CC BY
8
УДК 624.21:625.1
КОВАЛЬЧУК В. В., асистент (ДНУЗТ Львiвська фiлiя)
Експериментальнi дослiдження розподшу температури на поверхнях балок прогонових будов залiзничних мостiв
Проблема та н актуальн1сть
Технiчний стан 10 % залiзничних мостiв Украши не задовшьняе вимогам ДБН В.2.3-14:2006 "Мости i труби - правила проектування" [1].
З аналiзу нормативних документiв випливае, що iснують розбiжностi мiж украшськими [2] та закордонними норма-тивними документами [3 - 5], щодо враху-вання розподшу температури у мостових конструкцiях. Зазначеш розбiжностi, а та-кож вщсутнють експериментальних та тео-ретичних даних щодо розподiлу температури у мостових конструкщях залiзничних мостiв, як експлуатуються на територи Украши, ставлять перед науковцями задачу дослщження розподшу температури на поверхнях балок прогонових будов моспв, за яким можна розраховувати рiвень на-пружено-деформованого стану.
Анал1з останн1х досл1джень та публжацш
У працях [6 - 14] зазначено, що для визначення температурних напружень та деформацш важливими е теоретичш та експериментальш дослiдження розподiлу температури в елементах прогонових бу-дов при змшних клiматичних та техноло-гiчних впливах. За даними вимiрювань розподiлу температури при обстеженш балкового моста зi сталевими балками в Канадi та подальших розрахункiв темпе-ратурних напружень [7], були отримаш данi, з яких випливае, що розподш температури в конструкщях таких моспв повинен враховуватися при проектуванш мостових споруд.
Мета роботи
Виконати експериментальш
дослщження розподшу температури на поверхнях балок прогонових будов залiзничних моспв та дати рекомендаций щодо врахування температурних впливiв при розрахунку 1'х напружено-деформованого стану.
Виклад матер1алу експериментальних дослщжень
Об'ектами дослщжень розподiлу температури були балки прогонових бу-дов залiзобетонного, металевого та сталезалiзобетонного залiзничних мостiв, якi розташоваш на перегонi Пiдзамче -Львiв Львiвськоi залiзницi. 1х поздовжня вюь орiентована iз пiвнiчного заходу на твденний схiд. Експериментальнi дослщ-ження розподшу температури на 1'х поверхнях проводились у лютому 2013 р.
Вимiрювання температури поверхш здшснювалось тепловiзором ТеБ1о 875-1, а температури навколишнього середовища за допомогою електронного термометра моделi 1508. Пюля вимiрювання весь ек-спериментальний матерiал аналiзувався у лабораторних умовах iз використанням персонального комп'ютера та тепловiзора.
Результати аналiзу розподiлу температури на поверхнях балок прогонових будов у вертикальному напрямку залiзобетонних моспв наведенi на рис. 1, 2 металевих - на рис. 3, 4 та сталезалiзобетонних - на рис. 5, 6.
1з температурного профшю залiзобетонноi балки прогоново'1' будови
моста випливае, що температура у 11 вертикальному напрямку розподшяеться не-однаково. Найнижчi температурнi градiенти на зовшшнш поверхнi (рис. 1), при температурi зовнiшнього середовища +5,0 °С, були зафксоваш на верхнiй поличщ у межах вщ +0,1 °С до +1,2°С у той час, як на стшщ та нижнiй
поличщ температура коливалася у
межах +1,2 °С до +2,6 °С.
На внутршнш поверхнi (рис. 2) залiзобетонноi балки прогоново! будови моста температура розподшяеться таким чином: на верхнш поличщ вона змшюеться у межах вщ -0,4 °С до -1,4 °С, а на стiнцi та нижнш поличцi вiд +0,0 °С до +0,7 °С.
Рис. 1. Розподш температури на зовнiшнiй сторош залiзобетонноi балки прогоново! будови залiзничного моста перегону Пiдзамче - Львiв, 1475 км пк6
Львiвськоi залiзницi
Гiстограми розподiлу температури на внутршнш та зовнiшнiй сторонах залi-зобетонно1 балки прогоново1 будови (рис. 1, 2) показують, що температура по-верхнi iз зовшшньо! сторони у межах вщ +0,1 °С до +1,2 °С зустрiчаеться близько 45 % висоти балки, а у межах вщ +1,2 °С до +2,6 °С - 55 %. 1з внутршньо! сторони температура у межах вщ -0,4 °С до -1,4 °С зустрiчаеться близько 35 % висоти балки, а у межах вщ +0,0 °С до +0,7 °С - 65 %.
