CC BY
13
УДК 624.21
ТАНОВИЦКИЙ ЮРИЙ ЮРЬЕВИЧ, аспирант, snip_2.05.03-84@mail.ru
Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СВАРНОГО ШВА ПРОДОЛЬНЫХ БАЛОК ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ С БЕЗБАЛЛАСТНЫМ МОСТОВЫМ ПОЛОТНОМ
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние верхнего и нижнего продольного сварного шва. Дана оценка выносливости и «жесткости» напряженного состояния сварного шва от суммарных напряжений в зависимости от типа прокладного слоя.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние сварного шва, прикрепление безбалластного мостового полотна (БМП) к балкам, влияние на выносливость сварного шва, прокладной слой, сварной шов.
TANOVITSKIY, YURI YURJEVICH, P.G.,
snip_2.05.03-84@mail.ru
Moscow State University of Railway Service,
9 Obraztsova st., Moscow, 127994, Russia
ANALYSIS OF STRESSED-DEFORMED STATE OF WELDED JOINT OF BRIDGE LONGITUDINAL GIRDERS
Stressed-deformed state of the top and bottom longitudinal welded joint is considered in the paper. The estimation of durability and «rigidity» of stressed state of welded joint depending on the summery stresses and the type of underlayer is given.
Keywords: stressed-deformed state, attaching of bridge cloth to girders, influence on the durability of welded joint, underlayer, welded joint.
Одним из современных способов определения напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов пролетных строений является программный комплекс MSC.PATRAN [1-2].
Напряженное состояние зависит от типа прокладного слоя, конструкции мостового полотна на БМП, временной нагрузки, остаточных сварных напряжений, натяжения шпилек. Суммарные напряжения в зонах сварных швов верхнего и нижнего пояса имеют высокую цикличность изменения, что повышает вероятность возникновения усталостных трещин в зонах сварных швов.
В верхнем поясе балки НДС в значительной степени зависит от типа прокладного слоя. В табл. 1 приведены характеристики материала прокладного слоя: модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ц, принятые в расчетах. На рис. 1 показан исследуемый участок НДС.
Исследования усталостной прочности, выполненные путем испытаний при подвижной нагрузке, показали, в результате чего наступают усталостные повреждения верхней зоны балки.
© Ю.Ю. Тановицкий, 2009
Таблица 1
Характеристика материала
№ п/п Материал Характеристики
Е, кг/см2 Д
1 Сталь 2100000 0,30
2 Бетон 350000 0,20
3 Полиуретан 280 0,49
4 Транспортерная лента 2000 0,49
5 Дерево (хвойной породы) 815 0,02
Рис. 1. Исследуемый участок сварного шва
Главной причиной является подвижный характер нагрузки от колес мостового крана или железнодорожного транспорта. Многократное перемещение нагрузки по балке вызывает многочисленные изменения в верхней зоне напряженного состояния, которое является при этом сложным, состоящим из нескольких компонентов.
В работе [3] рассмотрены подкрановые сварные балки, которые испытывались на усталостную прочность. Установлена важная закономерность, определяющая места образования трещин усталости от действия подвижной нагрузки. Закономерность состоит в том, что в сжатой зоне от нагрузки трещины усталости образуются в сечениях, расположенных на расстоянии, равном (0,1-0,2) длины отсека от ближайшего ребра жесткости (рис. 1). При этом повреждаемая панель находится около середины пролета балки.
Проведенный анализ НДС конструкции продольных балок показал, что аналогичные зоны повреждения в подкрановых балках могут появиться и в сварных балках мостовой конструкции. Наиболее нагруженный участок сварного шва располагается на расстоянии 4,90 м от оси поперечной балки, что соответствует ближайшему отсеку от середины балки (длина отсека 1337 мм), и отстоит на расстоянии 350 мм от ближайшего ребра жесткости. Это соответствует расстоянию 0,26 длины отсека (рис. 1).
На рис. 2 показан исследуемый участок сварного шва в программном комплексе М8С.РАТЯАК.
Рис. 2. Исследуемый участок сварного шва в программном комплексе МБС.РАТКАК
Практически все элементы пролетного строения в условиях эксплуатации подвергаются неустановившемуся нагружению, при котором амплитуды цикла меняются во времени по тому или иному закону. Поэтому оценка выносливости элементов пролетного строения в большинстве случаев сводится к расчету при нестационарной переменной напряженности.
