CC BY
113
УДК 624.042
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, Пермь Доктор технических наук, профессор E-Mail: [email protected]
Яковлев Лев Сергеевич
ЗАО «Гофросталь»
Россия, Московская область, Наро-Фоминский район, пос. Селятино
Технический директор E-Mail: [email protected]
Осокин Илья Александрович
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»
Россия, Екатеринбург Аспирант
E-Mail: [email protected]
Анализ экспериментальных исследований поведения металлических гофрированных конструкций под
воздействием статических и динамических нагрузок с учетом их совместной работы с окружающим грунтом
Часть 1. Обзор и анализ зарубежных статических
Беляев Вячеслав Семенович
ООО «НПФ «Строй-Динамика»» Россия, Санкт-Петербург Генеральный директор Доктор технических наук, профессор E-Mail: [email protected]
экспериментальных исследований
Аннотация: Металлические гофрированные конструкции являются весьма
перспективным типом конструкций, обладающим многими преимуществами по сравнению с конструкциями, широко применяющимися на сети автомобильных и железных дорог в настоящее время (железобетонные водопропускные трубы, железобетонные балочные мосты). К основным преимуществам металлических гофрированных конструкций относятся: относительно небольшой вес элементов конструкции, относительная простота сборки, меньшие, по сравнению с железобетонными конструкциями, сроки возведения, привлекательный внешний вид, относительно небольшая цена возведения таких конструкций. Учитывая перечисленные выше преимущества, широкое внедрение металлических гофрированных конструкций является важной задачей.
Однако, несмотря на все преимущества сооружений из гофрированного металла, на пути их применения в России стоит существенная проблема - несовершенство методик расчета, используемых при проектировании сооружений данного типа. Указаны публикации, в которых приведены данные по обследованию сооружений из металлических гофрированных листов, в ходе которых обнаружены характерные дефекты и повреждения, причиной появления которых могло быть применение несовершенных методов расчета.
Одним из направлений совершенствования применяемых методик расчета может быть их корректировка, учитывающая экспериментальные данные, полученные на моделях металлических гофрированных конструкций. В статье приведен обзор двух экспериментов на моделях конструкций данного типа.
По результатам выполненных экспериментов, можно говорить о высокой надежности сооружений из металлических гофрированных листов, их высоких эксплуатационных характеристиках.
Ключевые слова: Сооружение; металлическая гофрированная конструкция; методы расчета; экспериментальное исследование; статические нагрузки; эксплуатационные характеристики.
Идентификационный номер статьи в журнале 130ТУЫ613
Igor Ovchinnikov
Perm national research polytechnic university
Russia, Perm E-Mail: [email protected]
Vyacheslav Belyaev
«SPC «Story-Dinamica» Ltd. Russia, St. Petersburg E-Mail: [email protected]
Lev Yakovlev
CJSC «Gofrostal»
Moscow region, Naro-Fominsk district, pos. Selyatino
E-Mail: [email protected]
Ilya Osokin
Ural State University of Railway Transport Russia, Ekaterinburg E-Mail: [email protected]
Analysis of the experimental research of the behavior of metal corrugated structures under static and dynamic loads with account of their interaction with the surrounding soil
Review and analysis of foreign static experimental studies
Abstract: Corrugated metal structures are very promising type structures, have many advantages compared with the designs that are widely used on the network of roads and railways now (reinforced concrete culverts, concrete girder bridges). The main advantages of corrugated metal structures include the relatively light weight structural components, the relative ease of assembl, lower, compared to reinforced concrete structures, construction time, attractive appearance, a relatively small price erection of such structures. Given the above advantages, the widespread introduction of corrugated metal structures is an important task.
However, despite all the advantages of corrugated metal structures, to their use in Russia is a significant problem imperfect methods of calculation used in the design of structures of this type. Marked publications which presents data on the survey of the structures of corrugated metal sheets, which are found in the typical defects and damage, the cause of which may be the use of the imperfect methods of calculation.