Аналiз температурних градiентiв на зовшшнш та внутршнш поверхнях металево! балки прогоново! будови моста, при температурi зовнiшнього середовища
-1,8 °С, показав, що на зовнiшнiй поверхш (рис. 3) температура змiнюеться у межах вщ - 1,8 °С до + 1,0 °С, у той час, як на внутршнш поверхш (рис. 4) вона змшюеться у межах вщ -1,8 °С до -0,2 °С.
Гiстограми розподшу температури на зовнiшнiй та внутршнш (рис. 3, 4) сторонах металево! балки прогоново! будови моста показують, що температура поверхш iз зовшшньо! сторони у межах вщ +0,0 °С до -1,8 °С зустрiчаеться близько 60 % висоти балки, а у межах вщ +0,0 °С до +1,0 °С -40 %. На внутршнш сторонi температура у межах вщ -0,2 °С до -2,0 °С зустрiчаеться близько 100 % висоти балки.
Риc. 2. Розподш температyри на внyтрiшнiй сторош залiзобетонноï балки прого-ново! 6удови залiзничного моcта перегонy Пiдзамче - Львiв, 1475 км пк6 Львiвcькоï
залiзницi
Отже, зовнiшня cторона металево! ператyрy, за ïï внyтрiшню сторону, i рiз-балки прогоново! 6удови, мае вищу тем- ниця коливаeтьcя y межах +1,0°С.
Риc. 3. Розподш температури на зовшшнш сторош металево'1' балки прогоново'1' будови залiзничного моста перегону Пщзамче - Львiв, 1475 км пк8 Львiвcькоï залiзницi
Нц1од1вгп __
Г ИЫу^икГ 1(01Ьеям и п!*Т « С(Ашт|ш ^
Мампиш -2,0 'С Манячт -0.2 "С -1.0 "С
35.0 30.0 25,0 * 20,0 15,0 10.0 5,0
1
-2.0 -16 -1.2 -о е -04 -0,1 0,3 0,7 1,1 1.5
НчЗ| -Г в яв И»; -17 *С М|в«тмт. -0.2 *С -1,0 X
0.0 ■од Л.4
-0,6 -с **
-1.0 -и ^д/—
-1,4 -Ц6 -1Д
Рис. 4. Розподш температури на внутрiшнiй сторонi металево! балки прогоново! будови зал1зничного моста перегону Пщзамче - Льв1в, 1475 км пк8 Льв1всько1 залпзнищ
и 3 £4 11 О ■
г Мч .
ми
5сд1е
РГЭК1
•а >
■:3-5 -3.0 — 2,5 ■Ё-2,0 —1,5 —1.0 К-0,5
Е-0,0
■•0,5 ■■1,0
Г- УшЛуА« Г-
-1.0 'СМвт ■Яг Э.1 *€ А'1«еде 0.9 "С
30,0 25.0 * 20.0 15,0 10.0
1
' _ ■
1 -0,6 -0,1 0,5 ГО 1 X 2 2,6 3 3,6
ТНвдта) глад* гимке«
и
N0 Т етр ["С] | Етих Ре11.Те<тр. (XI Пели*
М53 ■0.5 О.ЭЗ 20.0
ММ -0.6 О.ЭЗ 20.0
Неа) гиде
С И Л ■= »
на » 3 и з
ИгяГчт -0.8 "С Манагмп Э.О 1
Ж
В
г
Рис. 5. Розподш температури на зовнiшнiй сторош сталезашзобетонно! балки про-гоново! будови зашзничного моста перегону Пiдзамче - Львiв, 1476 км пк1 Львiвськоi
залiзницi
ГГГЭ 1
(ль .
