CC BY
30
УДК 624.07.531.1
К. I. СОЛДАТОВ, А. Г. КРЮК,
В. I. БОРЩОВ, В. I. МАДАТОВ, Д. К. ЗАПОРОЖЕЦЬ| (ДПТ)
ВИПРОБУВАННЯ МЕТАЛЕВОГО АРОЧНОГО МОСТА ЧЕРЕЗ Р1КУ СТАРИЙ ДН1ПРО У ЗАПОР1ЖЖ1
Наведено методику та результата статичних i динамiчних випробувань металевого арочного моста через ршу Старий Днiпро у Запорiжжi, що були виконанi ГНДЛ динамiки моспв Д11Ту в 1975 р. Проведено аналiз результатов випробувань, з метою використання pезyльтатiв в теоретичних до^дженнях.
Приведена методика и результаты статических и динамических испытаний металлического арочного моста через реку Старый Днепр в Запорожье, выполненные ОНДЛ динамики мостов ДИИТа в 1975 г. Проведен анализ результатов испытаний, с целью использования результатов в теоретических исследованиях.
The article desribes the method and elists the results of static and dynamic tests of the metal arch bridge over the river Dnepr in the city of Zaporozhye that were executed by the Laboratory of Bridge Dynamics of Dnepropetrovsk Institute of Railway Transport Engineering in 1975. An analysis of the test results has been made, with the aim of use in theoretical research.
Мський мкт через р1ку Старий Дшпро у За-порiжжi з'еднуе правобережну частину мкта з центром, розташованим на лiвому березi Дшпра. Сприятливi геолопчш та топографiчнi умови переходу визначили вибiр арочно! системи. Балка жорсткост виконана нерозрiзною по всш довжи-нi (естакад пiдходiв та арки). Загальна довжина нерозрiзноl балки 320 м (12,8 х 25 м). Балка жор-сткостi - це сталезалiзобетонний балочний ростверк, що мае у поперечному перерiзi чотири балки, яю спираються на два (в поперечному перерь зi) стояки пщходв та арок. Сама прогонова будо-
ва моста комбшовано! системи з !здою верхом складаеться з металево! балки, об'еднано! з заль зобетонною плитою про1жджо1 частини за допо-могою упорiв (болти).
У русловому прогош балка пiдпружена гну-чкою металевою аркою прогоном 196 м. Про-фiль арки прийнято по колу радiусом 190 м. Вщстань мiж осями арок 7,5 м. Арки складеш прямолiнiйними вiдрiзками розмiрами 12 910 i 13 810 мм. Стик елеменпв сумiщений з крш-ленням надарочних стоякiв. Перерiз арок Н-образний. Схема моста наведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема мостового переходу та пеpеpiз балки жорсткост
Опорш частини балки жорсткоси, розмь щеш на стоянах, рухомi коткового типу. Опорш частини п'ят арок балансирного типу з шаршром для можливост регулювання !х положення.
Матерiал головних балок - сталь 10Г2С1Д, арок - сталь 16Г2АФ, в'язiв по балках i арках -сталь М16С. Про!жджа частина моста з збiрно-го залiзобетону (бетон марки 400, клас В35). Плита попередньо стиснута вздовж моста зу-силлям 24000 кН. Бшьш детальна iнформацiя по об'екту мiститься у [1].
Випробування моста було проведено галу-зевою науково-дослщною лабораторieю дина-мiки моспв ДИТу згiдно з чинними нормами вводу в експлуатащю великих моста i мостiв iндивiдуального проектування по програм^ розробленiй ДИТом, узгодженiй автором проекту та затвердженш замовником.
Програмою статичних та динамiчних ви-пробувань передбачалось визначити:
— яюсть змонтованих конструкцiй;
— дiйсну вантажошдйомшсть, деформа-тивнiсть i стiйкiсть елеменпв моста та моста в цшому;
— динамiчнi характеристики моста (пер> оди, частоти i декременти коливань, динамiчнi коефiцieнти).