На процесс накопления повреждений в материалах, условия возникновения и роста усталостных трещин оказывают влияние многие факторы, в том числе свойства материала, характер изменения напряжений во времени, способ нагружения, тип напряженного состояния и степень его неоднородности, конструктивная форма и абсолютные размеры элемента.
Одним из основных показателей влияния характера изменения напряженного состояния на выносливость является коэффициент асимметрии цикла р = Ощт/отах. На основании проведенных расчетов получены значения Стах и а,^ суммарных напряжений в зависимости от положения временной нагрузки и типа прокладного слоя.
На рис. 3 показана зависимость изменения коэффициента асимметрии цикла р сварного шва от суммарных напряжений для разных типов прокладного слоя. В табл. 2 приведены значения р, полученные при натяжении шпилек на N = 6000 кг.
Коэффициент асимметрии цикла р „ пп Коэффициентасимметрии цикгар
1.00
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 1800С о 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Натяжение шпильки М, кг Натяжение шпильки М, кг
—•-Бетон . -В-Полнурет А Транспор . —Трансп. л -Ж- Дере во ер. лента ента и дерево
Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента асимметрии цикла р сварного шва от суммарных напряжений для разных типов прокладного слоя
Таблица 2
Суммарные напряжения в сварном шве продольной балки
(верхний пояс)
Вариант нагружения N = 6000 кг, с = 1578 кг/см2
Ох О1 Ог О2 ттах Ттах/с1 ро1 ро2 У Яв
Бетон
5. -246,00 2754,00 -74,00 926,00 914,00 0,31 0,92 0,93 1,00 3000
Полиуретан
5. -1630,00 1370,00 -475,00 525,00 422,50 0,18 0,46 0,53 1,00 3000
Транспортерная лента
5. -1020,00 1980,00 -284,00 716,00 632,00 0,24 0,66 0,72 1,00 3000
Транспортерная лента и дерево
5. -1300,00 1700,00 -590,00 410,00 645,00 0,29 0,57 0,41 1,00 3000
Дерево
5. -1360,00 1640,00 -558,00 442,00 599,00 0,27 0,55 0,44 1,00 3000
Примечания: ах - напряжения от нагрузки вдоль шва (рис. 4), а2 - в поперечном направлении шва, а! - суммарные напряжения с учетом остаточных напряжений, вдоль шва, а2 - в поперечном направлении шва; ттах - наибольшее касательное напряжение; ра1 - коэффициент асимметрии цикла, вдоль шва, ра2 - в поперечном направлении шва.
Анализ данных рис. 3 показывает, что коэффициент асимметрии цикла р понижается с ростом предварительного натяжения шпилек в плитах БМП. Этот процесс протекает в сварном шве с высокой деформативностью (подат-
ливостью) прокладного слоя: чем выше податливость прокладного слоя, тем ниже коэффициент р. С уменьшением р снижается сопротивление сварного шва усталости, его выносливость.
В современных расчетах [5] при оценке выносливости стальных элементов расчетное сопротивление определяется по формуле
Яв = Я • у,
где Я - расчетное сопротивление стали; у - коэффициент понижения расчетного сопротивления металла.
На основании полученных данных определены значения расчетных сопротивлений Яв для сварного шва с различными прокладными слоями и разными уровнями предварительного натяжения.
Анализ полученных данных показывает, что предварительное натяжение шпилек и остаточное напряжение не оказывают существенного влияния на расчетное сопротивление Яв, а следовательно, и на выносливость.
Установлено, что пластические свойства стали, как и других материалов, зависят от так называемой «жесткости» напряженного состояния [4].
В связи с этим представляет большой практический и научный интерес изучение характера релаксации остаточных напряжений и пределов их суммирования с другими напряжениями в зависимости от «жесткости» напряженного состояния. На основе экспериментальных данных получена зависимость предела суммирования остаточных напряжений от «жесткости» суммарного напряженного состояния для стали Д16 (рис. 5).
г
о
Рис. 5. График зависимости предела суммирования от «жесткости» напряженного состояния
«Жесткость» напряженного состояния характеризуется отношением
т
а=_т^,
где ттах - наибольшее касательное напряжение; отах - наибольшее положительное приведенное нормальное напряжение.
Чем меньше это отношение, тем больше «жесткость» напряженного состояния и тем в меньшей степени проявляются пластические свойства стали.