One type of improved calculation using methods may be their adjustment that takes into account the experimental data obtained in models of corrugated metal structures. This article provides an overview of the two experiments on models of structures of this type.
The results of the experiments, we can talk about the reliability of the structures of corrugated metal sheets, their high performance.
Keywords: Construction; corrugated metal structures; calculation methods; experimental study; static loads; operational characteristics.
Identification number of article 130TVN613
Введение
Малые искусственные сооружения (водопропускные трубы, скотопрогоны и т.д.) составляют основную часть от всего количества мостовых сооружений, возведенных на сети автомобильных и железных дорог РФ. Для их изготовления применяются различные материалы. На протяжении многих десятилетий и в настоящее время основным материалом для водопропускных труб является железобетон. Однако, ввиду того, что железобетонные водопропускные трубы в процессе эксплуатации подвергаются совместному воздействию и нагрузок (силовых воздействий), и агрессивных сред (средовых воздействий), а проблеме мониторинга и эффективной эксплуатации железобетонных конструкций на автомобильных дорогах России традиционно уделяется недостаточное внимание [1], то в конструкциях железобетонных труб появляются дефекты и повреждения и силового и коррозионного характера, приводящие к предаварийным и аварийным ситуациям. Как следствие нарушается целостность вышележащей земляной насыпи, разрушается дорожное полотно и в результате нарушается регулярное движение автотранспорта по дороге. К недостаткам железобетонных конструкций также относится сложность их усиления и ремонта, особенно если целью ремонта является повышение грузоподъемности сооружения.
Проблеме проектирования и расчета водопропускных труб с учетом реальных условий эксплуатации в последнее время начинает уделяться повышенное внимание. Отметим публикации, посвященные этой проблеме [2 - 5].
Из-за значительного сокращения долговечности железобетонных водопропускных труб в агрессивных условиях эксплуатации возникает вопрос о путях повышения долговечности таких конструкций.
Наиболее эффективными способами увеличения долговечности водопропускных труб является использование фибробетона для изготовления труб [6], а также применение гофрированного металла при изготовлении водопропускных труб [7].
Металлические гофрированные конструкции (МГК) все шире применяются в качестве искусственных сооружений на автомобильных и железных дорогах РФ (водопропускные трубы, путепроводы, галереи и т.д.). К основным преимуществам МГК относятся: относительно небольшой вес элементов конструкций, относительная простота сборки, меньшие, по сравнению с железобетонными конструкциями, сроки возведения, привлекательный внешний вид. Используя МГК, есть возможность перекрывать пролеты длиной до 30 м, возводить сооружения для пропуска автомобильных и железных дорог в разных уровнях (путепроводы), сооружения для защиты дорог от камнепадов и другие конструкции [7]. При этом стоимость строительства сооружений из гофрированного металла значительно ниже стоимости малых и средних мостовых сооружений, имеющих аналогичную область применения [8].
Несмотря на все преимущества сооружений из гофрированного металла, на пути их применения в России стоит существенная проблема - несовершенство нормативной базы РФ, регламентирующей проектирование и строительство сооружений данного типа. Методика расчета МГК не является отработанной в полной мере. Подтверждают данное утверждение также результаты натурных обследований, представленные в [9]. При этом, согласно расчетам, выполненным по ОДМ 218.2.001-2009 «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожноклиматических зон)» [10], повреждений гофрированных труб от воздействий силового характера (прогибы, овализация тела трубы и т.д.) не должно было быть. Помимо расчетной методики, приведенной в ОДМ 218.2.001-2009, для проектирования металлических
гофрированных сооружений данным нормативным документом допускается (а в некоторых случаях рекомендуется) применение моделирования конструкций с помощью метода конечных элементов [11].