Статичним випробуванням поддавались: ароч-ний прогiн i два прогони правобережно! естакади. Як випробувальне навантаження використовува-лись навантаженi самоскиди КрАЗ, вага яких ста-новила 250... 260 кН. Кiлькiсть автомобiлiв i роз-мiщення !х в колош для завантаження моста, ви-значались розрахунком, але було близьке до нормативного Н-30 на одну арку, що досягалося при завантаженнi трьох смуг арочного прогону моста з встановленням автомобiлiв в смузi через 12,8 м. Розмщення автомобiлiв по довжиш моста з кро-ком, який дорiвнюe довжинi панелi (12,8 м), за-безпечувало симетричне завантаження стояюв i опорних вузлiв арки.
Оскшьки при монтаж арки пiдвiшувались до балочного ростверку, то першим етапом ви-пробувань було визначення деформацiй (напруг в декшькох перерiзах по довжинi арки та стояках, прогошв у середиш та чвертi арки, проги-нiв балочного ростверку вiдносно арки). Схема розмщення приборiв при цьому випробуванш наведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема розмщення прибор1в
Вихвдними параметрами стану конструкцп на момент випробувань були:
— ростверк спирався на двi постiйнi береговi опори (5 та 6) та на двi тимчасовi (шд аркою);
— у панелях 2-3-4 знаходився вiзок вагою 300 кН;
— арки були частково стиснув домкратами зусиллям 4 000 кН (75% власно! ваги арки сприймали опори 5 та 6, а 25 % - ростверк);
— над арочш стояки розтягнуп тшьки силою власно! ваги.
при першому етат випробувань
— Пюля опускання балочного ростверку з'ясувалось, що:
— прогин замкового перерiзу арки склав 110 мм;
— напруги в перерiзах арки та стояках незначно вiдрiзнялись вщ розрахункових (до 15 %).
Схеми навантаження для отримання най-бiльших прогинiв, напруг та згинаючих мо-ментiв у перерiзах арки i балок ростверку наведен на рис. 3.
Рис.3. Схеми завантажень при статичних випробуваннях
У процесi проведення статичних випробу-вань вимiрювались такi величини:
— прогини обох арок у середиш i у чвертi прогону (у вузлах Н8 та Н4);
— прогини балок ростверку у середиш па-нелi В4''-В5'' арки i у серединi прогонiв 9-10, 10-11 правобережно! естакади;
— прогини автопро!зду по верховому бордюру;
— напруження в елементах верхово! арки оп. 6-Н1'', Н2''-Н3'', Н4''-Н5'' та Н7''-Н8'' i стояках надарочно! конструкци;
— напруження в поясах (верхньому та ни-жньому) балок Б2 i Б3 ростверка в панелi В3''-В4'' арочного прогону, над опорою № 6 i в прогонах 9-10, 10-11 правобережно! естакади;
— поздовжш перемщення кшщв балочного ростверку на опорах № 1 та 11.
Прогини арок, балок ростверка i перемь щення кiнцiв прогоново! будови вимiрюва-лись прогиномiрами типу ПМ-3 з щною по-дiлки 0,1 мм, прогини автопро!зду - швель ром НВ-1 з встановленням рейки на верховому бордюрi напроти стоякiв надарочно! конструкци. Напруження в перерiзах арок i в балцi ростверку вимiрювались механiчними тензометрами Аiстова та електричними приборами - тензометричною установкою з дро-тяними датчиками опору.
Схема встановлення приладiв i !х розташу-вання на поперечних перерiзах елементiв моста наведенi на рис 4.
В 7 (i S В 7" Bí" BS" В 4" ВЗ" В 2" В1" ВО" В 9" BIO" BU" В12" В13"
F О • *t
V 71)^ " о N - Ч —т» ^-^ 5К, - ■ ч , „--ч ч , X / ч N х->. ^ ч ^ ч 36 "ч. Ч ^ „>с J2 0Í-. 'fti^.
