CC BY
11
4. Ефименко, С.В. Обоснование расчетных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд автомобильных дорог (на примере Западной Сибири): Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Омск, 2006 - 23 с.
5. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги I Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 56 с.
6. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд I под ред. И.А. Золотаря,
Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. - М. : Транспорт, 1971. - 416 с.
7. Автомобильные дороги (Совершенствование методов проектирования и строительства) I В.М. Сиденко, О.Т. Батраков, М.И. Волков [и др.]. - Киев : Будивельник, 1973. -278 с.
8. Прикладная статистика: классификация и снижение размерности I под ред. С.А. Айвазяна. - М. : Финансы и статистика, 1989. - 607 с.
9. Kaiser, H.F. The varimax criterion for analytic rotation in factor analysis I H.F. Kaiser II Psy-chometrica, 1958. - 154 p.
10. Боровко, H.H. Статистический анализ пространственных геологических закономерностей I Н.Н. Боровко. - Л. : Недра, 1971. - 173 с.
11. Справочное пособие по высшей математике. Математический анализ: ряды, функции векторного аргумента I И.И. Ляшко, А.К. Боярчук, Я.Г. Гай, [и др.]. - М. : УРСС, 1998. -224 с.
V.N.EFIMENKO, M.V. BADINA, S.V. EFIMENKO
SPECIFYING DISLOCATION OF BOUNDARIES OF ROAD-CLIMATIC ZONES ON THE TERRITORY OF THE WEST SIBERIA USING THE METHODS OF MATHEMATIC MODELLING
The algorithm of specifying dislocation of boundaries of road-climatic zones on the territories of separate administrative formations has been carried out by using the methods of mathematic modelling.
УДК 624.21.02.021
Н.Н. БОЧКАРЕВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,
А. В. КАРТОПОЛЬЦЕВ, канд. техн. наук, доцент,
М. В. ПИРЯЕВ,
Е.В. БАЛАШОВ ТГАСУ, Томск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА МОДЕЛИ БИСТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ МАТЕРИАЛА В УПРУГОЙ И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ СТАДИЯХ
В статье представлены результаты ударных испытаний модели бисталежелезобетон-ного пролетного строения на различных стадиях напряженно-деформированного состояния материала после статического загружения конструкции.
© Н.Н. Бочкарев, А.В. Картопольцев, М.В. Пиряев, Е.В. Балашов, 2007
При проектировании, расчете и эксплуатации автодорожных мостов наряду со статическим воздействием необходимо учитывать и динамическое воздействие временной нагрузки. Динамические процессы в наибольшей степени проявляются в элементах пролетного строения. Одним из основных параметров, определяющим динамическую реакцию пролетных строений мостов, является частота собственного колебания.
Для экспериментальных исследований на заводе в г. Новокузнецке была изготовлена модель блока реального бисталежелезобетонного пролетного строения. Блок состоит из металлического поддона размером 6120x2100x100 мм и двух перфорированных балок из широкополочных двутавров № 30Б1 с параллельными гранями полок, которые объединены в половине пролета и в опорных сечениях швеллерами № 20. Конструкция бистальной балки имеет следующее исполнение: верхний пояс и стенка до сварного шва по середине своей высоты выполнены из стали 16Д, а нижний пояс и остальная часть стенки - сталь 10Г2С1Д (рис. 1). Длина балок составляет 6120 мм, высота 480 мм, а расстояние между осями равно 1400 мм. По длине балки имеется десять перфорированных отверстий в форме шестигранников. С целью объединения железобетонной плиты с балками для совместной их работы на металлическом поддоне приварено семнадцать жестких упоров из равнополочных уголков 63x63 мм.
Фасад модели
Рис. 1. Модель блока бисталежелезобетонного пролетного строения
Железобетонная плита сечением 2100x100 мм выполнялась из мелкозернистой бетонной смеси класса В30. Армирование плиты производилось сеткой с размером ячеек 200x200 мм из арматуры й = 10 мм.
