CC BY
4Научная статья УДК 624.21/.8
ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
Игорь Сергеевич Сухов 1 Кира Владимировна Ляпина 2, Максим Сергеевич Наумов 3
1 2- 3 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), г. Москва, Россия
Аннотация. В статье рассматривается практический опыт проведения динамических испытаний на примере несущего элемента мостового сооружения. При испытании пешеходного моста сложной конфигурации проведен эксперимент по определению действующих напряжений при проведении динамических испытаний.
Ключевые слова: мостовое сооружение, стальной мост, динамический расчет, собственные частоты, динамические испытания
Для цитирования: Сухов И. С., Ляпина К. В., Наумов М. С. Динамический анализ мостовых сооружений. Определение действующих напряжений // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2024. № 2(11). С. 46-51.
Original article
DINAMIC ANALYSIS OF BRIDGE STRUCTURES. DETERMINATION OF OPERATING STRESS
Igor S. Sukhov 1 Kira V. Liapina 2, Maksim S. Naumov 3
1 2, 3 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
Abstract. The article discusses the practical experience of conducting dynamic tests on the example of a bearing element of a bridge structure. When testing a pedestrian bridge with a complex configuration, an experiment was conducted to determine the operating stresses during dynamic tests.
Keywords: bridge construction, steel bridge, dynamic calculation, natural frequencies, dynamic tests
For citation: Sukhov I. S., Liapina K. V., Naumov M. S. Dynamic analysis of bridge structures. Determination of operating stress. Automotive and Road expert evaluation. 2024; (2):46-51. (in Russ.).
© Сухов И. С., Ляпина К. В., Наумов М. С., 2024
Введение
В сложившейся практике при проведении динамических испытаний мостовых сооружений, как правило, ограничиваются определением периодов и форм собственных колебаний, характеристик декремента затухания колебаний [1]. В данной работе рассматривается практический опыт определения напряженно-деформированного состояния (далее - НДС) элемента мостовой конструкции путем измерения динамических параметров.
В российской практике данный способ применяется для контроля НДС рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути [2, 3]. А также при не-разрушающем контроле напряжений в трубопроводах [4, 5] применяется метод измерений, учитывающий акустоупругость.
Применительно к мостовым сооружениям, анализ динамических параметров может быть актуален для определения установившихся в конструкции напряжений.
Постановка вопроса
При проведении испытаний для отработки технологии использован элемент, представляющий собой оттяжку с шарнирным закреплением с двух сторон. Исследование проводилось во время статических и динамических испытаний пролетного строения.
В соответствии с проектными данными, оттяжка должна работать на растяжение, однако заказчиком ставился вопрос о том, что оттяжка могла не включится в работу или быть сжатой.
Расчётная модель
Расчет НДС производится в физически и геометрически нелинейной постановке. Расчеты проведены в ПК ANSYS 2021г2. На рис. 1 представлен общий вид расчетной модели с граничными условиями. Шарнирные соединения задаются контактом без трения. Дополнительно заданы граничные условия, препятствующие перемещению оттяжки в горизонтальных направлениях.
C Displacement [P~| Displacement 2 (T) Force: 10000 N |F~| Remote Displacement [G"| Remote Displacement 2 pT| Remote Displacements (1~| Remote Displacement4
L: 1.0
Static Structural Time: s 09.01.202410:08
|Л I Fixed Support [Bi| Fixed Support 2
0,00
2000,00 (mm)
500,00
1500,00
Рис. 1. Общий вид расчетной модели
Расчеты проведены для диапазона напряжений 0-200 МПа с определением частот собственных колебаний для 1-й и 2-й формы.
При этом, при проведении работ было установлено, что с одной стороны произошло заклинивание крепления, расчетная схема была уточнена и проведена дополнительная серия расчетов. На рис. 2 в качестве примера приведены данные расчета для двух расчетных схем при равном напряжении.