Для определения характеристик плоского напряженного состояния в сварном шве заданы остаточные напряжения от сварки 3000 кг/см2 вдоль шва и 1000 кг/см2 - поперек. Эти напряжения суммировались с напряжениями от временной нагрузки и натяжения шпилек. Из полученных суммарных напряжений о1 и о2 находим ттах = (с1 - с2)/2.
По результатам расчета получены максимальные значения суммарных напряжений сварного шва продольной балки. На рис. 6 построен график для верхнего пояса. Максимальное значение отах не превышает 2865 кг/см2, которое соответствует прокладному слою из бетона. Значение а равно 0,31. Значение а для прокладного слоя из полиуретана находится в пределах 0,17-0,20, отах не превышает 2400 кг/см2.
0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0^26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 0,32
кг/см
Рис. 6. График зависимости предела суммирования от «жесткости» напряженного состояния для верхнего пояса продольной балки
Все полученные результаты лежат в зоне упругой работы (ниже кривой), независимо от типа прокладного слоя и натяжения шпилек. Таким образом, релаксации остаточных напряжений при суммировании остаточных напряжений с напряжениями от нагрузки в сварном шве происходить не будет.
На рис. 7, а построен график для нижнего пояса. Максимальное значение отах не превышает 5110 кг/см2 и соответствует прокладному слою из полиуретана. Значение а находится в пределах 0.277. Значение а для прокладного слоя из бетона находится в пределах 0,284, и отах не превышает 4760 кг/см2.
Все полученные результаты лежат в зоне пластических деформаций (выше кривой), независимо от типа прокладного слоя и натяжения шпилек. Таким образом, максимальные суммарные напряжения оказываются на уровне кривой предельных значений при соответствующих значениях а (рис. 7, б).
5500
5000
4500
4000
3500
^ 3000
а 2500
¡2000
в
1500
1000
500
0
0.
4
I ■
Зона пл ІСТИЧЄСК IX дефор іаций
С
м о го упругой работы : лемента
—□—Эталон —■— Бетон —±— Полиуретан —X—Трансп. лента —ЭК—Трансп. лента и дерево —•—Дерево
000 0.050 0.100
0.150
ь
0.200 0.250
III;]\1 КГ/СМ”
0.300 0.350 0.400
а
5500
5000
4500
4000
3500
Ъ зооо * 2500 ! 2000 1500 1000 500 0 0.
Зона пл! СТИЧЄСКІ х дефоріу іапий
С
Зон упруго Г работы элемента
—□— Эталон —■—Бетон —±— Полиуретан —X—Трансп. лента —Ж— Трансп. лента и дерево —•—Дерево
000 0.050 0.100
0.150 0.200 0.250
ітаїчі, кг/см"
0.300 0.350 0.400
б
Рис. 7. График зависимости предела суммирования от «жесткости» напряженного состояния для нижнего пояса продольной балки
Следовательно, максимальные напряжения в нижнем поясе не будут превышать значений эталонной кривой и будут составлять 3550 кг/см2.
В нижнем поясе суммарные напряжения могут достигать более высоких значений, чем в зоне сварного шва верхнего пояса, в результате вероятность появления усталостных трещин повышается.
Степень опасности одного и того же по форме концентратора напряжений в сварном шве зависит не только от величины и знака напряжений на участке, где он расположен, но и от характера напряженного состояния на этом участке.
Все это указывает на необходимость избегать в сварных конструкциях полей высоких остаточных напряжений, «жесткость» которых характеризуется величиной а, близкой к нулю.
Библиографический список
1. Тановицкий, Ю.Ю. Применение программного комплекса MSC.PATRAN для расчета мостового полотна на плитах / Ю.Ю. Тановицкий // Вестник МИИТа. - М. : МИИТ, 2007. - С. 75.
2. Осипов, В.О. Напряженно-деформированное состояние шпилек в мостовом полотне на железобетонных плитах. / В.О. Осипов, Ю.Ю. Тановицкий // Искусственные сооружения на железнодорожном транспорте : сборник. - Вып. 1. - М. :МИИТ, 2007. - С. 89.
3. Горпинченко, В.М. Разработка метода расчета на выносливость и создание надежных и эффективных конструкций балок для подвижной нагрузки / В.М. Горпинченко. - М. : Госсторой, 1983. - 315 с.
4. Шапошников, Н.А. Механические испытания металлов / Н.А. Шапошников. - М. : Маш-гиз, 1954.
5. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы /Минстрой России. - М.:ГУП ЦПП, 1996. - 213 с.
