CC BY
120
УДК 624.21.
К ВОПРОСУ РАСЧЕТА РЕБРИСТЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ МАССОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Е.В. Бережная, доцент, к.т.н., С.Н. Краснов, ст. преподаватель, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрена процедура адаптации современных программных комплексов, построенных на основе метода конечных элементов, к расчету ребристых пролетных строений, выполненных из сборных железобетонных элементов, применяемых при строительстве мостов.
Ключевые слова: мост, ребристое пролетное строение, конечно-элементная модель, прогибы, изгибающие моменты, испытательная нагрузка.
Введение
В настоящее время на территории Украины, в соответствии со статистическими данными, эксплуатируется порядка 43% ребристых пролетных строений, выполненных как из сборного, так и монолитного железобетона, с использованием предварительно напряженной и ненапрягаемой арматуры. Наиболее распространенными (65%) являются пролетные строения из сборных предварительно напряженных железобетонных балок, возведенных по типовым проектам. Упомянутые балки объединяются между собой как по плите проезжей части, так и по диафрагмам. Около 62% мостов с ребристыми пролетными строениями имеют длину пролетов от 21 до 33 м. Большинство рассматриваемых конструкций эксплуатируемых мостов рассчитано на устаревшие подвижные нормативные нагрузки [1]. Увеличение интенсивности движения и грузоподъемности современных транспортных средств вызывает необходимость перерасчета таких конструкций на современные нормативные и сверхнормативные нагрузки.
При проектировании ребристых пролетных строений используются различные расчетные модели, которые в большей или меньшей степени учитывают пространственный характер работы плит и балок пролетных строений. Вопрос о выборе модели является краеугольным и обуславливается наилучшим совпадением теоретических результатов с данными испытаний мостов, а также минимизацией временного ресурса, необходимого для проектирования. Существующие методы, как правило, делятся на две группы: методы, в которых конструкция условно расчленяется на независимые элементы, и методы, в которых пролетное строение рассматривается как единая
конструкция, состоящая из плит и системы балок, совместно воспринимающих нагрузки при любом положении их на пролетном строении [2]. Первая группа отличается простотой и наглядностью, однако результаты здесь оказываются не вполне точными, но обычно идущими в запас прочности пролетного строения. Вторая группа методов более полно учитывает взаимосвязь между отдельными элементами пролетного строения и дает результаты, более репрезентативно сходящиеся с экспериментальными данными, полученными при испытаниях. Однако они более трудоемки, в связи с чем для их реализации необходимо соответствующее программное обеспечение.
Цель и постановка задачи
Перечисленное выше, а также анализ тенденций, имеющих место при моделировании напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов, позволяет сформулировать цель: построение адекватной расчетной модели пролетного строения с учетом его пространственной работы и конструктивных особенностей. Для решения выбран метод конечных элементов, представленный в виде метода перемещений. Инструментарием является среда ВК «Лира».
Реализация задачи
Тестирование предложенной модели выполнялось при расчете пролетного строения путепровода, расположенного в Луганской области. Обследование и испытание этой конструкции было выполнено кафедрой мостов ХНАДУ. Пролетное строение путепровода выполнено по типовому проекту 3.503-14 длиной 21 метр с габаритом Г-11,5 (6 балок с шагом 2,4 м). Объединение балок
г
N
"ИГ
ж
5
ъ-
Ш
Р-2^275 Р=4,7Р\4Ж7 Р=4^7 Р=4,17
4.1
I у ь
ЛР
-I
Рис. 1. Схема расстановки нагрузки на пролетном строении путепровода
Рис. 2. Прогибы пролетного строения:- - экспериментально полученные прогибы; —х--теоретически полученные прогибы методом упругих опор;.....- теоретические прогибы по результатам расчетов на ВК «Лира»
между собой осуществлено по плите проезжей части. В качестве испытательной нагрузки использовались автомобили КрАЗ 256 Б1 с прицепом ПСБ-10 общей массой 40 т (рис. 1). Загруже-ние проводилось по трем схемам, учитывающим последовательную установку первой, второй и третьей колонны автомобилей.
