Совершенствование конструкции сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками

Состояние научной проблемы и актуальность темы.

Технический уровень существующих автомобильных дорог и искусственных сооружений в Российской Федерации, в том числе в Республике Алтай, особенно в Улаганском и Усть-Коксинском районах, не соответствует современным, а тем более перспективным требованиям: из 2871 км территориальных дорог республики, дороги III категории составляют 7% (203 км), IV — 22% (651 км), V — 51% (1458 км), вне категорий — 20% (559 км). На территории республики эксплуатируется 384 моста длиною 8206,5 п. м, из них 58% (221 мост) — деревянные. Более 25% мостов находится в аварийном или неудовлетворительном состоянии. Развитие сети автомобильных дорог, представляющих единственные пути сообщения в республике, является основой для самостоятельного становления Республики Алтай в условиях формирования рынка как субъекта в составе Российской Федерации.

Разработка и применение экономически оправданных и технически эффективных конструкций мостов является одним из актуальных путей улучшения транспортного состояния Республики Алтай и районов России с малоразвитой сетью автомобильных дорог.

Повышение эффективности использования металла в работе изгибаемых элементов, еще в первых десятилетиях XX века привело к оригинальной идее, позволяющей расширить диапазон использования проката. Стенка прокатного двутавра разрезается по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом с помощью газовой резки или на мощных прессах, и затем обе половины разрезанной балки соединяются сваркой в совмещенных между собой выступах стенки. Конечный результат приводит к увеличению высоты балки и позволяет перераспределить материал сечения, концентрируя его ближе к периферийным волокнам — полкам, и, существенно повышая такие геометрические характеристики сечения, как момент инерции и момент сопротивления. Образуется своеобразная конструктивная форма — балка с перфорированной стенкой (балка Фалтуса).

Изменение высоты исходного сечения в полтора раза, повышает примерно во столько же, его момент сопротивления, и почти вдвое — момент инерции, с учетом применения сталей различной прочности. Малоиспользуе-мая часть сечения стенки в центральной зоне как бы изымается на 35-ь40% материала стенки, что для балок не представляет какой-либо опасности. Расход металла в таких балках на 20±30% меньше, чем в обычных прокатных балках, при одновременном снижении стоимости на 10−48%. Дополнительные затраты труда на разрезку и сварку исходного проката невелики, и в сравнении со сварными двутаврами по трудоемкости изготовления, сквозные балки на 25-К35% эффективнее за счет сокращения объема сварки и меньшей трудоемкости операций обработки. В сравнении с железобетонными пролетными строениями по показателю транспортных расходов, сталежелезобетон-ные балочные мосты со сквозной стенкой эффективнее на 25−30%.

Дополнительный экономический эффект при использовании пролетного строения, в котором сквозные балки объединены с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне получен за счет сокращения сроков строительства. С точки зрения эксплуатационных характеристик, исследуемая конструкция пролетного строения эффективна тем, что монтаж такого пролетного строения ведется в любое время года и сразу может быть открыта ограниченная временная эксплуатация по деревянному настилу, до наступления температур, допускающих укладку бетона.

Разработка новых конструкций сквозных балок предъявляет к ним повышенные требования. В настоящее время проектирование не удовлетворяет в полной мере возросшим требованиям к созданию оптимальных металлических конструкций, например минимальному весу и повышению показателей надежности, что особенно заметно на примере балок с перфорированной стенкой (сквозные балки), показатели качества которой, начиная с начала 70х годов прошлого столетия, по существу, не улучшались. Ситуация осложняется отсутствием единого научно-обоснованного подхода к проектированию и учету совместной работы сквозных балок с другими конструкциями. Существующие методы расчета стальных стержневых элементов на прочность и устойчивость недостаточно полно отражают действительные условия работы сквозных балок в составе комбинированных конструкций, поэтому совершенствование методов их расчета становится актуальной задачей.

Появление компьютеров и автоматизация метода конечных элементов позволяют выявить напряженно-деформированное состояние балок со сквозной стенкой, в том числе при их работе в составе комбинированных конструкций, реализовав расчетную модель в форме непрерывной сетки плоских прямоугольных и треугольных конечных элементов.

Однако большинство теоретических и численных модельных исследований, выполненных в прошлом веке, базируется на упрощенных расчетных моделях, позволяющих раскрыть скорее качественные и в меньшей степени количественные характеристики напряженно-деформированного состояния балок со сквозной стенкой, что затрудняет использование полученных результатов для практических целей. При изучении работы комбинированных балок в составе пролетных строений мостов игнорируется многосвязность систем и вытекающая отсюда неоднозначность интерпретации напряженно-деформированного состояния конструкции в целом.

Особенностью комбинированных сталежелезобетонных конструкций с применением сквозных балок, например, конструкции перекрытий с железобетонными плитами, или мостовых конструкции состоит в том, что в этих случаях в работу верхнего пояса балок включается железобетонная плита.

Действующие нормативные документы не содержат расчета указанных конструкций, где в качестве главных балок применяются сквозные балки. Таким образом, актуальность исследования сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками обусловлена необходимостью совершенствования конструкции и исследования напряженно-деформированного состояния сквозных балок на основе численного моделирования и экспериментальных испытаний моделей в натуральную величину.

