CC BY
57
УДК 624.21; 625.745.1/2
Калинин Иван Сергеевич
ФГБВОУ ВПО «Военно-технический университет» Министерства обороны Российской Федерации
Россия, Балашиха1
Адъюнкт кафедры 12 (строительства объектов специального назначения)
E-Mail: IvanKalinin1987@yandex.ru
Шутов Евгений Дмитриевич
ФГБВОУ ВПО «Военно-технический университет» Министерства обороны Российской Федерации
Россия, Балашиха
Профессор кафедры 13 (автомобильных дорог, мостов и тоннелей)
Кандидат технических наук, доцент E-Mail: IvanKalinin1987@yandex.ru
Экспериментальные исследования работы конструкции со сдвоенными опорными частями на мелкомасштабной модели
Аннотация. Выбор расчётной модели для пролетных строений - достаточно сложная задача, при решении которой во многих случаях требуются теоретические и экспериментальные исследования. В статье приведены данные о результатах экспериментальных исследований работы конструкции со сдвоенными опорными частями для усиления балочных мостов на мелкомасштабной модели из органического стекла. Параметры модели соответствуют данным для параметрического моста. Исследования работы пролетных строений на модели показали достаточно хорошее совпадение опытных и теоретических данных. Результаты опытов напрямую относятся к выявлению расчетной схемы конструкции и не учитываются с теоретическими положениями, основанными на теории упругости. С помощью разработанной мелкомасштабной модели в зависимости от изменения расчетной схемы (из разрезной в неразрезную, в неразрезную со сдвоенными опорными частями), а также от переменных параметров в виде грузов, мест приложения нагрузок, условий защемления пролетных строений - проведен лабораторный многофакторный эксперимент. Эксперимент проведен на методологической основе планирования эксперимента. В работе сделан анализ полученных тензометрических данных и обобщение их до изгибаемых моментов и напряжений в пролетных строений при воздействии сосредоточенных нагрузок. Выявлена расчетная схема конструкции со сдвоенными опорными частями, оценена эффективность данной конструкции, проведен поиск оптимального расстояния между опорными частями, при котором максимально действует эффект сдвоенных опорных частей. Оценена несущая способность пролетных строений параметрического моста.
Ключевые слова: сдвоенные опорные части; эксперимент; модель; параметрический мост; тензометрическая станция; тензорезисторы; расчетная схема.
1 143900 Московская область, г. Балашиха ВТУ, ул. Карбышева д. 8 НИО (Калинину И.С.) 1
Введение
Применяемые для пролетных строений моста несущие конструкции можно рассматривать как континуальные, дискретные и дискретно-континуальные системы. Выбор расчётной модели для пролетных строений - достаточно сложная задача, при решении которой во многих случаях требуются теоретические и экспериментальные исследования.
Для железобетонных пролетных строений современными нормами допускаются расчеты в предположении линейной упругости материалов.
Испытания натурных конструкций проводятся лишь в начальной стадии их работы, а испытательные нагрузки часто отклоняются от нагрузок, по которым это пролетное строение рассчитывалось. Поэтому весьма рациональном способом исследования конструкций, их развития и проектирования является в исследованиях является моделирование, а теоретические исследования, выполненные в предположении упругих свойств материалов, целесообразно объединить с экспериментальными исследованиями на моделях.
Методы исследований на моделях позволяют избежать многих трудностей, заложенных в теоретических исследованиях. На моделях можно исследовать конструкции с совершенно правильными граничными условиями, сложных геометрических форм и состоящих из материалов со свойствами, которые трудно выразить точными математическими формулами. Исследования на моделях позволяют провести более глубокие и обширные экспериментальные работы, чем на натурных испытаниях, установить характер трещинообразования и выявить механизмы разрушения сложных пространственных систем.
Исследованиями на моделях решают различные задачи. В зависимости от этих задач испытания на моделях можно разделить на три группы.
Первые две группы посвящены исследованию работ конструкций в упругой стадии с качественной оценкой их поведения. Эти исследования применяются для проверки уже разработанных способов расчета либо для создания новой, более совершенной методики расчета, а также для разработки приближенных методов расчета.