НкЬ^ат
^ п] «Т ®. 1 Г»-3
М™тн*п: Л З 1 Маитшг 3,3 Т 16 "С
-5.0
— 2,5
.-2,0 |
0,0 -0,5
30,0 25.0 20,0 15.0 10,0
£
-
И
Но [гетр [-С1 Етн*. (ВвйТтгр.га
М34 0,1 0,93 20.0
> М35 0,7 0,93 20.0
Е Н ■ Ш ' 'Ф
<1.5 -0.1 0.4 1.0 1Г5 2.0 2.6 3,1 3.6 42 4,1 ■С
РгаЯ»
и з -«/-н щт
Мгтнжп: -0.3 "С Мвнтоипг 3.1 "С Аъчг«д»: 1.6 "С
Рис. 6. Розподiл температури на внутршнш сторонi сталезашзобетонно! балки про-гоново! будови залiзничного моста перегону Пщзамче - Львiв, 1476 км пк1 Львiвськоi за-
лiзницi
1з температурного профшю сталеза-лiзобетонноï балки прогоново'1 будови моста (рис. 5, 6) випливае, що температура у ï'ï вертикальному напрямку розподшяеться неоднаково. Найнижчi температурш гра-дiенти на зовшшнш поверхш, при темпе-ратурi зовнiшнього середовища +5,0 °С, були зафжсоваш у залiзобетоннiй плитi у межах вщ -0,1 °С до -1,1 °С у той час, як у металевш балцi температура змшювалася у межах вiд +0,5 °С до +3,6 °С.
На внутршнш поверхнi
сталезалiзобетонноï балки прогоново'' будови температура розподiляеться таким чином: у залiзобетоннiй плитi температура змшюеться у межах вiд -0,1 °С до -0,6 °С, а у металевш балщ - у межах вщ +0,4 °С до +3,0 °С.
Гiстограми розподiлу температури на внутршнш та зовнiшнiй сторонах сталезатзобетонно! балки прогоново'' будови показують, що температура поверхнi на ïï зовшшнш сторош у межах вщ -0,1 °С до -1,6 °С зустрiчаеться близько 42 % висоти балки, а вщ +0,5 °С до +3,6 °С - 58 %. На ïï внутршнш сторонi температура у межах вщ -0,1 °С до -0,6 °С зустрiчаеться близько 3 % висоти балки, а у межах вщ +0,4 °С до +3,6 °С - 97 %.
Проаналiзуемо перепад температури мiж зовшшньою (фасадна сторона балки, яка зазнае впливу сонячно'' радiацiï) та внутршньою (сторона балки, яка знахо-диться у rim) стороною балок залiзничних мостiв.
При виконаннi даного аналiзу виби-раемо точки, якi знаходяться на зовшшнш та внутршнш поверхнях балки одна на-впроти одно''. Результат аналiзу перепаду температури мiж зовнiшньою та внутрш-ньою поверхнями балок прогонових будов залiзобетонного моста наведений на рис. 7,
металевого - на рис. 8 та сталезалiзо-бетонного на рис. 9.
Як показали дослщження, при яснш погоду мiж зовнiшньою та внутршньою сторонами залiзобетонних балок моста виникае перепад температур, оскшьки та сторона балки, яка повернута до сонця про^ваеться до 6шьшо1 температури шж 11 протилежна сторона. 1з рис. 7 видно, що максимальний перепад температури мiж зовнiшньою та внутршньою поверхнями зафiксовано 04.02.2013 р. о 14:00 год. у нижнш поличщ вiн складае -2,9 °С, у стшщ балки -2,7 °С та у верхнш поличцi -1,6 °С.
1з рис. 8 видно що температура розподшяеться нерiвномiрно у вертикальному напрямку металево! балки. Стшки балки, якi повернутi до сонця на^ваються до вищо'1 температури шж верхня та нижня полички балки. У добу 05.02.2013 р. о 08:10 год. максимальна величина перепаду темпераратури мiж зовшшньою та внутршньою поверхнями металево'].' балки склала +4,2 °С.
Аналiз перепаду температури мiж зовнiшньою та внутрiшньою поверхнями металевоi балки сталезалiзобетонного моста (рис. 9) показав, що максимальна величина перепаду температури була зафшсована 04.02.2013 р. коли при сонячнш погодi о 14:20 год. металева балка прогршася до температури +1,3 °С, а внутрiшня мала вщ'емну температуру -1,1 °С. При цьому температурний перепад склав +2,4 °С.