«о - -у'Л / / s / ч / / s s У А s / У s \ Р у 69 / У У s s* X -- ч ✓ V ч ч ^ч ^ N ч А. ' ч V ' ч чЧ N ч > ч ч ч N Ч ч ✓ ч X ч > Ii* ' ч Ч / N ✓ Л
7¿ Á 1 Я'' 68 г- Г - Ъ6' ^ ~ -э ч Ч - ' >ч -i. ~ У •V ' ' Ч. ; ■Ч > . r%¿
t
Позначсння:
• - М1сця BiiMipionaiiiifl напружень $ - лпсця втпрншанпи прогишв
к» о
Рис. 4. Схема розмщення приборов при статичних випробуваннях
Для уточнення коефщента поперечного встановлення навантаження i виявлення на-пруженого стану i деформативностi арочно! прогоново! будови при рiзних положеннях навантаження поперек мосту, завантаження по кожнш з вказаних на рис. 3 схемах проводилось
послщовно(посмужно) i шсля навантаження -розвантаження кожно! смуги брались вщлши по приладах.
Форма i величини прогинiв арочно! прогоново! будови, вимiрянi по верховому бордюру автопро!зду, наведенi на рис. 5.
Рис. 5. Форми та величини прогишв арки при р1зних схемах навантажень
Поздовжнi перемiщення кшщв балок ростверку на опорi № 11, при завантаженш по схемi 3 (див. рис. 5) не перевищують 24 мм, при завантаженш по схемi 4.. .23,5 мм i по схемi 5.. .18 мм.
Пiд час завантаження моста в прогонах 9-10 i 10-11 випробувальним навантаженням напруження у верхшх поясах балок не перевищували
100 кг/см2, а в нижшх - 160 кг/см2. Вимiрянi прогини балок в прогош 10-11 вщ випробувального навантаження не перевищували 1,5 мм.
Враховуючи унiкальнiсть споруди, бшьш ва-жливими слiд вважати динамiчнi випробування.
Результати статичних випробувань наведенi у табл. 1.
Таблиця 1
Напруження в перетинах арок, надарочних стояках i балках ростверку (кПа)
Найменування елемента конс- Шифр елемента № точок Схеми навантаження
№ 1 № 3 № 4 № 5
трукци 3 смуги 4 смуги
34 -2 100 0 +9 300 +18 500 -6 700
ВО'' 35 36 +18 900 -1 800 -10 500 +2 700 -63 000 +7 400 -84 000 +14 900 +53 600 -4 100
Балки 37 +25 200 -8 400 -50 400 -74 500 +46 300
ростверку 38 +3 400 +2 700 -1 300 -1 800 +3 400
В3''-Н4" 39 40 -43 000 +4 300 -10 100 +1 300 +71 400 -2 300 +96 600 -2 100 -84 000 +1 900
41 -42 000 -9 500 +68 500 +95 600 -79 800
В1''-Н1'' 42 -9 300 -8 400 - -7 400 -13 700
В2''-Н2'' 43 - - - - -
В3''-Н3'' 44 -14 700 -17 800 - -10 500 -24 200
Надарочш В4"-Н4" 45 -18 900 -20 000 - - -
стояки В5''-Н5'' 46 -22 000 - - -23 100 -31 500
В6''-Н6'' 47 -29 400 -40 000 - -24 100 -18 900
В7''-Н7'' 48 -16 800 -50 000 - -36 100 -12 600
В8''-Н8'' 49 - -26 300 - -31 500 -
50 -10 500 -69 300 -62 000 -71 400 -9 500
Арки Оп.6-Н1'' 51 52 -21 000 -12 600 -53 600 -70 300 -34 700 -58 800 -36 800 -70 400 -19 400 -11 600
53 -22 000 -69 000 -34 700 -39 900 -16 300
Н2''-Н3" 54 55 -18 900 -21 000 -46 200 -56 700 -44 100 -3 600 -49 400 -34 700 -10 500 -27 300
Арки Н4''-Н5" 56 57 -21 000 -15 700 -62 000 -57 800 -49 300 -34 700 -54 600 -37 800 -31 500 -35 700
Н7''-Н8" 58 59 -38 800 -27 300 -58 800 -54 600 -30 500 -26 300 -58 800 -28 300 -49 400 -33 600
Випробуванням тддавалась аркова прого-нова будова, при цьому вимiрялись такi дина-Mi4Hi характеристики:
— частоти i форми вiльних та вимушених просторових(горизонтальних, вертикальних i крутильних)коливань;
— декременти коливань;
— ампттуди вимушених горизонтальних коливань;
— динамiчнi коефiцieнти елементiв прого-ново! будови (арки, балки ростверку, стояюв надарочно! будови).