ElMud.il
ТоЫ
Туре: Ое^гтйюп Рге^ивпсу: 17,145 Иг 11пИ: ГТ1П1 Ci.U1.202412:56
I:: М. "1й1
То(в1 0;'. (и. п Туре: То*а| Рв^огта^оп Ргеяиепсу: 15,244 И1
Упйз гпгг"|
М.С1.2 М4 13:113
2.665 Мо
2,3689
¡.сиге
1.7767 1,4806 1.1844 0.8В (ПЗ 0.59222 0,29611 0М1п
Е Ии,1а1
Тс£а| [) Е^ (гпа( ОГ1 Тур*: ТиЫ 0сГогта1эап РгефМПф 39,244 Иг
тпл 0951,202413:05
[: МосЫ
ТсДа1 О^огтпаЬоп Туре: Т<^а1 ОеГогтаетп ргепиЕгсу: 41,935 Нг Цпгпгп 09.01,2<К413:0в
б)
в) г)
Рис. 2. Результаты расчетов при напряжении в оттяжке 100 МПа: а - первая форма при шарнирном закреплении; б - вторая форма при шарнирном закреплении; в - первая форма при жестком закреплении с одной стороны; г - вторая форма при жестком закреплении с одной стороны
В результате получены четыре зависимости вида «частота собственных колебаний - напряжение» в диапазоне от 0 до 200 МПа. Экспериментальные данные
В результате проведения испытаний были получены данные по 4-м стадиям нагружения. Для этого на оттяжку были установлены датчики, фиксирующие
динамические параметры, а также тензодатчик струнного типа для контроля нормальных напряжений (рис. 3).
Рис. 3. Испытания пролетного строения
Таким образом, были получены собственные частоты, соответствующие текущему НДС конструкции, а также трем стадиям нагружения при испытании пролетного строения. Результаты испытания сведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний
Стадия испытаний Частота, Гц Напряжения, МПа
1-я форма 2-я форма
0* 17,91 41,38 0
1 18,28 42,38 8,6
2 18,39 42,51 13,3
3 18,88 43,09 33,7
4 19,28 43,94 38,1
* до установки испытательной нагрузки
Для первой формы колебаний диапазон полученных частот составил 17,9-19,3 Гц, для второй - 41,4-43,9 Гц, при этом приращение нормального напряжения +38,1 МПа от действующего в элементе. Экспериментальные данные представлены в таблице 1. Предполагается, что нормальное напряжение в элементе составляет 65-70 МПа. Сопоставления экспериментальных и расчетных данных показано на рис. 4.
55 -!-!-!-!-!-!-!-
О Шарнирное закрепление, 1-я форма
о Шарнирное закрепление, 2-я форма
Д 1-я форма, экспериментальные данные
Рис. 4. Сопоставление полученных данных
В результате эксперимента были опровергнуты предположения о невключении оттяжек в работу при опускании пролетного строения на опорные части, а также в работе оттяжек на сжатие. Значения собственных частот колебаний и их изменения при приращении испытательной нагрузки говорят о том, что оттяжка работает на растяжение.
Сравнение ожидаемых частот при определенном уровне напряжений с фактическими значениями позволило определить уровень действующих в элементе напряжений с точностью до 10-15 МПа. При этом уточнение расчетной схемы с изменением граничных условий позволило повысить точность расчетов и приблизить теоретические данные к фактическим.
Заключение
В результате данной работы на практике использован метод определения напряженно-деформированного состояния элемента конструкции мостового сооружения с помощью анализа динамических параметров. Полученные данные позволяют сделать вывод о возможности определения действующих напряжений с точностью 10-15 МПа.
При этом следует отметить, что оценка напряженно-деформированного состояния всей конструкции или её отдельного элемента по динамическим параметрам является трудоемкой как в плане проведения расчетов, так и испытаний. Для большинства сооружений, в которых применяются типовые решения, применение данного метода нецелесообразно, однако он может быть использован для сложных систем, на работу которых влияет множество факторов (различные конструкции усиления, дополнительные элементы, сложные схемы монтажа и включения в работу и т. д.).