В диссертационной работе представлены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния при статическом на-гружении пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бис-тальными балками. Проведено сопоставление результатов численного моделирования методом конечных элементов с экспериментальными данными. Обсуждаются особенности прочности, устойчивости и практической конструктивной оптимизации балок исследованных моделей.

Объект и предмет исследования.

Объект исследования — пролетные строения мостов со сквозными моностальными и бистальными балками, объединенными с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

Предмет исследования — совершенствование конструкций и напряженно-деформируемого состояния объектов исследования.

Целью работы является совершенствование конструкций сталежелезо-бетонных пролетных строений со сквозными балками на основе изучения особенностей совместной работы балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи исследований:

1. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния сквозных моностальных и бистальных балок, объединенных с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне;

2. Проведены комплексные экспериментальные исследования пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками;

3. Сопоставлены результаты численных исследований с данными натурных экспериментальных испытаний объектов исследований, и на их основе оптимизирована расчетная модель;

4. Получены критерии повышения несущей способности сталежелезобе-тонных пролетных строений мостов на основе оптимального раскроя прокатных двутавров, для изготовления сквозных балок, и их упруго-пластической работы.

Методы исследования.

В работе использованы положения теории упругого и упругопластиче-ского состояния сквозных моностальных и бистальных балок, линейного и нелинейного законов деформирования различных материалов, включая создание адекватных расчетных моделей, а также численное моделирование конкретных задач методом конечных элементов. Экспериментальные методы включали многопозиционные измерения амплитудных значений относительных прогибов, и возникающих напряжений в пролетных строениях, а таюке методы математической статистики при обработке результатов измерений.

Научная новизна работы.

На основе расчетной модели численного моделирования и результатов комплексных экспериментальных исследований выявлены критерии увеличения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками двутаврового сечения.

Конкретные научные результаты состоят в следующем:

1. Выполнены и проанализированы комплексные экспериментальные исследования натурных моделей пролетных строений, состоящих из сквозных моностальных и бистальных балок.

2. Выявлены локальные зоны перехода объектов исследования в упруго-пластическую стадию и стадию разрушения.

3. Установлено, что смещение горизонтальной оси гексагональных отверстий в стенках главных балок вверх относительно горизонтальной оси главных балок приводит к увеличению на 17% несущей способности стале-железобетонных пролетных строений со сквозными балками.

4. Несущая способность сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками увеличивается на 4% при размещении поперечных ребер жесткости над верхними углами отверстий в зонах максимальных локальных напряжений в балках и при их жестком креплении непосредственно к верхним полкам.

5. Рассчитан диапазон оптимальных коэффициентов раскроя прокатных двутавров, для изготовления сквозных балок пролетных строений мостов, который находится в пределах 1,4−4,5.

6. Установлено, что минимальное расстояние между отверстиями в сквозных балках, изготовленных путем раскроя прокатных двутавров, не должно быть меньше 80−400 мм.

На защиту выносятся.

1. Результаты численных и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками и железобетонной плитой на металлическом поддоне.

2. Расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

3. Критерии оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении сквозных моностальных и бистальных балок.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается:

1. Обоснованностью физических и теоретических предпосылок, использованных для определения напряженно-деформированного состояния сквозных балок, которые характеризуют процесс их работы в составе пролетного строения с железобетонной плитой на металлическом поддоне.

2. Тщательной методической проработкой вопроса регистрации и обработки амплитудных значений относительных прогибов и деформаций датчиками, регистрирующим оборудованием и программными средствами, а также учетом возможных методических и экспериментальных ошибок.

3. Использованием сертифицированных аппаратно-программных средств, а в качестве регистрирующего оборудования — метрологически поверенных приборов.

4. Статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и хорошим соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.

5. Сравнением выводов, следующих из экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния пролетного строения, как единой конструкции.

6. В численном моделировании и расчетах — тестированием созданных расчетных пластинчато-стержневых систем на известных задачах близкой топологии и имеющих аналитические решения, выполненные другими авторами и получившие всеобщее признание.

Практическая значимость результатов работы:

1. Выявлены дополнительные резервы повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

2. В численном эксперименте создана расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сквозных балок.

3. Разработаны рекомендации по критериям оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении моностальных и бистальных сквозных балок.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению Барнаульским филиалом ОАО «Гипродорнии», ЗАО «Горно-Алтайдорпроект» и другими организациями. Исследования, приведенные в диссертационной работе, для совершенствования сквозных балок пролетных строений малых и средних мостов, являются основанием для внесения дополнений и изменений в существующие нормы проектирования сталежелезобетонных конструкций.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблеме совершенствования конструкций и исследований напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками, выполненных в период с 2002 г. по настоящее время на кафедре «Мосты и сооружения на дорогах» Томского государственного архитектурно-строительного университета (зав. кафедры, профессор, д.т.н. Картопольцев В.М.). Личный вклад автора состоит в следующем:

— проведен обзор литературы, свидетельствующий об экономической эффективности применении балок со сквозной стенкой в современной строительной практике;

— создана адекватная расчетная модель, позволяющая моделировать численные эксперименты в целях сопоставления их результатов с результатами экспериментальных исследований, а также обоснованно решать задачи моделирования в целях совершенствования сквозных балок;

— проведены комплексные экспериментальные исследования натурных пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками.