Модели в упругой стадии выполняются на - из любого пригодного материала с линейной упругостью.
Для изучения трехмерных конструкций путем измерения деформаций с помощью датчиков сопротивления, прогибомеров и др. служат методы второй группы. Исследования работы пролетных строений на моделях из органического стекла, проведенные в лаборатории СоюздорНИИ, показали достаточно хорошее совпадение опытных и теоретических данных. Однако полученные из таких опытов результаты относятся не к натуре, а к ее расчетной схеме и не учитываются теоретическими положениями, основанными на теории упругости.
Модели третьей группы приближаются к реальному сооружению, и данные, полученные при испытании таких моделей, гораздо ближе к истине, чем результаты, полученные при испытании моделей первых двух групп [1].
В статьях «К вопросу о выборе конструктивно-технологических решений повышения несущей способности железобетонных пролетных строений мостов» [2], «Выбор оптимальных параметров конструкции со сдвоенными опорными частями при усилении балочных мостов» [3] был рассмотрен перспективный способ усиления балочных мостов с помощью конструкции со сдвоенными опорными частями [4]. В настоящей статье представлена наиболее важная часть проделанной работы, а именно экспериментальные исследования работы конструкции со сдвоенными опорными частями на мелкомасштабной модели.
Конструкция мелкомасштабной модели и методика эксперимента
Модель железобетонного разрезного параметрического моста [5] с пролетами 18-27-18 м выполнена из органического стекла в масштабе М 1:50 (таблица 1). Модуль упругости материала Ем=1890 МПа. Длина модели моста L=1260 мм с расчетными пролетами L2=350 мм и Ll=540 мм.
Схема экспериментальной модели показана на рисунках 1-3, расчетная схема - рисунок 4.
Цель эксперимента - выявление расчетной схемы конструкции со сдвоенными опорными частями, сравнение теоретических данных с экспериментальными.
Мелкомасштабная модель разработана на 13 кафедре (автомобильных дорог, мостов и тоннелей) при участии автора [6]. При этом получено свидетельство на рационализаторское предложение №33 от 21.05.2014 года. Данная модель внедрена в учебный процесс по дисциплине «Строительная механика».
Таблица 1
Соотношение параметров мелкомасштабной модели
Параметр М 1:1 М 1:50 (модель)
Общая длина моста, мм 63000 1260
Пролеты реального моста, мм 18000-27000-18000 360-540-360
Зазор между балками min, мм 50 1
Зазор между балками max, мм 200 4
Ширина опоры при пролетах 15-30 м 1600 32
Расстояние между осями опирания балок соседних ПС, мм 700 14
250 5
Расстояния до опорной части (а, мм) 500 750 10 15
1000 20
Модель изготовлена из листового оргстекла с использованием клеевых соединений между элементами конструкции.
Модель параметрического моста включает основание, на котором установлено четыре опоры с размерами 160х120х30 мм и стойками высотой 40 мм, между стойками уложены пролетные строения толщиной 5 мм (рисунок 4). В стойках просверлены отверстия 40х6 мм из расчета пропуска опорных частей, выполненных из металлических шпилек длиной 150
мм, d=6 мм и цилиндров длиной 80 мм, d=8 мм (рисунок 5).
Испытания модели проводились в лабораторных условиях на специальном оборудованном месте в аудитории «Проектирования мостов» на 13 кафедре (автомобильных дорог, мостов и тоннелей). Модель устанавливали на жесткую поверхность.
Экспериментальная модель позволяет производить изменение и регулировку расчетной схемы при усилении параметрического моста по двух вариантам:
1. Разрезная система;
2. Неразрезная система со сдвоенными опорными частями.
Усиление проводилось из разрезной модели в неразрезную со сдвоенными опорными частями.
Использовались готовые пролетные строения из оргстекла. Конструктивное изменение осуществлялось путем расстановки опорных частей для осуществления жесткой связи пролетных строений и опор.
В качестве нагрузки использовали гири весом 01=0,5 кг 02=0,75 кг (рисунок 6).