Метод конечных элементов на настоящий момент успешно применяется в отечественной и зарубежной практике проектирования МГК. Однако метод конечных элементов также не лишен недостатков, основными из которых применительно к моделированию конструкций данного типа являются: сложность моделирования в программе работы грунтового массива, сложность моделирования гофрированного листа формы, достаточно близкой к оригинальной, сложность моделирования взаимодействия гофрированной оболочки трубы с грунтовым массивом. Вдобавок к этому, в практике проектирования МГК с помощью метода конечных элементов, свой вклад вносят особенности работы программных комплексов, реализующих метод конечных элементов. В разных программных комплексах могут быть получены разные значения усилий, напряжений и перемещений при моделировании одной и той же конструкции. Кроме того, можно осуществлять моделирование МГК, используя разные подходы (плоские и пространственные модели, разные подходы к моделированию контактных слоев «оболочка МГК - грунт» и т.д.), что также может привести к неоднозначности полученных результатов.
Для обоснования применимости метода конечных элементов для расчета МГК в международной практике ведутся научно-исследовательские работы, в рамках которых проводятся эксперименты на моделях МГК (чаще всего - в натуральную величину), которые подвергаются различным нагрузкам, имитирующим те или иные силовые воздействия. В процессе нагружения измеряются напряжения, деформации и другие характерные параметры напряженно-деформированного состояния модели. Впоследствии данные, полученные в ходе эксперимента, сопоставляются с результатами расчета модели с использованием какого-либо программного комплекса, реализующего метод конечных элементов. Подобные сопоставления, выполненные за рубежом, представлены в работах [12,13].
1. Испытания металлических гофрированных конструкций
1.1. Испытания коробчатой конструкции (Канада, Польша)
Основными целями эксперимента, описанного в [12] являлись:
1. создание испытательного полигона с целью постановки на нем эксперимента, включающего испытание большепролетной МГК с доведением ее до предельного состояния;
2. дополнение банка экспериментальных данных сведениями о результатах испытания МГК коробчатого очертания, выполненной из стальных листов с глубокой гофрировкой, уточнение методик расчета и развитие норм проектирования МГК;
3. уточнение параметров для моделирования МГК в программных комплексах, использующих метод конечных элементов применительно к задачам в плоской и пространственной постановке;
4. измерение параметров напряженно-деформированного состояния конструкции, находящейся под предельной расчетной нагрузкой с целью определения резервов несущей способности конструкции.
Объектом исследования являлась арочная МГК коробчатого очертания. Пролет МГК составляет 10,15 м, высота составляет 2,55 м (по центральной линии гофров). МГК выполнена
из гофрированных листов профилем 400х150 мм, толщиной 6 мм. Схема конструкции представлен на рис. 1.
10000 INSIDE SPAN
Рис. 1. Вид конструкции с указанием местоположения тензорезисторов
Испытания проводились в испытательной камере, размерами 16,0*8,0*3,0 м. Пазуха между стенками камеры и МГК заполнялась крупнозернистым песком с послойным уплотнением. Общий вид камеры объемного нагружения и смонтированной внутри нее модели МГК представлен на рис.2
Рис. 2. Возведение сооружения и засыпка свода
Нагрузка осуществлялась двумя разными способами: в первой части эксперимента с помощью грузового автомобиля, который устанавливался над сводом МГК в разных положениях (для более точной имитации реально действующих на МГК нагрузок); во второй части эксперимента - с помощью штампа, имитирующего сдвоенную заднюю ось грузового автомобиля (для создания нагрузки высокой интенсивности). Основные характеристики испытательных нагрузок представлены в таблице 1. Вид МГК с установленной на нее нагрузкой от грузового автомобиля представлен на рис. 3. Схема установки колесной нагрузки представлена на рис. 4.