Для статического испытания модели пролетного строения в лаборатории железобетонных конструкций ТГАСУ был собран самонесущий стенд (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид самонесущего стенда
Статическое загружение исследуемой конструкции осуществлялось с помощью двух 100-тонных гидравлических домкратов ДГ-100, установленных в середине пролета.
Ударные испытания модели пролетного строения проводились путем сбрасывания груза с высоты 0,5 и 1,0 м в четверти и середине пролета на песчаную подушку. Каждая серия сбрасываний включала 10 попыток. В качестве груза использовалась металлическая гиря массой 25 кг, которая сбрасывалась с высоты с помощью бомбометателя (специального устройства, разработанного сотрудниками лаборатории железобетонных конструкций ТГАСУ).
Колебательный процесс фиксировался четырехканальным виброизмери-тельным комплектом приборов на базе акселерометров KD-35, которые были установлены на нижних поясах двух главных балок в четверти и середине пролета. Положение акселерометров не менялось в течение всего эксперимента.
Регистрация колебательного процесса и обработка полученных виброграмм были выполнены с использованием специализированного программного обеспечения: регистрирующей программы BONICA-QB и программ обработки FILTR, SPECTR и Microcal ORIGIN.
Экспериментальные исследования проходили в несколько этапов.
На первом этапе эксперимента производились только ударные испытания модели пролетного строения без железобетонной плиты, по результатам которых установлено, что частота собственного колебания модели пролетного строения составила 32,2 Гц.
На этом этапе материал не подвергался статическому загружению, следовательно, его напряженно-деформированное состояние соответствует упругой работе.
На втором этапе эксперимента после статического загружения модели бистального пролетного строения с железобетонной плитой до 24 т с последующей разгрузкой не были зафиксированы остаточные прогибы, следовательно, материал также работал в пределах упругой стадии. Сразу после статического загружения были проведены ударные испытания, которые выявили, что частота собственного колебания исследуемой конструкции снизилась и равна 23,4 Гц.
На третьем этапе эксперимента после статического загружения модели бисталежелезобетонного пролетного строения до 50 т и снятия нагрузки были зафиксированы остаточные деформации, что соответствует работе материала в упругопластической стадии. Сразу после статического загружения были проведены ударные испытания и зафиксировано дальнейшее снижение частоты собственного колебания до значения 22,6 Гц.
На четвертом этапе эксперимента статическое загружение модели биста-лежелезобетонного пролетного строения доводили до 62 т. Результатом статического испытания явилась потеря местной устойчивости стенки главных балок (рис. 3). После снятия статической нагрузки были зафиксированы остаточные деформации, подтверждающие работу материала в упругопластической стадии, которая была достигнута на третьем этапе эксперимента. Вслед за статическим загружением были проведены ударные испытания, по результатам которых установлено, что частота собственного колебания исследуемой конструкции составила 23,4 Гц.
Согласно рис. 4 теоретическое значение частоты собственного колебания невесомого элемента (собственный вес конструкции не учитывается) при нагрузке Q имеет следующее выражение:
где уст - прогиб элемента при статическом действии нагрузки весом Q ; g -ускорение силы тяжести.
Если обозначить через q величину нагрузки, которая вызывает единичное перемещение элемента, то
где mГp - масса приложенной нагрузки.
Величина q зависит от вида деформации и статической схемы конструкции.
(1)
(2)
Рис. 3. Общий вид потери местной устойчивости стенки главной балки
Для балки, свободно лежащей на двух опорах с сосредоточенной нагрузкой, приложенной посередине пролета, величина q определяется как
48Ы
Ч = -
(3)
Для учета собственного веса конструкции в формулу (2) добавляется приведенная масса тприв :
/ = — 2п ‘
Ч
тГР + тприв
Точка приложения приведенной массы тприв принимается совмещенной с точкой приложения силы Q, а величина ее определяется по формуле
где тК = ()К/g - масса конструкции; ()К - вес конструкции.