Измерение изгибающих моментов в середине пролета в процессе испытаний производили путем преобразования показаний тензометрических датчиков станции А-17-Т8.
В качестве датчиков использованы тензорезисторы 5КП1-5-100Б-12, наклеены по мостовой схеме [7] (таблица 2, рисунок 7, 8).
Сечения для контроля параметров указаны на рисунке 9, для крайних - 1, для центрального пролета - 2. Тензорезисторы наклеены по обе стороны от сечения с двух сторон на удалении 5 мм, что при анализе дает точные показания в исходном сечении.
Рис. 1. Схема экспериментальной модели параметрического моста со сдвоенными опорными частями
Рис. 2. Узел А
Рис. 3. Поперечное сечение модели моста
http://naukovedenie.ru 28К0514
Рис. 5. Промежуточная опора с двумя опорными частями
Рис. 6. Нагрузка в виде гирь
Основной задачей модельных исследований являлась выявление расчетной схемы конструкции со сдвоенными опорными частями, сравнение теоретических данных с экспериментальными, оценка эффективности конструкции со сдвоенными опорными частями, поиск оптимального расстояния между опорными частями, при котором максимально действует эффект сдвоенных опорных частей.
Таблица 2
Схема подключения тензорезисторов
Наименование
Расстановка датчиков
Схема
4 активных тензорезистора (для измерений деформации изгиба)
Число тензорезисторов:4
Рис. 7. Наклейка тензорезисторов на пролетном строении
Рис. 8. Наклеенные тензорезисторы
А
1.2,0=18 м
&
4 Е3
л
И0=27 и
ЧЬ
12,0=18 м
3-5-20 см
\ 13.5-20 см
[2,0=36 см г [1,0=54 см [2,0=36 см
/ /I / 1 / \[3=0,1-0,4 см \и= Г / 0,Щ см
.мойель
Рис. 9. Расчетная схема с указанием сечений
Результаты испытаний модели из органического стекла. Обработка данных
Испытания модели выполнены в два этапа.
Первый этап - загружение параметрического моста до усиления при разрезной системе.
Второй этап - загружение параметрического моста после усиления при неразрезной системе со сдвоенными опорными частями.
Схема загружения испытательной нагрузкой в виде гирь массой 0,5 кг и 0,75 кг в середине крайних и центрального пролетов и выходное напряжение тензорезисторов (мВ/В) по результатам первого и второго этапов испытаний модели параметрического моста до и после усиления сведен воедино, и проведен анализ с помощью персонального компьютера (рисунок 10).
Рис. 9. Обработка результатов
От показаний выходного напряжения тензорезисторов перешли к напряжениям.
Обобщенные результаты измерений представлены в таблицах 3, 4.
От напряжений в сечениях модели перешли к изгибающим моментам.
Для мелкомасштабной модели параметрического моста осевой момент инерции принят постоянным (поперечное сечение пролетных строений не изменяется).
На основании этого оцениваем изгибающий момент от прямой зависимости от напряжения, что запишем функционалом (формула 1, таблица 5).