Для виявлення динамiчних характеристик вщ дп рухомого випробувального навантажен-ня, за допомогою тензометрично! установки на плiвку осцилографiв записувались напруження в елементах прогоново! будови:
— верхово! арки (оп. 6-Н1'', Н4''-Н5'', Н7''-Н8'');
у поясах головних балок ростверка в панелi В3''-В4'' та в перерiзi ВО над опорою 6;
— в одному (верховому) стояку опори 6;
— у надарочному стояку Н4''-В4'';
— та ампл^уди вертикальних та горизон-тальних коливань прогоново! будови:
— у середин арочного прогону (над стояком № 8);
— у чверт прогону (над стояком № 4);
— на кшщ прогону (над опорою № 6).
Вс динамiчнi процеси рееструвались тен-зометричною установкою на фотоплiвцi у ви-глядi осцилограм. Динамiчнi горизонтальнi перемщення прогоново! будови рееструвались установкою з шерцшним маятником. Схема встановлення пристро!в на прогоновiй будовi тд час динамiчних випробуваннях наведена на рис. 6.
ю о
В12" В13"
перерп В4"-В3
*— "д
19 * 7 21
го 6 а ▼ 22
План балок ростверку
II 1 1 1 1 / 1
1 1 1 ¡и '. ' «1 ,'Ь \ 7 Н • Г * ! 1» 1 1
И 1 1 в £2 4 1 1 1
В8 В7" В6" В5" В4" ВЗ" В2" В1" ВО" В9" В10" В11" В12" В13"
Позначсння:
4 - датчики спротиву - шсрцшш манишки
Рис. 6. Схема розмщення пристро1в для реестрацп дина\пчних процссиз
Як випробувальне динамiчне навантаження використовувалось те ж саме навантажен-ня(автомобiлi), що й пiд статичних випробу-вань. Досвщ випробувань автодорожнiх мостiв з багатосмуговим автопро!здом показав, що найбiльшi динамiчнi деформацп елементiв про-гонових споруд моста виникають пiд час руху по однiй з смуг автопро!зду одиночних машин або колон автомобшв при статично завантаже-них сумiжних смугах про!зду. Аналогiчний спошб випробувань був використаний i для ощ-нки динамiчного впливу навантаження на аро-чну будову. При цьому двi смуги автопро!зду по всш довжинi арочного прогону були заван-таженi автомобiлями по схемi 3 (див. рис. 2), а по незавантаженш смузi пропускалася колона з 16 навантажених автомашин КрАЗ з рiзними
швидкостями (10... 70 км/год). Кшьюсть таких дослiдiв визначалось можливютю використання статистичного метода обробки результата випробувань. Частина дослав проведена з проездом автомобiля через перешкоди (порiжки) ви-сотою 4 см, що укладеш поперек автопро!зду в чвертi i серединi арочного прогону на вщсташ 100 см одна вщ одно!. Для виявлення характеристик власних коливань прогоново! будови (частот, форм i декремента) проведений ряд дослщжень з проездом по мосту одиночного навантаженого автомобшя з рiзними швидкостями при незавантаженому арочному прогош
Основнi динамiчнi характеристики арочно! прогоново! будови, отримаш пiд час обробки експериментальних даних динамiчних випробувань, наведенi в табл. 2.
