CC BY
31
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕЗБАЛЛАСТНОГО МОСТОВОГО ПОЛОТНА С «ТОЧЕЧНЫМ» ОПИРАНИЕМ
Ю.Ю. Тановицкий
миит
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние тавро-уголкового прикрепления плит мостового полотна к продольным балкам проезжей части металлических железнодорожных мостов. Дана оценка прочности и выносливости соединительных элементов.
The stress-strain state of brand-angular attachment ofplates of bridge cloth to longitudinal beams of the carriageway of metal railway bridges is considered. The estimation of durability and endurance of connecting elements is given.
В настоящее время на железнодорожных мостах с металлическими пролетными строениями широко применяется безбалластное мостовое полотно на железобетонных плитах (БМП). Между железобетонными плитами и поясами балок проезжей части укладывают прокладной слой из мелкозернистого бетона, дерева, транспортерной ленты и других материалов. Плиты с балками объединяют высокопрочными шпильками. При проходе поездов элементы проезжей части испытывают сложное циклическое нагружение, которое, как показывает опыт эксплуатации, может приводить к образованию в них усталостных разрушений [1, 4].
Рассмотрим один из альтернативных вариантов прикрепления плиты БМП к продольным балкам на таврово-уголковом прикреплении. На рис. 1 показана схема прикрепления плиты БМП к продольной балке.
Я/ХА
Рис. 1. Схемы прикрепления плиты БМП
В плиту БМП забетонирован стальной тавр, длина которого равна длине плиты 1990 мм. К полке тавра привариваются шпильки Нельсона, для лучшего соединения бетона плиты и стального тавра. Верхняя и нижняя арматурная сетка плиты, так же прикрепляется к шпилькам Нельсона, что обеспечивает совместную работу. К верхней полке продольной балки прикрепляются спаренные уголки-коротыши размером 100x100x12 мм на высокопрочных болтах.
1/2010 мв.ВЕСТНИК
Монтаж плит БМП с точечным опнраннем ведется значительнее быстрее, с точной установкой в требуемое положение. Крепление осуществляется с помощью высокопрочных болтов диаметром 22 - 24 мм. Отверстия в тавре и уголках делается на 3-5 мм больше, чем диаметр болтов. За счет этого можно добиться точной установки плиты, как в продольном, так и поперечном направлении. В случае если разница диаметров отверстий и диаметров болтов не обеспечивает требуемую установку плит по уровню, можно использовать металлические прокладки разной толщины под уголки. Затяжка болтов на величину заданного усилия (предварительное натяжение) осуществляется механическим способом с помощью гайковертов.
При заводском изготовлении металлических пролетных строений с БМП можно достичь высокой типимизации в расположении отверстий в поясах балок, элементов опорных столиков и ребрах прикрепления плит, что в значительной степени может повысить скорость и качество монтажа плит БМП.
Конструкция таврово-уголкового прикрепления рассмотрена в программном комплексе МБС.РАТИАК [3]. В качестве временной нагрузки взяты локомотив ЧС-7 и 8-осный полувагон. Загружение производилось в три этапа: 1) Статическое нагруже-ние локомотивом ЧС-7; 2) Динамическое нагружение локомотивом ЧС-7; 3) Динамическое нагружение 8-осным полувагоном, соответствующие перспективной нагрузке С14.
По результатам расчета установлен самый нагруженный участок тавра, который располагается на 4.52 м от поперечной балки (см. рис. 2).
, * „ „ о а = „ о ® „ * 0 а о а
~452 4 [ Исследуемый участок тавра 1 И25х80х10 ж" \ 300x20x10370
о 1480x12x10670
10694
Рис. 2. Расположение исследуемого тавра по длине продольной балки
Аналогично найдены уголки, работающие в более невыгодных условиях по длине пролетного строения. Установлено, что максимальные значения напряжения возникают в уголках расположенных на расстоянии 4.10 м от поперечной балки (см. рис. 3) и на расстоянии 0.55 м (в начале продольной балки).
В элементах таврово-уголкового прикрепления, воспринимающих подвижную нагрузку, соединения работают в условиях сложного (двухосного) нагружения, обусловленного поперечным изгибом (М), сдвигом по горизонтали (вдоль оси X), местными смятием и кручением (рис. 4).
Исследуемая зона
Рис. 4. Конструкция сопряжение тавра и уголков
- 300
/. 12
Рис. 5. Расчетное сечение и исследуемая зона уголков
В данном виде прикрепления плиты и верхнего пояса продольной балки податливость болтовых соединений незначительна, в результате чего возрастает эффективность работы поперечного сечения на кручение, что обуславливает увеличение критических нагрузок.
На основании предварительного анализа НДС выявлена наиболее опасная зона с точки зрения прочности и выносливости. Д ля тавра сечение 0 - 0 является опасным. Точки 1 и 2 на рис. 4 являются местами, где напряжения будут иметь наибольше сжимающее и наибольше растягивающее значения соответственно. Как показывают результаты вычислений в наиболее неблагоприятных условиях находится точка 1. На рис. 5 представлена схема, на которой показано расчетное сечение 0 - 0 для уголков и исследуемая зона.