М = F(o-)
(1)
Таблица 3
Обобщенные данные по пролету 1
Нагрузка/ Расстояние а=250 мм а=500 мм а=750 мм а=1000 мм
данные Параметр До После До После До После До После
усиления усиления усиления усиления усиления усиления усиления усиления
0,5 кг ео (мВ) 3,24 2,41 3,082 2,164 2,941 2,06 2,846 2,303
ео/Е (мВ/В) 0,000814 0,000608 0,000758 0,000541 0,00073 0,000517 0,000711 0,000518
Во 0,00037 0,000276 0,000345 0,000246 0,000332 0,000235 0,000323 0,000235
о (кПА) 699,3 522,32 651,19 464,76 627,13 444,15 610,81 445,0
0,75 кг ео (мВ) 4,502 3,426 4,411 3,139 4,356 2,913 4,056 3,24
ео/Е (мВ/В) 0,001102 0,000851 0,001097 0,00078 0,001083 0,000735 0,001027 0,000807
Во 0,000501 0,000387 0,000499 0,000355 0,000492 0,000334 0,000467 0,000367
о (кПА) 946,718 731,086 942,42 670,09 930,39 631,43 882,28 693,28
Таблица 4
Обобщенные данные по пролету 2
Нагрузка/ Расстояние а=250 мм а=500 мм а=750 мм а=1000 мм
данные Параметр До После До После До После До После
усиления усиления усиления усиления усиления усиления усиления усиления
0,5 кг ео (мВ) 5,063 2,975 4,846 2,686 4,83 2,634 4,873 2,503
ео/Е (мВ/В) 0,001281 0,000752 0,001224 0,000678 0,001218 0,000658 0,001223 0,00063
Во 0,000582 0,000342 0,000556 0,000308 0,000554 0,000299 0,0005559 0,0002864
о (кПА) 1100,495 646,0364 1051,527 582,4636 1046,373 565,2818 1050,6682 541,22727
0,75 кг ео (мВ) 7,368 4,266 7,031 3,713 7,04 3,527 6,802 3,495
ео/Е (мВ/В) 0,001862 0,001077 0,001767 0,000926 0,001773 0,000888 0,001708 0,000875
Во 0,000846 0,00049 0,000803 0,000421 0,000806 0,000404 0,000776 0,000398
о (кПА) 1599,627 925,2409 1518,014 795,5182 1523,168 762,8727 1467,327 751,7045
http://naukovedenie.ru 28К0514
Таблица 5
Эффект усиления конструкции СДОЧ параметрического моста
Нагрузка/ расстояние между опорными частями а=250 мм а=500 мм а=750 мм а=1000 мм Среднее значение, %
Пролет 1 0,5 кг 25,3 28,63 29,17 27,14 27,56
0,75 кг 22,77 28,89 32,13 21,42 26,3
Пролет 2 0,5 кг 41,29 44,60 45,97 48,48 45,08
0,75 кг 42,16 47,59 49,91 48,77 47,10
Сопоставление численных значений показывает, что при усилении конструкцией со сдвоенными опорными частями параметрического моста напряжение в модели, а в свою очередь и изгибающие моменты в середине пролетов уменьшились на 26,3 - 47,1%.
Это означает, что конструкция со сдвоенными опорными частями включает в совместную работу пролетные строения и промежуточные опоры в единую систему, что повышает жесткость моста.
Выводы по экспериментальным исследования работы конструкции со сдвоенными опорными частями на мелкомасштабной модели из органического стекла
Проведенные исследования показали:
1. Экспериментальные исследования на модели проведены в полном объеме в соответствии с теорией планирования эксперимента [8].
2. Анализ результатов позволяет выявить расчетную схему конструкции со сдвоенными опорными частями путем сравнения с теоретических данными.
3. Расчетная схема принятой конструкции со сдвоенными опорными частями для усиления балочных мостов работоспособна и эффективна.
4. Несущая способность пролетных строений параметрического моста на модели повышается до 47,1 % в процессе изменения расчетной схемы и оптимального расстояния между опорными частями а=5-20 мм на модели, что соответствует а=250-1000 мм для реального моста.
5. Изменение характера работы конструкции во многом зависит от интенсивности увеличения жесткости пролетного строения и опоры в связи с постановкой вертикальных тяжей и объединения балок в неразрезную систему. Повышение жесткости конструкции способствует более равномерному распределению нагрузки на пролетное строение.
6. Конструкция со сдвоенными опорными частями способствует значительному повышению жесткости пролетного строения параметрического моста и существенному повышению его несущей способности.
7. При реализации предлагаемого способа усиления пролетного строения балочных мостов путем конструкции со сдвоенными опорными частями при полученной расчетной схемы улучшаются эксплуатационные характеристики (увеличивается несущая способность в крайнем пролете на 26,3 - 27,56%, в центральном пролете на 45,08 - 47, 1%).
8. Эффективность усиления пролетных строений параметрического моста обеспечивается жестким защемление ПС на промежуточных опорах и их совместной работы.
9. Для параметрического моста, разработанного с учетом коэффициентов а=0,66~0,7 и Р=0,02, расстояния между опорными частями равняется Ьэ=540 мм. С учетом экспериментальных исследований наибольший эффект конструкции со сдвоенными опорными частями при усилении данного моста достигается при расстоянии между опорными частями а=500-750 мм, что соответствует теоретическим исследованиям.