Мiж зовнiшньою та внутрiшньою поверхнями залiзобетонноi плити прогоново'1 будови максимальний темпе-ратурний перепад у поперечному й напрямку зафiксовано 04.02.2013 р. i вiн складае +1,8 °С
Т, °С 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4
16:00
03.02.2013
8:00
14:00
04.02.2013
20:00
Дата та час
8:00
14:00
05.02.2013
- ч>-
-•-о-
--х-
Температура Температура Температура Температура Температура Температура Температура
нижньо1 полички балки iз и зовшшньо' сторони стiнки балки iз и зовшшньо! сторони верхньоi полички балки iз 11' зовнiшньоi сторони нижньо! полички балки iз 11' внутршньо! сторони стiнки балки iз 11 внутрiшньоi сторони верхньо! полички балки iз !1 внутрiшньоi сторони навколишнього середовища_
Рис. 7. Розподш температури на зовншнш та внутршнш сторонах зал1зобетонно! балки прогоново! будови зашзничного моста
Т, °С
— Температура -в— Температура
— Температура ■о- - Температура ■о- - Температура
■ Температура • Температура
нижньо' полички балки iз 11 зовшшньо' сторони стшки балки iз Г1 зовнiшньоi сторони верхньо' полички балки iз 11 зовшшньо' сторони нижньо' полички балки iз 11 внутршньо1 сторони стшки балки iз 1Т внутрiшньоi сторони верхньо' полички балки iз 11 внутрiшньоi сторони навколишнього середовища
Рис.8. Розподш температури на зовшшнш та внутршнш сторонах металево'1 балки прогоново'1 будови зал1зничного моста
—Ф— Температура нижньо1' полички металево' балки 1з 11' зовшшньо'' сторони —©— Температура стшки металево'' балки 1з 11' зовшшньо' сторони —*— Температура верхньо' полички металево'' балки 1з 11' зовшшньо'' сторони —А— Температура зал1зобетонно1' плити 1з 11' зовшшньо! сторони -•-©-■- Температура нижньо1' плички металево'' балки 1з 11' внутршньо' сторони
о Температура стшки металево'' балки 1з 11' внутршньо' сторони -•-х--- Температура верхньо' полички металево'' балки 1з 11' внутршньо' сторони ...д-.. Температура зал1зобетонно1' плити 1з 11' внутршньо' сторони _ Температура навколишнього середовища_
Рис. 9. Розподш температури на зовштнш та внутршнш сторонах сталезатзобетонноТ балки прогоново'1 будови зал1зничного моста
Висновки
При розрахунках мостових конструкцш (грунтуючись на даних результатах та попередшх) на д1ю кл1матичних температурних вплив1в слщ розглянути таю випадки:
- початковий розподш температур поверхнями балок прогонових будов рекомендусться приймати за даними зам1р1в для юнуючих споруд, або за даними зам1р1в для конструкцш аналопв;
- температуру зал1зобетонно'1 балки за кшматичним районом необхщно приймати такою, яка р1вна максимальнш температур1 навколишнього середовища, що зафксована у даному райош плюс 5 °С у теплий перюд року чи р1вною найнижчш температур1 навколишнього середовища, яка зафксована у зимовий перюд року. При цьому середню температуру фасадно'1 сторони балки необидно визначати за температурою 11' поличок та стшки;
- для металевих моспв 1з ор1ентащею поздовжньо'1 ос твшч-твдень температу-
ру за кл1матичним районом необхщно збшьтити на 10°С, що пояснюеться бшьтим впливом сонячно'1 рад1аци в общш години доби при яснш погод1 у теплий перюд року чи р1вною найнижчш температур1 навколишнього середовища, яка зафксована у зимовий перюд року мшус 5 °С;
- при проектуванш сталезал1зобетонних моспв 1'х температуру необхщно приймати, як середньозва-жену за температурою поличок та стшки балки, а також зал1зобетонно'1 плити;
- при односторонньому нагр1ванш конструкци слщ виконувати розрахунки температурних пол1в 1 напружень для дня року, що приблизно вщповщае умовам найбшьт спекотно'1 доби, а також для весняного перюду при суттевш р1знищ м1ж шчною та денною температурою повгтря.
