Анализ переменных напряжений в сварных узлах пролетных строений системы «Мост-поезд» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.791.09:621.785.375

М. Г. МАЛЬГИН, В. И. ДВОРЕЦКИЙ (Институт электросварки имени Е. О. Патона НАН Украины, Киев), Г. В. МИХЕЕВ, Е. А. КРУГОВОВА (Брянский государственный технический университет, Россия)

АНАЛИЗ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ УЗЛАХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ СИСТЕМЫ «МОСТ-ПОЕЗД»

В работе представлены основные направления использования результатов исследований системы «мост-поезд» при оценке сопротивления усталости сварных узлов пролетных строений мостов.

Ключевые слова: мост, поезд, динамика, колебания, взаимодействие, сопротивление усталости, сварные соединения

Анализу динамического взаимодействия подвижного состава с мостами уделяется постоянное внимание. Важность такого анализа обусловлена возникновением в процессе их взаимодействия пространственных колебаний экипажей подвижного состава и элементов моста. Наиболее полно проводить исследования, связанные с динамическим анализом такого взаимодействия, позволяет система «мост-поезд» в которой учитываются конструктивные параметры взаимодействующих объектов, величина и скорость движения нагрузки, колебания подрессоренных частей экипажей. При разработке программ для анализа поведения системы весьма актуальна оценка особенностей взаимодействия ее элементов на основе метода конечных элементов. В зависимости от того, какие результаты интересуют исследователя, вводятся определенные допущения в численное представление системы. Например, для выявления пространственных колебаний отдельных элементов пролетного строения (связи, элементы проезжей части и пр.) более подробно представляется его расчетная модель. Анализ влияния пролетного строения или мостового полотна на динамику и нагруженность элементов подвижного состава требует более подробного описания расчетных параметров экипажной части, а расчетную модель моста можно представить упрощенно. При исследовании контактного взаимодействия колеса с рельсом или поведения опорных частей моста выдвигаются свои требования для описания исходных положений пролетного строения и подвижного состава. В связи с этим весьма важно чтобы программы для исследования динамического взаимодействия поезда с мостом можно было адаптировать для решения задач разного направления, а полученные данные использовать для решения других задач.

В данной работе представлены основные направления использования результатов исследований, которые реализуются в рамках разработанного модуля «мост-поезд» программного комплекса «Универсальный механизм» (ПК УМ) [1-3]. Они сформировались в связи с необходимостью совершенствования методологии прогнозирования усталостной долговечности сварных узлов пролетных строений железнодорожных мостов как на стадии эксплуатации, так и проектирования. Направления выбраны по результатам анализа фактического технического состояния мостов после 10...20 лет их эксплуатации. Приоритет отдается комплексному решению проблемы учета влияния динамики на работу элементов конструкции, их эксплуатационную нагруженность, характер изменения напряженно-деформированного состояния с установлением причин их обусловливающих.

Уже первые результаты динамического анализа системы «мост-поезд» показали, что эксплуатационная нагруженность элементов пролетных строений в ряде случаев может значительно отличаться от принятых представлений, которые рассматриваются при расчете на усталость согласно норм проектирования. Отличия проявляются в схемах нагружения, способах передачи нагрузки и реализации взаимодействия элементов. Согласно требований норм проектирования подвижная нагрузка представляется как статическая равномерно распределенная с симметричным нагружением главных балок. Однако при движении по мосту подвижной состав совершает сложные колебания, главные формы которых (вертикальные колебания, вертикальное и поперечное галопирование и боковая качка) по разному влияют на отдельные элементы конструкции. Пространственные колебания подрессоренных частей

© Мальгин М. Г., Дворецкий В. И., Михеев Г. В., Круговова Е. А., 2012

экипажей влекут за собой несбалансированную передачу давления колес на конструкцию. Это в свою очередь может приводить к существенному изменению взаимодействия между отдельными элементами узла конструкции и соответственно их локального переменного нагружения. В результате уже на ранней стадии эксплуатации в сварных узлах пролетных строений возникают трещины усталости, которых согласно расчетам по нормам не должно быть. Поскольку динамика взаимодействующих элементов влияет на эксплуатационную долговечность пролетных строений, важно проанализировать и установить ее влияние на характер, величину и повторяемость переменных напряжений в узах.