10. Экспериментальные данные, полученные в работе, служат для уточнения теоретических исследований конструкции СДОЧ.
11. Эффективность усиления пролетных строений предложенным способом во многом будет зависеть от жесткостных параметров конструкции и от соотношения пролетов.
Материалы экспериментальных исследований на мелкомасштабной модели вошли в научно-исследовательскую работу «Усиление пролетных строений балочных металлических и железобетонных мостов при подготовке сети автомобильных дорог необщего пользования МО РФ» [9] и позволили провести натурный эксперимент на железобетонном путепроводе [10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Пастушков В.Г., Пастушков Г.П. Экспериментальные исследования пространственной работы железобетонных бездиафрагрменных пролетных строений на крупномасштабных моделях//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2011. №2. С.141-151.
2. Николаевский В.Е., Шутов Е.Д., Калинин И.С. К вопросу о выборе конструктивно-технологических решений повышения несущей способности железобетонных пролетных строений мостов//Материалы межвузовской научно-практической конференции. Инновационные технологии в мостостроении и дорожной инфраструктуре. - СПб: ВА МТО, 2014. С. 159-171.
3. Шутов Е.Д., Калинин И.С. Выбор оптимальных параметров конструкции со сдвоенными опорными частями при усилении балочных мостов// Сборник докладов XVIII научно-методической конференция ВИТУ. Дефекты зданий и сооружений. Усиление строительных конструкций. - СПб: ВИ (ИТ), 2014. С. 141 -151.
4. Калинин И.С., Шутов Е.Д., Николаевский В.Е. и др. Конструкция для усиления балочных мостов со сдвоенными опорными частями. Патент на полезную модель №130611. - М.: ФИПС, 2013.
5. Шутов Е.Д., Калинин И.С., Гляков М.Ю. Анализ технического состояния железобетонных балочных мостов на автомобильных дорогах оборонного значения Западного военного округа// Научно-технический сборник. Инв.№4999. - Балашиха: ВТУ, 2013. С. 191-205.
6. Калинин И.С., Шутов Е.Д., Николаевская Л.Л. и др. Мелкомасштабная модель конструкции со сдвоенными опорными частями. Удостоверение на рационализаторское предложение №33 от 21.05.2014. - Балашиха: ВТУ, 2014.
7. Формирование тензометрических мостовых схем [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.zetlab.ru/support/articles/tenzo/tenzo 8Ьет1.рЬр, свободный.
8. Сладкова Л.А., Ивановский В.С. Технические основы создания машин. -Балашиха: ВТУ ФАСС, 2010.
9. Калинин И.С., Шутов Е.Д., Николаевский В.Е. Усиление пролетных строений балочных металлических и железобетонных мостов при подготовке сети автомобильных дорог необщего пользования МО РФ//Научно-исследовательская работа. - Балашиха: ВТУ, 2014.
10. Калинин И.С. Экспериментальное усиление путепровода на автомобильной дороги М-9 «Балтия»//Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. Транспортное пространство России и Евразийского экономического союза в XXI веке. - Сочи: МАДИ, 2014. С. 89-96.
Рецензент: Николаевский Владимир Евстафьевич, заведующий кафедрой 13 (автомобильных дорог, мостов и тоннелей), к.в.н., доцент; ФГБВОУ ВПО «Военно-технический университет» Министерства обороны Российской Федерации.