Таблица 1
Обобщенная таблица испытательных нагрузок
Схема нагрузки Засыпка, мм Описание нагрузки Смещение оси от центра, м Максимальное приложенное усилие, кН
В1 1046 Сдвоенная ось грузовика 6 240
В2 1046 Сдвоенная ось грузовика 5 240
В3 1046 Сдвоенная ось грузовика 4 240
В4 1046 Сдвоенная ось грузовика 3 240
В5 1046 Сдвоенная ось грузовика 2 240
В6 1046 Сдвоенная ось грузовика 4 240
В7 1046 Сдвоенная ось грузовика 0 240
В8 1046 Сдвоенная ось грузовика -1 240
Е5 450 Сдвоенная ось 0 1200
Рис. 3. Грузовой автомобиль, установленный над сооружением во время испытаний
а) План установки
б) Схема установки колесной нагрузки в позиции В8
Рис. 4. Схема приложения нагрузки от груженого грузовика
В ходе эксперимента контролировались деформации конструкции и напряжения в стальных листах МГК. Деформации фиксировались электронным тахеометром с одной точки с помощью отражателей, установленных в характерных точках по продольной оси МГК. Напряжения фиксировались с помощью тензодачиков, установленных по вершине и впадине гофров, а также по боковой поверхности гофров. Вид МГК с установленными отражателями и тензодатчиками представлен на рис. 5.
Рис. 5. Измерительные приборы (вид изнутри)
По результатам эксперимента были получены значения продольных сил, значения изгибающих моментов и значения перемещений. Распределение перемещений представлено на рис. 6; распределение нормальных сил представлено на рис. 7, 8; распределение изгибающих моментов представлено на рис.9, 10.
Рис. 6. Вертикальные перемещения при различном положении осей колесной нагрузки (масштаб 200:1)
Рис. 7Распределение погонных продольных сил (кН/м) по срединной линии ^=0) при различном положении осей колесной нагрузки
Рис. 8 Распределение погонных продольных сил (кН/м) в поперечном направлении
по коньку свода
Рис. 9. Изменение распределения М по срединной линии ^=0) для различных загружений колесной нагрузкой
Рис. 10. Изменение распределения М в различных сечениях со смещением от срединной линии
По результатам анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что при нагружении модели с помощью грузового автомобиля (нагрузка от сдвоенной оси составляет 240 кН) максимальный прогиб составил 9,5 мм, максимальный изгибающий момент -13кНм/м, погонная сжимающая сила - 95кН/м. Полученные по результатам испытаний усилия оказались значительно ниже расчетных. При нагружении модели с помощью штампа (с целью доведения конструкции до предельного состояния) локальное разрушение произошло при нагрузке 1100кН, что превышает предельно допустимую расчетную нагрузку более чем в 2 раза. В целом в [12] делается вывод о высокой прочности и надежности МГК коробчатого типа.
Схожий эксперимент был поставлен на территории Польши [13]. Объектом исследования являлась арочная МГК коробчатого очертания. Пролет МГК составлял 12,315 м, высота составляла 3,55 м (по центральной линии гофров). МГК выполнена из гофрированных листов профилем 380х140 мм, толщиной 7 мм. Схема конструкции представлена на рис. 11.
Рис. 10. Схема МГК
Нагружение МГК выполнялось с помощью осевых нагрузок, имитирующих нагрузки от реальных транспортных средств, причем загружения конструкции проводились в трех местах по длине сооружения, то есть поперек насыпи земляного полотна (схема установки временной нагрузки представлена на рис. 11). В ходе эксперимента измерялись деформации поперечного сечения МГК, причем не только в одном поперечном сечении сооружения, но и по длине МГК. Результаты определения прогибов при разных нагружениях по длине сооружения представлены на рис. 11.
Рис. 11. Прогибы замка МГК при установке нагрузок в разных местах по длине сооружения
Как видно по результатам измерений прогибов, наблюдаются различия в значениях прогибов при установке временной нагрузки в разных местах по длине сооружения. Этот эксперимент свидетельствует о том, что металлическая гофрированная конструкция в реальных условиях нагружения работает как оболочечная конструкция, испытывающая
различные деформации как по длине конструкции, так и по контуру, то есть в конструкции оболочки возникают изгибающие моменты как в продольном, так и в окружном направлении. Этот факт следует учитывать при конечно-элементном моделировании поведения МГК и выборе подходящих конечно-элементных моделей.
Данные наблюдения позволяют также предполагать, что расчетные модели, учитывающие пространственную работу конструкций, будут более корректными в плане определения реальной работы конструкции.
