М[X] = ХX ■ р(х.) . (4.6)

Таким образом, статистические распределения величин параметров переменных могут быть непосредственно заменены на величины математических ожиданий этих параметров переменных (Рисунок 4.2 б)

Таблица 4.1 - Переменные, используемые условиях прочности и выносливости

Переменная Объект характеристики переменной Проверка на прочность Проверка на выносливость

Наихудшие условия Характерные условия

Р, Р1 Схема нагрузки Наименее выгодные схемы и величины (с учетом Схемы и величины, соответствующие мат. ожиданию (средневзвешенные)

Р2 Вес нагрузки

Р3 Поперечное расположение нагрузки

Р 4 Динамическое воздействие нагрузки (1+и) тах (1+^)средневзв.

N N1 Число циклов загружений Не имеет значения Согласно проектному числу циклов загружения

М, М1 Предел прочности материала Наименьшее ожидаемое значение (с учетом ут) Схемы и величины, соответствующие мат. ожиданию (средневзвешенные)

М2 Предел выносливости элемента (или материала) Не имеет значения

О, Опред Условие усталостного разрушения Не имеет значения Опред 1

Рисунок 4.2 - Графическая интерпретация определения условия выносливости: а) в вероятностной форме, б) с использованием математических ожиданий переменных

Для решения задачи определения расчетной нагрузки необходимо подобрать такую нагрузку ЬМ, которая будет эквивалентна (близка, но не более чем) фактической нагрузке в виде транспортного потока по критерию ожидаемых повреждений Орасч, при этом величина

ожидаемых повреждений Д^™'-1 будет меньше предельного значения Опред (формула 4.7, Рисунок

расч

4.3) [118; 139; 140; 180].

|Д(ЭКВ.) (ш) < Д(М)

I расч V / расч

|Д(ЭКВ.) (Ш) < д =1 .

расч V / пред

(4.7)

/ Г) (¡кв.) ^расч

/ /

П|М1 1 Ъ = 1п

^расч / -^пред 1 и

Рисунок 4.3 - Графическая интерпретация к задаче определения расчетной нагрузки

4.2. Разработка вероятностно-весовой модели транспортного потока для моделирования транспортной нагрузки

Для создания модели транспортного потока, учитывающей вес транспортных средств и вероятность их прохождения, был выполнен анализ открытых источников, по результатам которого были отмечены характерные диаграммы распределения для ряда стран Европейского союза (Рисунок 4.4 а) [181] и Великобритании (Рисунок 4.4 б) [136].

а) —^ V- б)

Рисунок 4.4 - Вероятностно-весовые гистограммы транспортных потоков по проведенным ранее исследованиям для ряда стран ЕС (а, источник: [181]) и Великобритании (б, источник [136])

Для создания модели транспортного потока на отечественных дорогах (а именно на а/д А-181) были использованы официальные данные по интенсивности движения [21]. Ввиду того, что данные по интенсивности движения не включали в себя детальную разбивку проходящих транспортных средств по их весу, для дальнейшего построения вероятностно-весовой модели были использованы в том числе и общие законы распределения из рассмотренных ранее зарубежных моделей [134]. Совмещенные вероятностно-весовые гистограммы для указанных стран и регионов приведены на Рисунке 4.5.

30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

12017 Великобритания (ОЪгеш и др., 2020)

2012 28 стран ЕС (БаЬ^Ъе^, 2014)

2022 РФ, а/д А-181 (н.п. Лесогорский) (по данным ФКУ Упрдор "Северо-Запад")

Рисунок 4.5 - Совмещенные вероятностно-весовые гистограммы для ряда стран и регионов

На основании полученных данных была разработана расчетная модель нагрузки от транспортного потока (Рисунок 4.6).

х ы

н)

нт с) р т(

оп в

нсп ств ан д

с е В

74 64 54 44 40 34 24 14

0% 10% 20% 30% 40%

Плотность вероятности р(х)

Рисунок 4.6 - Вероятностно-весовая диаграмма разработанной модели нагрузки от транспортного потока на автомобильной дороге А-181 вблизи н.п. Лесогорский

Для определения расчетных усилий в конструкции были созданы модели нагрузок полной массой от 14 т (пустой автопоезд) до 74 т (автопоезд с значительным перегрузом). Принятая схема расчетного автопоезда приведена на Рисунке 4.7, а на Рисунке 4.8 приведены диаграммы изменения осевых нагрузок в зависимости от общей массы транспортного средства.