Список источников
1. СП 79.13330.2012. Мосты и трубы. Правила обследований и испытаний: свод правил: дата введения 01.01.2013 / Технический комитет по стандартизации ТК 465 «Строительство». - Москва : АО «Кодекс», 2013. - 38 с.
го
т
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
тт ........
О оо оО Ы
Д ДА
25 50 75 100 125 150 175 200
Напряжение, МПа
0
2. Чунин, С. В. Диагностика эксплуатационного напряженного состояния рельсов по изменению собственных частот и форм колебаний : специальность 29.20.00 : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Чунин Сергей Владимирович, 2022. - 137 с. - EDN KTJICU.
3. Патент № 2670723 C1 Российская Федерация, МПК G01L 1/00. Способ определения напряженно-деформированного состояния различных упругих объектов : № 2017144958 : заявл. 21.12.2017 : опубл. 24.10.2018 / А. Л. Бидуля, Г. М. Волохов, М. Н. Овечников [и др.] ; заявитель Акционерное общество Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (АО "ВНИКТИ"). -EDN XTHAKM.
4. Никитина, Н. Е. Акустоупругость и её применение для измерения напряжений в крупногабаритных конструкциях / Н. Е. Никитина // Вестник научно-технического развития. - 2009. - № 2(18). - С. 41-46.
5. Никитина, Н. Е. Акустоупругость. Опыт практического применения: монография / Н. Е. Никитина. - Нижний Новгород : ТАЛАМ, 2005. - 208 с. - ISBN 5-93496-041-5.
Referenœs
1. Mosty i truby. Pravila obsledovanij i ispytanij, SP 79.13330.2012 (Bridges and culverts. Rules of examination and test, Set of rules 79.13330.2012), Moscow, AO "Kodeks", 2013, 38 р.
2. ^unin S. V. Diagnostika ekspluatacionnogo napryazhennogo sostoyaniya rel'sov po izmeneniyu sobstvennyh chastot i form kolebanij (Diagnostics of the operational stress state of rails by changing natural frequencies and oscillation patterns), dissertation of the Candidate of Technical Sciences, Moscow, RUT (МНТ), 2022, 137 p.
3. Bidulia A. L., Volokhov G.M., Ovechnikov M.N., Panin Yu.A., Ponomarev A.S., Chunin S.V., Sha-bunevich V.I. Patent 2670723 C1, 24.10.2018.
4. Nikitina N. E. VNTR, 2009, no. 2(18), pp. 41-46.
5. Nikitina N. E. Akustouprugost. Opyt prakticheskogo primeneniya (Acoustoelasticity. Practical application experience), Nizhny Novgorod, TALAM, 2005, 208 p. ISBN 5-93496-041-5.
Информация об авторах И. С. Сухов - кандидат технических наук, начальник отдела ОИПИС ЦАДИ МАДИ. К. В. Ляпина - кандидат технических наук, ведущий инженер отдела ОИПИС ЦАДИ МАДИ. М. С. Наумов - ведущий инженер отдела ОИПИС ЦАДИ МАДИ.
Information about the authors I. S. Sukhov - Candidate of Sciences (Technical), head of the department OIPIS СADI MADI. K. V. Liapina - Candidate of Sciences (Technical), lead engineer OIPIS СADI MADI. M. S. Naumov - lead engineer of the department OIPIS СADI MADI.
Рецензент: А. Ю. Малахов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии конструкционных материалов», начальник отдела инжиниринга и аддитивных технологий ЦАДИ МАДИ.
Статья поступила в редакцию 08.08.2024; одобрена после рецензирования 16.08.2024; принята к публикации 26.08.2024.
The article was submitted 08.08.2024; approved after reviewing 16.08.2024; accepted for publication 26.08.2024.