Несмотря на некоторую разницу в фиксируемых параметрах МГК в экспериментах, поставленных на территории Канады и Польши, конструкции сооружений, материале, из которого они изготовлены и нагрузках, под которыми были испытаны МГК, в целом эксперименты можно считать подобными. Благодаря этому сходству были получены близкие результаты экспериментов, что позволяет сделать общие выводы.
Выводы
1. Конструкции, выполненные из металлических гофрированных листов (МГК) обладают высокой надежностью. По результатам анализа экспериментов, поставленных за рубежом [12,13], конструкции сохраняют свои эксплуатационные качества при нагрузках, которые превосходят расчетные до 2,5 раз.
2. Расчетные модели, учитывающие пространственную работу конструкций, являются более корректными чем «плоские» модели и расчетные схемы и потому при расчете МГК следует применять именно их.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Анализ причин аварий и повреждений транспортных сооружений// Транспортное строительство. М. 2010, №7. с.2-5.
2. Иванов А.В., Овчинников И.Г. Моделирование напряженно-деформированного состояния осесимметрично загруженной железобетонной цилиндрической оболочки в условиях хлоридной коррозии// Региональная архитектура и строительство. 2007 №1(2), с. 43 -52.
3. Овчинников И.И., Калиновский М.И Модель деформирования железобетонной водопропускной трубы при действии на нее произвольной нагрузки и агрессивной хлоридсодержащей среды// Дороги и мосты. Сборник статей ФГУП РосдорНИИ. М. 2009. - вып. 22/2. - С. 186-200.
4. Калиновский М.И., Овчинников И.И. Напряженно деформированное состояние и долговечность прямоугольной железобетонной трубы при действии карбонизации и хлоридсодержащей среды // Строительные материалы. 2010. №10. С.15-17.
5. Овчинников И.И., Мигунов В.Н., Овчинников И.Г. Цилиндрический изгиб железобетонной пластины на упругом основании в условиях хлоридной агрессии// Жилищное строительство. 2012. №10. с. 6-8
6. Калиновский М.И., Овчинников И.И. Построение модели деформирования сталефибробетона в плоском напряженном состоянии применительно к расчету водопропускных дорожных труб // Транспортное строительство. 2009. №6. С.28-30.
7. Петрова Е.Н. Проектирование и строительство транспортных сооружений из
металлических гофрированных элементов. : учеб. пособие / Е.Н. Петрова. - М. : МAДИ, 2012. - 56 с.
S. Лебедева Т.Б., Селина Т.Л., Беляев В.С. и др. Практика применения
металлических гофрированных конструкций в хабаровском филиале ОAО «ГИПРОДОРНИИ»: сб. науч. тр. / Вопросы проектирования и строительства автомобильных дорог: опыт и инновации. Екатеринбург, 2010. №1. С. 162-175.
9. Осокин ИА., Пермикин A.C О проблемах эксплуатации гофрированных водопропускных труб под насыпями автомобильных и железных дорог уральского региона: Материалы международной конференции «Сучасні методи проектування, будівництва та експлуатації систем водовідводуна автомобільних дорогах» (1 - 2 березня 2012 року). - Киев: НТУ, 2012.
10. ОДМ 218.2.001-2009. «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон)». - Введ. 2009-06-21. - М. : Изд-во стандартов, 2009. - 201 с.
11. Осокин ИА.. Применение теории оболочек вращения к расчету гофрированных
водопропускных труб. Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №2(15)
[Электронный ресурс]. М-2013.- Режим доступа: http://
http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn213.pdf, свободный - Загл. с экрана.
12. Mak, A.C., Brachman, R.W.I. and Moore, I.D. Measured response of a deeply corrugated box culvert to three dimensional surface loads: Transportation Research Board Annual Conference, Washington D.C., Paper No. 09-3016, 14 pp, 2009.
13. Beben D. Numerical analisis of a soil-steel bridge structure: The Baltic journal of road and bridge engeineering. 2009 № 4 (1). P. 13-21.
Рецензент: Столяров Виктор Васильевич, заместитель председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, академик РAТ, д-р. техн. наук, профессор.