Таблиця 2
Експериментальш значення основних динашчних характеристик арочноТ прогоновоТ будови
Найменування характеристик
Вим1рювач
Величина
Частоти основних тошв в1льних коливань:
горизонтальш
крутильш
вертикалью - / = 1
вертикалью - / = 2
вертикалью - / = 3
Перюди основних тошв вшьних коливань:
горизонтальш
крутильш
вертикалью - / = 1
вертикалью - / = 2
вертикалью - / = 3
Характерш частоти примусових коливань завантаженого прогону
Декременти коливань
Найбшьш1 значення динашчного коефщента для балок та арок
Гц Гц Гц Гц Гц
С. С. С. С. С.
Гц
0,43 0,86 1,48 1,80 2,70
2,32 1,16 0,68 0,56 0,37
0,8...2,50 0,029...0,037
1,045
Частоти вшьних коливань дослщжувано! прогоново! будови, наведеш в цш же таблищ, визначались по осцилограмах на донках, за-писаних пiсля сходу випробувального навантаження з моста (по «хвостах» осцилограм).
При цьому було встановлено, що на цих донках осцилограм мали мюце складнi, зв'язанi, багаточастотнi форми коливань, для виявлення яких проводився гармошчний аналiз з викорис-танням ЕОМ. Характерш значення частот виму-шених коливань, наведених в табл. 3, виявлеш на осцилограмах записаних у момент про!зду по мосту колони автомобшв при завантажених двох смугах в арочному прогош по схемi 3 (див. рис. 3).
При цьому вибирались дшянки осцилограм, де мали мюце найбiльшi амплiтуди коливань (най-бiльшi динамiчнi коефiцieнти).
Динамiчнi коефщенти визначались за зага-льновiдомою формулою [1]
15 (1)
де р - експериментальне значення динамiчно!
добавки; /тах /т[п - найбiльша i найменша ор-
динати динамiчних напружень, вимiрянi на ос-цилограмi на дiлянцi одного перюду коливань.
Результати статичних i динамiчних випро-бувань моста дозволили перевiрити якiсть ви-конаних будiвельно-монтажних робiт по спо-рудженню моста, встановити його несучу здат-нiсть, визначити напружений стан i деформати-внiсть моста, а також уточнити розрахунковi припущення та деяю нормативнi данi, прийнятi тд час проектування моста.
Статичнi випробування:
1. Послiдовне завантаження випробуваль-ним навантаженням смуг автопро!зду за схемами 3 i 4 (див. рис. 3) зi зняттям вщлшв по приладах пiсля завантаження-розвантаження кожно! смуги дозволило встановити залежностi
величин напружень в елементах арки i надаро-чно! конструкцп вiд положення навантаження поперек моста. При цьому було встановлено, що експериментальнi значення коефщенпв поперечного встановлення суттево вiдрiзня-ються вiд прийнятих у розрахунках.
2. Для оцшки класу прийнятого проектом розрахункового тимчасового наванта-ження i iнтенсивностi випробувального навантаження, якою був випробуваний мют, про-водився перерахунок з урахуванням експери-ментального значення коефщента поперечного встановлення. Результати перерахунку наведе-нi в табл. 3.
Таблиця 3
Тимчасове рухоме навантаження на одну арку
Навантаження Р1зниця
Найменування навантаження Вим1рювач Пов1рочний По в т/м в %
розрахунок проекту
Розрахункове навантаження т/м 5,46 7,07 1,61 29
Нормативне навантаження з динам1чним коефщентом т/м 3,90 5,05 1,15 29
Випробувальне навантаження т/м 4,06 4,90 0,84 20
З порiвняння наведених в табл. 3 даних видно, що прийняте проектом тимчасове рухоме навантаження, яке припадае на одну арку, пе-ревищуе розрахункове Н-30 на 29 %.