Например, по результатам пространственного расчета цельносварного пролетного строения со связями, приваренными через фасонки к поясам главных балок установлено, что неравномерность нагружения главных балок при боковой качке вызывает кососимметричное деформирование конструкции (рис. 1, а). Связи и фасонки включаются в пространственную работу и в них возникают преимущественно из-гибные усилия с кручением. Наряду с боковой качкой экипажей связи включаются в работу и от поперечного горизонтального воздействия подвижного состава (рис. 1, б). При этом возникают заметные продольные усилия в связях. В сварных узлах крепления связей формируются потенциально опасные места, вызванные появлением местных дополнительных напряжений от стеснения деформаций элементов. Такие деформации оказывают существенное влияние на характер, величину и повторяемость напряжений в элементах узлов в процессе прохождения подвижного состава по конструкции. При оценке усталостной долговечности по результатам динамического анализа системы «мост-поезд» прохождение поезда по мосту можно рассматривать как квазистационарный процесс нагружения. На первом этапе расчета мост представляется упрощенной моделью (например стержневой), а экипажи - теми параметрами, которые необходимы для описания их колебательных процессов. По результатам расчета устанавливаются типовые (квазистационарные) схемы нагружения, которые впоследствии применяются для отдельного, более полного учета процесса локального нагружения элементов узлов конструкции.

а)

Р Р -

б)

Рис. 1. Пример деформации пролетного строения в результате пространственных колебаний экипажей

В процессе взаимодействия подвижного состава с мостом в отдельных элементах пролетного строения возникают различные вибрации, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) которых зависят от скорости движения поезда. По результатам динамического анализа взаимодействия подвижного состава с балочными сплошностенчатыми пролетными строениями установлено, что колебания стенки главной балки вызываются прохождением каждого колеса вагона, а их АЧХ выражено, распределены по диапазонам скоростей движения поезда. Например, при движении однородного грузового поезда, состоящего из четырехосных вагонов, по типовому пролетному строению длиной 18 м (ТП 3.501-75) с мостовым полотном на деревянных поперечинах амплитуды поперечных колебаний стенки (рис. 2, а) по сравнению со статическим выгибом увеличиваются до 8 % в диапазоне движения от 20 до 90 км/ч и до 25 % - от 100 км/ч и выше (рис. 2, б). Колебания (поперечный выгиб стенки из плоскости) могут существенно снижать долговечность пролетных строений, так как они приводят к появлению местных дополнительных напряжений в узлах крепления поперечных ребер к стенке балки [4, 5]. Колебания элементов, зависящие от скорости движения поезда, - стохастический процесс. Поэтому в расчетах важно закладывать определенный динамический коэффициент для наиболее характерных скоростей движения поезда. Например, для рассмотренного пролетного строения кривую зависимости (см. рис. 2, б) можно сгладить и выбрать коэффициенты учета скорости движения поезда.

деревянные поперечины

поперечный выгио стенки балки

| г

S г ё S

tj

V

этим представляется весьма актуальным дальнейшее проведение экспериментально-теоретических исследований с тем, чтобы выяснить степень влияния поличастотного нагру-жения на долговечность элементов пролетных строений мостов.

S M i5 50 65 Si 95 1(0 1Î5 И0 155

£№рй LtJ.IHtrj.ililH б)

Рис. 2. Колебание стенки главной балки (а) и зависимость увеличения амплитуды колебаний стенки балки от скорости движения поезда (б)

В элементах пролетных строений, имеющих длину загружения линии влияния менее 22 м (элементы проезжей части, малые пролетные строения), максимальные и минимальные напряжения (деформации) цикла вызываются прохождением вагонной тележки, а при длинах загружения более 22 м - поезда целиком. По результатам проведенных исследований выявлено, что прохождение каждого вагона по балке с длиной загружения линии влияния до 6 м, вызывает отнулевой цикл переменных напряжений в средине балки (рис. 3, а). С изменением длины загружения линии влияния балки до 22 м качественно меняется закономерность изменения напряжений во времени при которой цикл нагружения имеет все признаки быть охарактеризованным как отнулевой двухчастотный (рис. 3, б). Низкочастотные составляющие цикла нагружения с и f отвечают прохождению поезда целиком, а высокочастотные с2 и f2 -тележек сцепленных вагонов. В расчетах на усталость согласно нормам проектирования принято рассматривать цикл нагружения как одночастотный, независимо от длины загруже-ния. Однако, как известно, сопротивление усталости в условиях двухчастотного нагружения может снижаться на порядок [6, 7]. В связи с

вроп

б)