— выявлены локальные зоны перехода изгибаемых перфорированных двутавров в упруго-пластическую стадию и стадию разрушения при их совместной работе с железобетонной плитой на металлическом поддоне.

— сопоставлены результаты численного моделирования и результаты экспериментальных исследований.

— смоделирована расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сквозных балок.

— выявлены дополнительные резервы повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

— разработаны рекомендации по критериям оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении моностальных и бистальных сквозных балок.

Опубликованные по теме диссертации работы выполнены по инициативе и при непосредственном участии автора.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на: международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов», Йошкар-Ола, 2004; всероссийской научно-практической конференции «Инновации, качество, образование — перспектива развития дорожного комплекса России», Барнаул, 2007; 65-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2008; юбилейной Международной научной конференции У811'2008, Болгария, София, 2008; на семинаре кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» ТГАСУ, Томск, 2009; на объединенном семинаре кафедр СГУПС, Новосибирск, 2010.

По теме диссертационной работы опубликовано: 10 статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках- 6 тезисов докладов на отечественных и международных конференциях и семинарахполучено 3 патента.

Структура и объем диссертации

: введение, пять глав, заключение, список литературы, акты использования и внедрения результатов работы, приложение. Объем основного текста (без приложений) — 143 страницы, включая 81 рисунок, 12 таблиц.

Список использованных источников

 — 88 наименований. Объем приложения (отдельная книга) — 129 страниц.

Краткое содержание диссертации.

Во введении содержится краткий анализ состояния проблемы. Сформулированы цели и задачи работы, обосновывается ее актуальность, раскрывается научная новизна и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе представлен исторический обзор состояния данного вопроса в нашей стране и за рубежом. Рассмотрены технологии изготовления и примеры использования сквозных балок в транспортном строительстве. •Представлено технико-экономическое сравнение различных конструкций балок пролетных строений мостов. Дана оценка результатов проведенных исследований с точки зрения обоснования методического подхода к изучению напряженно-деформированного состояния балок со сквозной стенкой.

Во второй главе приведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками при совместной работе с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне. Последовательно рассмотрены следующие вопросы: основные положения и законы линейной и нелинейной теории изгибапредельные состояния стальных балок со сквозной стенкойкоэффициенты, учитывающие упругопластическую работу бис-тальных сквозных балокопределение упругопластических геометрических характеристик приведенного сеченияопределение прогибов от нагрузки.

Третья глава посвящена вопросам создания расчетной схемы и численному моделированию методом конечных элементов работы сквозных балок пролетных строений мостов с железобетонной плитой на металлическом поддоне. Приводится обоснование методического подхода в дискретизации расчетных моделей пролетных строений на ограниченное и достаточное для получения приемлемой точности расчета число пластинчатых треугольных и прямоугольных конечных элементов, необходимых для получения приемлемой точности расчета.

Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными балками и железобетонной плитой проезжей части приводятся в четвертой главе. Подробно рассмотрены методические вопросы постановки эксперимента с моделями, изготовленными в натуральную величину. Особое внимание уделено описанию приборной базы экспериментов и оценке случайной погрешности измерений. Основная часть результатов экспериментальных исследований, включая численный и графический материал измерения относительных прогибов и деформаций в различных сечениях экспериментальных моделей пролетных строений приводится в отдельной книге — Приложении к диссертационной работе.

В пятой главе, на основе разработанной и описанной в третьей главе адекватной расчетной модели, проведено сопоставление результатов численного моделирования с результатами экспериментальных исследований, представленных в четвертой главе и приложении. Путем решения модельных задач, при вариации конструктивными особенностями и деталями расчетных схем пролетных строений, выявлены дополнительные резервы для повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками. А также установлены оптимальные для несущей способности пролетного строения геометрические характеристики перфорации балок гексагональными отверстиями. Решение поставленной задачи выполнено на основе сравнительного анализа концентрации напряжений около гексагональных отверстий и местной устойчивости сквозной стенки балки.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Акты использования и внедрения результатов работы (2 документа) приводятся перед списком использованных источников, который включает 88 наименований.

В приложении, оформленном отдельной книгой, приводятся табличные и графические данные экспериментальных исследований и результаты их статистической обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе выполненного численного моделирования получена адекватная расчетная модель, позволяющая определить основные критерии повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками.

2. Экспериментальные комплексные исследования подтвердили расчетные параметры, характеризующие напряженно-деформируемое состояние сквозных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

3. Результаты проведенных численных и натурных экспериментальных исследований согласуются в пределах доверительных интервалов: по прогибам в пределах ±5%, по напряжениям в пределах ±15%, т. е. соответствуют границам статистически оцененных доверительных интервалов измерений.

4. Разработанные критерии оптимального раскроя прокатных двутавров позволяют повысить несущую способность пролетных строений на 17%, а жесткость на 37% при исходной металлоемкости конструкции.