Список лггератури
1. Ковальчук В. В. Стан та проблеми забезпечення довговiчностi прогонових будов moctíb / В. В. Ковальчук // 36ipH^ наукових праць Дон1ЗТ. - Донецьк, 2012. - №32. - С.
2. Споруди транспорту. Мости i труби. Правила проектування: ДБН В.2.3-14:2006. - К.: Мшбуд Украши, 2006. - 359 с
3. Рекомендации по расчету температурных и усадочных воздействий на пролетные строения мостов Одобрены Главтранспроектом-Москва, 1988. - 17 с.
4. EN_1991-1-5-2009 Еврокод 1 воздействия на конструкции Часть 1-5. Общие воздействия. Температурные воздействия. Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь-Минск, 2009. - 38 с.
5. AASHTO Guide specifications: Thermal effects in concrete bridge superstructures. Washington, DC: American Association of State Highway and Transportation Officials. - AASHTO, 1989. - 99 с.
6. Priestley. Ambient Thermal Response of Concrete Bridges / Priestley, M.J.N., Buckle, I.G. - Bridge Seminar, 1978. - Summary Volume 2.
7. Dilger W. H. Temperature Stresses in Composite Box Girder Bridges / W. H. Dilger, A. Ghali, M. Chan, M. S. Cheung, M. A. Maes // Journal of Structural Engineering.- 1983. - v.109. - №6. - P.1460 - 1478.
8. Prakash Rao. D. S. Temperature Distribution and Stresses in Concrete Bridges / D. S. Prakash Rao // American Concrete Institute, АС1 Journal. :US A, 1986. - V. 83 -№4. - P. 588-596.
9. Shiu K. Ham. Seasonal and Divenal Behanol of Concrete Box Girder Brides / Shiu K. Ham. // Transportation Research record, 1984. - № 982. - P. 50-56.
10. Serrano P. Simulation del compor-tarniento termico de tableros de Puente / P. Serrano, J. Cruces // Hormigon у acero. -1986 - № 161. - P. 21-34.
11. Emerson M. Bridge temperatures for setting bearings and expansion joints / M. Emer-
son // ansport and Research Laboratory, Supplementary Report. - 1979. - №479. - P. 1-18.
13. Hoffman P. C. Temperature Problem in a Prestressed Box-Girder Bridge / P. C. Hoffman, R. M. Meclur, H. H. West // Transportation Research Record. - 1984. -№982. - P. 42-50.
14. Лучко Й. Й. Вимiрювання на-пружено-деформованого стану конструкцш моспв при змшних температурах i навантаженнях. Монографiя / Й. Й. Лучко, В. В. Ковальчук - Львiв: Каменяр, 2012. - 235 с.
Анотацн:
Ключовi слова: зал!зобетонн! мости, мета-лев! мости, сталезал!зобетонн! мости, розпод!л температури, кл!матичн! температурн! впливи.
У робот! наведен! результата експеримен-тальних досл!джень розпод!лу температури зал!зобетонними, металевими та
сталезал!зобетонними балками прогонових будов зал!зничних моспв. Виконано анал!з розподшу тем -ператури у !х вертикальному напрямку та анал!з перепаду температури м!ж !х внутр!шньою та зовтшньою поверхнями. За результатами експери-ментальних вим!рювань сформульован! рекомендаций щодо врахування температурних вплив!в на мости ус!х тип!в.
В работе приведены результаты экспериментальных исследований распределения температуры по железобетонных, металлических и ста-лежелезобетонных пролетных строениях мостовых конструк-ций железнодорожных мостов. Выполнен анализ распределения температуры в их вертикальном направлении и анализ перепада температуры между их внутренней и внешней поверхностями. По результатам экспериментальных измерений сформулированые рекомендации по учету температурных воздействий на мосты всех типов.
The results of experimental studies of the temperature distribution in concrete, metal and composite bridge constructions of the railway bridges are presented. The analysis of temperature distribution in the vertical direction and their analysis of temperature difference between their inner and outer surfaces are conducted. According to the results of experimental measurements the recommendations on counting of temperature effects on all types bridges are given.