В результате полученных преобразований формула для определения теоретического значения частоты собственного колебания имеет вид:
Анализируя формулу (6), можно сделать вывод, что если увеличить массу конструкции (добавив железобетонную плиту), то частота собственного колебания снизится пропорционально увеличившемуся весу, что и подтверждается результатами ударных испытаний на 1-м и 2-м этапах. В частности, частота собственного колебания снизилась с 32,2 до 23,4 Гц.
После очередного статического загружения в 50 т зафиксировано дальнейшее снижение частоты собственного колебания с 23,4 до 22,6 Гц. При этом на данном этапе статического загружения были зафиксированы остаточные деформации пролетного строения за счет изменения момента инерции рабочего сечения балки. Процесс изменения геометрической характеристики рабочего сечения конструкции заключается в следующем: с началом нагружения пролетного строения материал начинает работать в упругом состоянии, однако с каждым этапом увеличения нагрузки металл, воспринимающий все возрастающие усилия, на определенном этапе уже не в состоянии испытывать напряжения, не деформируясь, и нижние волокна нижней полки двутавра постепенно теряют свою упругость, переходя в упругопластическую стадию своей работы и постепенно выключаясь таким образом из общего рабочего сечения (рис. 5).
Рис. 5. Изменение геометрии поперечного сечения главной балки вследствие потери местной устойчивости стенки
Процесс выключения фибровых волокон балки приводит к уменьшению величины момента инерции пролетного строения, а согласно формуле (6), влечет за собой снижение частоты собственного колебания конструкции, что и подтверждается экспериментом.
(5)
(6)
На четвертом этапе статического загружения до 62 т зона пластических деформаций нижней полки увеличилась еще больше, что еще больше ослабляет момент инерции пролетного строения, что должно привести к дальнейшему снижению частоты собственного колебания конструкции. Однако вопреки этому наблюдается увеличение частоты с 22,6 до 23,4 Гц. Это объясняется тем, что увеличился модуль упругости металла: в ходе многократных статических загружений произошло так называемое явление наклепа - многократное достижение материалом предела текучести и превышение его, повлекшее за собой изменение структуры и механических свойств материала (рис. 6) с последующим повышением жесткости элемента.
Рис. 6. График изменения напряженно-деформированного состояния металла после многократных статических загружений:
1 - до 24 т; 2 - до 50 т; 3 - до 62 т
В результате проведенных экспериментальных исследований модели бисталежелезобетонного пролетного строения получены данные по колебательному процессу конструкции на различных стадиях напряженно-деформированного состояния материала, что позволило выявить следующее:
- снижение частоты собственного колебания конструкции связано с увеличением ее массы;
- снижение частоты собственного колебания конструкции в связи с изменением геометрических параметров пролетного строения (уменьшение момента инерции, а также вследствие возможной потери местной устойчивости несущих элементов);
- повышение частоты собственного колебания конструкции из-за упрочнения металла в связи с процессом наклепа, произошедшего в металле в ходе многократных статических загружений.
Выявленные закономерности изменения частоты собственного колебания на разных этапах напряженно-деформированного состояния конструкции позволяют сделать выводы о техническом состоянии пролетных строений мостов, а также отслеживать различные явления, происходящие в них, выявляя и предупреждая опасные процессы разрушения несущих элементов конструкции на различных стадиях их появления и развития при статическом и динамическом нагружении.
Библиографический список
1. Ефимов, П.П. Экспериментальные методы исследования мостов / П.П. Ефимов. - Омск, 1994. - 195 с.
2. Бабаков, И.М. Теория колебаний / И.М. Бабаков. - М. : Наука, 1968. - 560 с.
3. Снитко, Н.К. Динамика сооружений / Н.К. Снитко. - М. : Госстройиздат, 1960. - 310 с.
N.N. BOCHKARYOV, A.V. KARTOPOLTSEV, M.V. PIRYEV,
E.V. BALASHOV
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF OSCILLATORY PROCESS OF BISTEELCONCRETE MODEL FLYING STRUCTURE AT WORK OF THE MATERIAL IN ELASTIC AND ELASTIC - PLASTIC STAGES
In article results of shock tests of bisteelconcrete model a flying structure at various stages tensely-deformed conditions of a material after static testes are submitted to a design.