Випробувальне навантаження тд час завантаження за схемою 3 складало 102 % вщ нормативно! Н-30 з врахуванням динамiчного коефщента.
3. Оцшюючи отриманi результати, дшшли висновку, що найбiльшi напруження у арцi i мiнiмальнi в балках ростверку мали мiсце тд час завантаження за схемою 3. При цьому в ар-щ виникали, в основному, стискаючi зусилля i незначнi згинаючi моменти. Найбiльшi напруження в перерiзах головних балок (у нижнiх !х поясах) i значнi напруження в арцi вiд згинання виникали при навантаженш половини прогону за схемами 3 та 4. Напруження у верхшх поясах головних балок у декшька разiв менше шж напруження у нижнiх поясах, що свщчить про надiйне включення плити про!жджо! частини у сумiсну роботу з головними балками.
4. Прогин прогоново! будови в арочному прогош i напруження в балках та арщ, вим> ряннi вiд випробувального навантаження (бли-зького до нормативного Н-30) значно меншого вiд розрахункових !х значень вiд прийнятого в проектi навантаження без коефiцiента переван-таження. Суттева рiзниця мiж розрахунковими i експериментальними значеннями прогинiв та
напружень вказують на невiдповiднiсть деяких розрахункових припущень про дiйсну роботу дослщжено! конструкцп прогоново! будови. Ця невiдповiднiсть в свою чергу вказуе на наявшсть деякого (суттевого) резерву несучо! здатностi основних конструктивiв моста (арок, стояюв на-дарочно! будови i балок ростверку). Вказанi запаси несучо! здатносп частково вичерпаш збь льшенням власно! ваги конструкцп (перевищен-ня у порiвняннi з проектом товщини слою асфальтного покриття автопро!зду та тротуарiв).
Динамiчнi випробування:
1. Рух по мосту колони i одиночних ав-томобМв при завантаженому та незаванта-женому арочному прогош супроводжувався багаточастотними зв'язаними просторовими (горизонтально вертикальш, крутильними) формами коливань.
2. Гармошчний аналiз динамiчних процесiв незавантажено! прогоново! будови (власних коливань), записаних маятниками (горизонталью i крутильнi коливання), i вимiрювальними мостами (вертикальнi i крутильнi коливання), дозволили встановити частотш характеристики основних тошв горизонтальних, вертикальних i крутильних коливань.
3. Згiдно з пунктом СНиП [3]: у прогоно-вих будовах шшохщних та мiських моспв пе-рiоди власних коливань по двох нижчих формах не повинш бути 0,45... 0,60 с - в вертикально i 0,9.1,2 с - в горизонтально площинах.
Проаналiзувавши результати динамiчних випробувань моста, можна зробити висновок, що перiод вертикальних власних коливань по другш формi (Т = 0,56 с) знаходиться у дiапа-зонi не рекомендованому вищезазначеним пунктом СНиП [3].
4. Найбiльшi амплiтуди вимушених коливань завантажено! прогоново! будови мали мюце тд час коливання з частотами 2,50.0,8 Гц. Щц час коливання в цьому дiапазонi мали мюце найбiльшi динамiчнi коефiцieнти, але вели-чини яких добре сшввщносяться з норматив-ними за СН [3] та СНиП [2].
Для порiвняння та детального аналiзу був проведений розрахунок конструкци як регулярно! балки на пружних опорах та за методом сюнченних елеменпв (МСЕ).
Результати розрахунюв будуть наведенi у наступнiй публшацп.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Баренбойм И. Ю. Индустриальное строительство мостов / И. Ю. Баренбойм, М. Е. Карасик // Будавельник. - К., 1978.
2. СНиП 2.05.03-84 «Мости и труби».
3. СН 200-62.
Надшшла до редколегп 25.11.2005.