В основе конечно-элементной модели лежит аппроксимация пролетного строения элементами балочного ростверка, в которых поперечное сечение продольных балок (ребер) задается в виде двутавров, а поперечных балок (плиты) в виде прямоугольника. Геометрические размеры поперечного сечения заданы исходя из реальных размеров конструкции: общая высота двутавра 120 см, ширина верхней полки 240 см, толщина 15 см, толщина ребра 16 см, высота нижней полки 30 см, ширина 60 см; плита была представлена в виде поперечных балок прямоугольного сечения (ширина 60 см, что соответствует шагу разбивки ее на конечные элементы, высота 15 см). Нагрузку на модель задавали в соответствии с реальным загружением конструкции пролетного строения (см. рис.1). При расчетах рассматривались два варианта: работа пролетного строения без учета слоев ездового полотна и с включением в работу выравнивающего слоя из бетона (результаты в табл. 1 и 2 для второго варианта приведены в скобках).
Таблица 1 Прогибы в главных балках
Результаты, полученные при расчете с использованием ВК «Лира», сравнивались не только с данными испытаний, но и с теоретическими расчетами, выполненными по методу упругих опор
(табл. 1 и 2). Для наглядности полученных результатов были построены кривые прогибов по середине пролета для третьей схемы загружения (рис. 2). Сопоставление теоретических результатов с результатами эксперимента свидетельствует о большей адекватности данных, полученных на основе пространственной модели конструкции, учитывающей также совместную работу плиты и выравнивающего слоя.
Таблица 2 Изгибающие моменты в главных балках
№ балки Схема 1
эксперимент. моменты, тм теорет. моменты, тм моменты ПК «Лира», тм
1 55,35 59,02 55,98(55,87)
2 47,21 48,71 54,44(51,24)
3 23,74 26,73 22,95(24,03)
4 8,004 5,43 4,5(6,57)
5 1,34 -3,39 -0,6(0,064)
6 0,00 -0,68 -1,1(-1,57)
Схема 2
1 61,05 66,75 62,58(65,34)
2 76,52 88,99 88,3(84,43)
3 72,72 74,89 77,8(74,12)
4 45,04 38,26 37,8(39,28)
5 16,01 6,84 8,4(11,34)
6 0,14 -4,39 -2,46(-2,11)
Схема 3
1 61,46 63,09 60,88(64,09)
2 86,69 96,46 94,2(92,58)
3 100,94 104,19 103,8(100,8)
4 93,21 86,69 91,4(88,35)
5 52,505 50,06 49,8(50,8)
6 11,8 6,59 8,5(11,98)
Выводы
Выполненные расчеты и сравнение их с экспериментальными данными свидетельствует о возможности применения принятой конечно-элементной модели для расчета ребристых пролетных строений при рабочем проектировании.
Литература
1. Технические условия проектирования желез-
нодорожных, автодорожных и городских мостов и труб. СН 200-62. - М.: Трансжел-дориздат, 1962.
2. Российский В.А., Назаренко Б.П., Словин-
ский Н.А. Примеры проектирования сборных железобетонных мостов. - М.: Высшая школа, 1970.
Рецензент: В.С. Шмуклер, профессор, д. т. н., ХНАГХ.
Статья поступила в редакцию 5 февраля 2005 г.
№ балки Схема 1
эксперимент. прогибы, мм теорет. прогибы, мм прогибы ПК «Лира», мм
1 -4,11 -5,65 -5,26 (-5,08)
2 -3,53 -4,66 -4,99(-4,5)
3 -1,74 -2,56 -2,23(-2,26)
4 -0,62 -0,52 -0,44(-0,62)
5 -0,07 +0,33 +0,06(0,00)
6 +0,01 +0,07 +0,10(+0,15)
Схема 2
1 -5,09 -6,36 -5,9(-5,99)
2 -6,37 -8,51 -8,2(-7,57)
3 -6,06 -7,14 -7,23(-6,65)
4 -3,76 -3,66 -3,6(-3,62)
5 -1,33 -0,65 -0,82(-1,08)
6 -0,01 +0,42 0,24(+0,19)
Схема 3
1 -5,19 -6,04 -5,7(-5,87)
2 -7,33 -9,22 -8,78(-8,35)
3 -8,52 -9,97 -9,75(-9,15)
4 -7,87 -8,28 -8,5(-7,94)
5 -4,47 -4,77 -4,7(-4,63)
6 -1,02 -0,63 -0,84(-1,14)