Рисунок 4.7 - Схема расчетного автопоезда

^ 200 3

£ 150 &

л

* 100

«

<и

8 50

-1-я ось -2-я ось - 3.. .5 оси

0 20 40 60 80

Полная масса транспортного средства, т

Рисунок 4.8. Диаграммы изменения осевых нагрузок в зависимости от общей массы транспортного средства.

Данные модели использованы для загружения поверхностей влияния элементов объединения пяти различных СТЖБ ПС, ранее приведенных в разделе 2.2 настоящего исследования. По приведенному ранее алгоритму для каждой нагрузки были определены основные параметры режима нагружения (максимальные и минимальные напряжения, коэффициент асимметрии и размахи напряжений).

Динамический коэффициент к модели транспортного потока был принят в вероятностной модели, основываясь на результатах ранее выполненных исследований [42; 70; 75; 87; 120] и на экспериментальных данных, полученных в текущем исследовании (раздел 3.7). Параметры используемого динамического коэффициента (диаграммы вероятности и плотности вероятности) приведены на Рисунке 4.9.

100% 80%

^ 60%

йн

40% 20% 0%

2.35 2.05 ь 1.75 1.45 1.15

1.00

1.50 2.00 (1+А)

2.50

0% 10% 20% 30% 40%

р(х)

Рисунок 4.9 - Диаграммы вероятности (слева) и гистограмма плотности вероятности (справа) принятой модели динамического коэффициента

0

Далее была сформирована итоговая матрица условий загружения (Таблица 4.2).

Таблица 4.2 - Итоговая матрица условий загружения

р(х) Вес ТС (тс)

14 24 34 40 44 54 64 74

4.3% 33.5% 31.0% 21.0% 8.0% 1.5% 0.5% 0.3%

1.15 15% 0.64% 5.03% 4.65% 3.15% 1.20% 0.23% 0.08% 0.04%

1.45 30% 1.28% 10.05% 9.30% 6.30% 2.40% 0.45% 0.15% 0.08%

1.75 30% 1.28% 10.05% 9.30% 6.30% 2.40% 0.45% 0.15% 0.08%

2.05 20% 0.85% 6.70% 6.20% 4.20% 1.60% 0.30% 0.10% 0.05%

2.35 5% 0.21% 1.68% 1.55% 1.05% 0.40% 0.08% 0.03% 0.01%

Для каждого пролетного строения , для каждой из комбинации случаев загружения при

р1 е Р1 , р2 е Р2 (возможные значения динамического коэффициента и веса ТС соответственно)

в автоматизированном режиме был произведен расчет ожидаемых повреждений Ж,р1,р2 за один проход нагрузки при соответствующих параметрах веса транспортного средства и динамического коэффициента, а затем, с учетом соответствующих коэффициентов вероятности Рр1,р2, определялось общее ожидание повреждения ё, за один проход нагрузки по формуле (4.8).

^ = X X ^,р1, р2' рр1, р2. (4 8)

р1еР1 р2еР2 4 '

Для расчета повреждений использовался предложенный в разделе 3.3 модифицированный метод с параметрами, указанными в Таблице 2.13. Результаты расчета ожидаемых повреждений и исчерпания ресурса за проектный срок эксплуатации приведены в Таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Результаты расчета ожидаемых повреждений при использовании вероятностно-весовой модели транспортного потока_

Объект

1 2 3 4 5

Повреждение за 1 проход, х109 10.11 0.00 9.66 0.43 72.21

N = 2-106 5.54 0.00 5.29 0.23 39.57

Повреждения за сутки, х107 -^проект 29.93 0.02 26.46 0.26 197.84

N = 1108 820.01 0.43 725.05 7.10 5420.39

N = 2-106 2.02% 0.00% 1.93% 0.09% 14.44%

Исчерпание ресурса за проектный срок эксплуатации —проект 19.94% 0.01% 17.63% 0.17% 131.79%