REFERENCES
1. Ovchinnikov I.G., Ovchinnikov I.I. Analiz prichin avarij i povrezhdenij transportnyh sooruzhenij// Transportnoe stroitel'stvo. M. 2010, №7. s.2-5.
2. Ivanov A.V., Ovchinnikov I.G. Modelirovanie naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija osesimmetrichno zagruzhennoj zhelezobetonnoj cilindricheskoj obolochki v uslovijah hloridnoj korrozii// Regional'naja arhitektura i stroitel'stvo. 2007 №1(2), s. 43 -52.
3. Ovchinnikov I.I., Kalinovskij M.I Model' deformirovanija zhelezobetonnoj vodopropusknoj truby pri dejstvii na nee proizvol'noj nagruzki i agressivnoj hloridsoderzhashhej sredy// Dorogi i mosty. Sbornik statej FGUP RosdorNII. M. 2009. - vyp. 22/2. - S. 186-200.
4. Kalinovskij M.I., Ovchinnikov I.I. Naprjazhenno deformirovannoe sostojanie i dolgovechnost' prjamougol'noj zhelezobetonnoj truby pri dejstvii karbonizacii i hloridsoderzhashhej sredy // Stroitel'nye materialy. 2010. №10. S.15-17.
5. Ovchinnikov I.I., Migunov V.N., Ovchinnikov I.G. Cilindricheskij izgib zhelezobetonnoj plastiny na uprugom osnovanii v uslovijah hloridnoj agressii// Zhilishhnoe stroitel'stvo. 2012. №10. s. 6-8
6. Kalinovskij M.I., Ovchinnikov I.I. Postroenie modeli deformirovanija stalefibrobetona v ploskom naprjazhennom sostojanii primenitel'no k raschetu vodopropusknyh dorozhnyh trub // Transportnoe stroitel'stvo. 2009. №6. S.28-30.
7. Petrova E.N. Proektirovanie i stroitel'stvo transportnyh sooruzhenij iz metallicheskih gofrirovannyh jelementov. : ucheb. posobie / E.N. Petrova. - M. : MADI, 2012. - 56 s.
8. Lebedeva T.B., Selina T.L., Beljaev V.S. i dr. Praktika primenenija metallicheskih gofrirovannyh konstrukcij v habarovskom filiale OAO «GIPRODORNII»: sb. nauch. tr. / Voprosy proektirovanija i stroitel'stva avtomobil'nyh dorog: opyt i innovacii. Ekaterinburg, 2010. №1. S. 162-175.
9. Osokin I.A., Permikin A.S. O problemah jekspluatacii gofrirovannyh vodopropusknyh trub pod nasypjami avtomobil'nyh i zheleznyh dorog ural'skogo regiona: Materialy mezhdunarodnoj konferencii «Suchasni metodi proektuvannja, budivnictva ta ekspluatacii sistem vodovidvoduna avtomobil'nih dorogah» (1 - 2 bereznja 2012 roku). - Kiev: NTU, 2012
10. ODM 218.2.001-2009. «Rekomendacii po proektirovaniju i stroitel'stvu vodopropusknyh sooruzhenij iz metallicheskih gofrirovannyh struktur na avtomobil'nyh dorogah obshhego pol'zovanija s uchetom regional'nyh uslovij (dorozhno-klimaticheskih zon)». - Vved. 2009-06-21. - M. : Izd-vo standartov, 2009. -201 s.
11. Osokin I.A.. Primenenie teorii obolochek vrashhenija k raschetu gofrirovannyh vodopropusknyh trub. Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №2(15) [Jelektronnyj resurs]. M-2013.- Rezhim dostupa: http:// http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn213.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
12. Mak, A.C., Brachman, R.W.I. and Moore, I.D. Measured response of a deeply corrugated box culvert to three dimensional surface loads: Transportation Research Board Annual Conference, Washington D.C., Paper No. 09-3016, 14 pp, 2009.
13. Beben D. Numerical analisis of a soil-steel bridge structure: The Baltic journal of road and bridge engeineering. 2009 № 4 (1). P. 13-21.