Воспользуемся методом предельных состояний для проверки прочности конструкции по следующей формуле (в общем виде):
где ох - напряжения от нагрузки, вдоль тавра; оу - напряжения от нагрузки, в вертикальном направлении; о2- в поперечном направлении; тху, т2х, х2у — касательные напряжения.
Рассмотрено плоское напряженное состояние по плоскостям ХУ и Х2. Выражение (1) соответственно примет вид:
(а,)2 + (ду-а, )2 + (а;-а, )2
+ 3(^2 +т,х2 +Ту2) (1),
2
(2)
1/2010 ВЕСТНИК _У20™_МГСУ
)2+^+^ )2 + з(0 (3)
В современных расчетах [2] при оценке выносливости стальных элементов расчетное сопротивление определяется по формуле ЯВ=Я У, где Я - расчетное сопротивление стали; у - коэффициент понижения расчетного сопротивления металла.
Анализ полученных данных (см. рис. 6, 7) показывает, что даже при перспективной нагрузке С14 прочность и надежность тавра и уголков обеспечена. Напряжения оХу, оХ2 возникающие в элементах тавра не превышают 848 кг/см2, а расчетное сопротивление на выносливость Яв при максимальной нагрузке не опускается ниже 2748 кг/см2.
Рис. 6. Зависимость изменения напряжений аху, аХ2 (тавр)
Рис. 7. Зависимость изменения напряжений аху, аХ2 (уголки)
Напряжения оху, оХ2 возникающие в уголках не превышают 2075 кг/см2, а расчетное сопротивление ^впри максимальной нагрузке не опускается ниже 2737 кг/см2. Напряжения в уголках расположенных по концам пролетного строения немного выше, чем в середине пролета. Это объясняется, тем, что уголки частично воспринимают момент, возникающий в верхней зоне продольной балки. При перспективной нагрузке С14 прочность, надежность и выносливость уголков обеспечена.
Максимальные напряжения, полученные при нагружнии 8-осным полувагоном (динамика + поперечный удар) соответствующий нагрузке С14 показаны на рис. 8. Показан характер изменения напряжений оху, оХ2 в зависимости от типа элемента (тавр, уголок) и расположении его по длине (в середине или в конце) пролетного строения.
2200.00
2000.00
1800.00
1600.00
1400.00
1200.00
* 1000.00 ь
800.00 600.00 400.00 200.00 0.00
♦ стху ■ стхи _
Тавр Уголок Уголок
(середина ПС) (конец ПС)
Рис. 8. Характер изменения напряжений аху, аХ2 в зависимости от элемента (тавр, уголок)
Подводя итог по результатам анализа тавра, уголков и сварных швов, можно сказать, что данный вид прикрепления надежен, как с точки зрения прочности и выносливости, так и с позиции удобства монтажа. Благодаря жесткому прикреплению исключается циклическая работа соединения, что нельзя сказать при использовании прокладного слоя. Вследствие чего происходит быстрое накопление повреждений в высокопрочных шпильках и выход их из строя (разрушение).
Преимуществом данной конструкции по сравнению с конструкцией на прокладном слое является:
>Соединение плиты с поясами балок исключает мокрые процессы, связанные с укладкой раствора и бетона на монтаже, что уменьшает продолжительность «окон».
>Более надежная с точки зрения выносливости и прочности конструкция.
^Скорость и точность укладки мостового плотна, за счет применения соединений на высокопрочных болтах.
> Исключение дополнительных напряжений в плите от затяжки шпилек.
> Отсутствие постоянного контроля и тщательного ухода за узлами крепления.
> Применение при реконструкции и строительстве мостов в различных клима-
тических зонах.
1/2010 мв.ВЕСТНИК
Безбалластный путь на плитах мостового полотна признан прогрессивной конструкцией для мостов с металлическими пролетными строениями при осуществляемом в последние годы расширении полигона бесстыкового пути и железобетонного подрельсового основания.
Литература
1 . Осипов В.О., Тановицкий Ю.Ю. Выносливость шпилек прикрепления безбалластного мостового полотна к балкам проезжей части. Журнал «Транспортное строительство», №6, 2009. - С.21-23.
2. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. /Минстрой России. - М.:ГУП ЦПП, 1996. - 214с.
3. Тановицкий Ю. Ю . Применение программного комплекса MSC.PATRAN для расчета мостового полотна на плитах. Журнал «Вестник МИИТа», М.: МИИТ, 2007. - С. 75.
4. Тановицкий Ю.Ю. Анализ напряженно-деформированного состояния сварного шва продольных балок проезжей части с безбалластным мостовым полотном. Вестник ТГАСУ, №4, 2009. - С.208-215.
Ключевые слова: 1. Напряженно-деформированное состояние, 2. Прикрепление БМП к балкам, 3. Прочность, 4. Проезжая часть, 5. Мостовое полотно, 6. Выносливость, 7. Тавр, 8. Уголок
Keywords: 1. Stress-strain state, 2. Attaching of BMP to the beams, 3. Strength , 4. Carriageway, 5. The deck, 6. Endurance, 7. Brand, 8. Corner
Рецензент: Фридкин Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Мосты» МИИТа.
E-mail агора: snip [email protected]