Ivan Kalinin
Military-Technical University of the Ministry of Defense of the Russian Federation
Russia, Balashikha E-Mail: IvanKalinin1987@yandex.ru
Evgenij Shutov
Military-Technical University of the Ministry of Defense of the Russian Federation
Russia, Balashikha E-Mail: IvanKalinin1987@yandex.ru
Experimental studies of the structure with dual support parts
for the small-scale model
Abstract. Selection of a computational model for the superstructures - a rather difficult task in solving which in many cases requires theoretical and experimental studies. The article presents data on the results of experimental studies of the design with dual support portion to gain girder bridge on a small-scale model of organic glass. The model parameters correspond to the data for the parametric bridge. Studies of the superstructures on the model showed good agreement of theoretical and experimental data. The experimental results are directly related to the identification of the design scheme and design are not considered with the theoretical position based on the theory of elasticity. With the help of a small-scale model developed according to the design scheme changes (from a split in a continuous, in a continuous twin-bearing parts), as well as the variables in the form of goods, places the application loads, conditions pinching superstructures - The laboratory multivariate experiment. The experiment was conducted on the methodological basis for the planning of the experiment. The paper made analysis of the strain gauge data and summarize them to bending moments and stresses in superstructures when exposed to concentrated loads. Spotted design scheme design with dual support portion assessed the effectiveness of this design, search for the optimal distance between the supporting portions at which the maximum is in effect double leg portions. Estimated carrying capacity of the bridge superstructures parametric.
Keywords: Dual support parts; experiment; model; parametric bridge; strain gauge station; gages; design scheme.
REFERENCES
1. Pastushkov V.G., Pastushkov G.P. Jeksperimental'nye issledovanija prostranstvennoj raboty zhelezobetonnyh bezdiafragrmennyh proletnyh stroenij na krupnomasshtabnyh modeljah//Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Ohrana okruzhajushhej sredy, transport, bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2011. №2. S.141-151.
2. Nikolaevskij V.E., Shutov E.D., Kalinin I.S. K voprosu o vybore konstruktivno-tehnologicheskih reshenij povyshenija nesushhej sposobnosti zhelezobetonnyh proletnyh stroenij mostov//Materialy mezhvuzovskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Innovacionnye tehnologii v mostostroenii i dorozhnoj infrastrukture. - SPb: VA MTO, 2014. S. 159-171.
3. Shutov E.D., Kalinin I.S. Vybor optimal'nyh parametrov konstrukcii so sdvoennymi opornymi chastjami pri usilenii balochnyh mostov// Sbornik dokladov XVIII nauchno-metodicheskoj konferencija VITU. Defekty zdanij i sooruzhenij. Usilenie stroitel'nyh konstrukcij. - SPb: VI (IT), 2014. S. 141-151.
4. Kalinin I.S., Shutov E.D., Nikolaevskij V.E. i dr. Konstrukcija dlja usilenija balochnyh mostov so sdvoennymi opornymi chastjami. Patent na poleznuju model' №130611. -M.: FIPS, 2013.
5. Shutov E.D., Kalinin I.S., Gljakov M.Ju. Analiz tehnicheskogo sostojanija zhelezobetonnyh balochnyh mostov na avtomobil'nyh dorogah oboronnogo znachenija Zapadnogo voennogo okruga// Nauchno-tehnicheskij sbornik. Inv.№4999. - Balashiha: VTU, 2013. S. 191-205.
6. Kalinin I.S., Shutov E.D., Nikolaevskaja L.L. i dr. Melkomasshtabnaja model' konstrukcii so sdvoennymi opornymi chastjami. Udostoverenie na racionalizatorskoe predlozhenie №33 ot 21.05.2014. - Balashiha: VTU, 2014.
7. Formirovanie tenzometricheskih mostovyh shem [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.zetlab.ru/support/articles/tenzo/tenzo_shemi.php, svobodnyj.
8. Sladkova L.A., Ivanovskij V.S. Tehnicheskie osnovy sozdanija mashin.- Balashiha: VTU FASS, 2010.
9. Kalinin I.S., Shutov E.D., Nikolaevskij V.E. Usilenie proletnyh stroenij balochnyh metallicheskih i zhelezobetonnyh mostov pri podgotovke seti avtomobil'nyh dorog neobshhego pol'zovanija MO RF//Nauchno-issledovatel'skaja rabota. - Balashiha: VTU, 2014.
10. Kalinin I.S. Jeksperimental'noe usilenie puteprovoda na avtomobil'noj dorogi M-9 «Baltija»//Sbomik materialov Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Transportnoe prostranstvo Rossii i Evrazijskogo jekonomicheskogo sojuza v XXI veke. - Sochi: MADI, 2014. S. 89-96.