Рис. 3. Изменение усилий (т-м) в средине балки:

а) - длина загружения линии влияния 6 м; б) - длина загружения линии влияния 16 м

Таким образом, важность практического применения результатов анализа поведения системы «мост-поезд» для оценки сопротивления усталости сварных узлов пролетных строений мостов заключается в комплексном решении проблемы учета влияния динамики (колебаний экипажей и элементов конструкции) на действительную работу взаимодействующих элементов и на изменение характера, величины и повторяемости их эксплуатационной нагру-женности. Такой подход позволяет более обосновано прогнозировать эксплуатационную долговечность пролетных строений за счет уточнения переменных напряжений, ответственных за формирование зон предразрушения. В настоящее время проводятся экспериментально-теоретические исследования зависимости закономерностей формирования колебаний от конструктивно-силовых факторов объектов системы «мост-поезд» и установление необходимости и правил учета поличастотного нагружения при оценке сопротивления усталости сварных узлов пролетных строений мостов.

Работа проведена при финансовой поддержке РФФИ, грант 11-01-90422-Укр_ф_а.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Михеев, Г. В. Верификация методики компьютерного моделирования взаимодействия железнодорожных экипажей и мостов [Текст] / Г. В. Михеев и др. // Вестник ВНИИЖТ. - 2011. -№ 5. - С. 29-33.

2. Круговова, Е. А. Компьютерное моделирование взаимодействия железнодорожных экипажей и мостов [Текст] / Е. А. Круговова и др. // Матерь али V М1жнародно! науково-практично! конференций, Сер. Техшка, Технолопя. - К.: ДЕТУТ, 2011. - С. 86-87.

3. Михеев, Г. В. Взаимодействие железнодорожных экипажей и мостов: некоторые подходы и приложения [Текст] / Г. В. Михеев, Е. А. Круговова, Р. В. Ковалев // Вюник. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. -2010. - Вип. 33. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2010. - С. 178-180.

4. Кирьян, В. И. Пути обеспечения нормативного ресурса пролетных строений мостов [Текст] / В. И. Кирьян, М. Г. Мальвин // Вюник. Дшпро-петр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2011 - Вип. 39. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2011. - С. 55-59.

5. Лучко, Й. Й. Мехашка руйнування мостових конструкцш та методи прогнозування !х залиш-ково! довговiчностi [Текст] / Й. Й. Лучко, Г. Т. Сулим, В. I. Кир'ян, за ред. Й. Й. Лучка. -Львiв: Каменяр, 2004. - Т. 6. - 883 с.

6. Прочность сварных конструкций при переменных нагрузках. АН УССР Ин-т электросварки им. Е. О. Патона [Текст] / под. ред. В. И. Труфя-кова. - К.: Наук. думка. 1990 - 256 с.

7. Труфяков, В. И. Циклическая долговечность при двухчастотном нагружении [Текст] / В. И. Труфяков, В. С. Ковальчук. - К.: ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, 1982. - 36 с.

Поступила в редколлегию 31.07.2012. Принята к печати 20.08.2012.

М. Г. МАЛЬПН, В. I. ДВОРЕЦКИЙ (Институт електрозварювання iMern С. О. Патона НАН Украши), П. В. М1ХССВ, Е. А. КРУГОВОВА (Брянський державний техшчний ушверситет, Роая)

АНАЛ1З ЗМ1ННИХ НАПРУЖЕНЬ У ЗВАРНИХ ВУЗЛАХ ПРОГОНОВИХ БУДОВ СИСТЕМИ «М1СТ-ПО1ЗД»

В робот представлеш основш напрямки використання результата дослвджень системи «мют-погзд» при оцшщ опору втом1 зварних вузл1в прогонових будов мост1в.

Ключовi слова: м1ст, по!зд, динам1ка, коливання, взаемод1я, оп1р втом1, зварн1 з'еднання

M. MALGIN, V. DVORETSKY (The Paton Electric Welding Institute, Kiev), G. MIKHEEV, E. KRUGOVOVA (Bryansk State Technical University, Russia)

THE ANALYSIS OF FLUCTUATING STRESS IN WELDED JOINTS OF SUPERSTRUCTURES OF «BRIDGE-TRAIN» SYSTEM

The present paper concentrates on basic directions of use of research results of «bridge-train» system in fatigue analysis of welded bridge joints.

Keywords: bridge, train, dynamics, vibrations, interaction, fatigue resistance, welded joints