N = 1108 101.06% 0.02% 96.59% 4.28% 722.13%

4.3. Обоснование расчетной нагрузки для выполнения проверки выносливости гибких штыревых упоров сталежелезобетонных пролетных строений

автодорожных мостов

При подборе расчетной нагрузки в целях унификации за основу принята существующая модель подвижной нагрузки типа АК из двух компонентов: распределённой нагрузки и тележки (Рисунок 4.10)

Тележка АК

Распределенная часть

, 1-5 . . 1.9

I I Г I

ЙГНЙ

10К ]0К 5 К 5 К

ШТП I I

1К 0.5 К 0.5-К

Рисунок 4.10 - Существующая модель подвижной нагрузки АК

Распределённая часть в нагрузке АК предназначена для моделирования статистически постоянной нагрузки транспортного потока (включая поток легких транспортных средств), ее класс был принят равным соответствующему классу при общих проверках на прочность (^АК,расп = 14 для новых автодорожных и городских мостов по современному СП [55]).

Для определения класса тележки были проведены расчеты ожидаемых накоплений повреждений и исчерпания ресурса в контролируемых элементах при загружении поверхностей влияний пяти различных пролетных строений (раздел 2.2 настоящего исследования) нагрузкам АК различных классов, начиная от близких к К"АК,тел ~ 0 и заканчивая КАк,тел = 15. Поперечное расположение было назначено в соответствии с требованиями СП [55] (максимально наихудшее количество полос движения; в данной задаче - со смещением к левому ограждению), динамический коэффициент был определен повышенным в соответствии с разработками раздела 3.7 как (1 + р)т = 1,67.

По результатам анализа моделей и расчета ожидаемых накоплений построены диаграммы зависимости величины ожидаемых повреждений от класса нагрузки АК для каждого из рассмотренных пролетных строений (Рисунок 4.11). Кроме того, на диаграммах были отображены полученные в разделе 4.2 величины повреждений за 1 проход от разработанной вероятностно-весовой модели транспортного потока.

Рисунок 4.11 - Диаграммы зависимости величины ожидаемых повреждений от класса нагрузки АК

На Рисунке 4.12 приведены диаграммы зависимости величины исчерпания ресурса от класса нагрузки АК для проектного режима эксплуатации.

я о

сх

>>

о 1) Он

и к а

С ее О. и

Г

а)

140% 120% 100%

80% 60% 40% 20% 0%

к- ю, 2 —

К - 4 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Класс тележки

б)

140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0%

■ Тележка АК, Объект 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Класс тележки

-Тележка АК, Объект 2

в)

140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0%

- К = о;

к = 3,1 /1

1 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Класс тележки

■Тележка АК. Объект 3

—-- —- Модель транспортного потока — — —Модель транспортного потока — —- —- Модель транспортного потока

для объекта 3

для объекта 2

д)

К = 15,5

Т» ■ /■

и 1 4 ■ • ■ I 1 ■4-1 1 Л 1 /■ ■ || 1

к = 4/ 1

1 1 1 1 1 1

1 I 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Класс тележки

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Класс тележки

■ Тележка АК. Объект 4

■ Тележка АК, Объект 5

-----Модель транспортного потока Лт„ „ „„ ___, „ „ „ ,

I -----Модель транспортного потока

для объекта 4

для объекта 5

Рисунок 4.12 - Диаграммы зависимости величины исчерпания ресурса от класса нагрузки АК для проектного режима эксплуатации (проект)

По результатам анализа полученных данных установлено следующее: 1. Классы нагрузки АК, эквивалентные по повреждениям вероятностно-весовой модели транспортного потока, значительно зависят от конструкции пролетного строения;

2. Для пролетных строений, запроектированных по отечественным нормам, полученные эквивалентные классы нагрузки АК характеризуются значениями ниже К = 11, причем в отдельных случаях значительно более низкими значениями;

3. Для пролетных строений, запроектированных по иным нормам проектирования, эквивалентные классы нагрузки могут достигать и больших значений; в данном исследовании для пролетного строения, запроектированного по БК, было получено значение эквивалентного класса К = 15,5. При этом определяющим в данном случае будет критерий исчерпания ресурса, по которому предельный класс нагрузки может быть определен как К = 14,4.