CC BY
48
УДК 624.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА СТАЛЬНОЙ ОРТОТРОПНОЙ ПЛИТЕ МОСТА
М. А. Телегин
Аннотация. Проведен анализ напряженного состояния дорожной одежды на стальной ортотропной плите моста в зависимости от положения колесной нагрузки. Произведено сравнение напряженного состояния дорожной одежды при различных типах продольных ребер ортотропной плиты.
Ключевые слова: ортотропная плита, дорожная одежда, пролетное строение, напряженное состояние.
Введение
В дорожной одежде, уложенной на стальной ортотропной плите моста, возникает сложное напряженное состояние. В связи с тем, что ортотропная плита обладает определенной гибкостью, напряженное состояние дорожной одежды может кардинально изменяться при незначительном смещении колесной нагрузки. Большое значение имеет положение колес подвижной нагрузки по отношению к продольным ребрам плиты и стенкам главных балок. То есть дорожная одежда фактически работает как неразрезная балка на упругих опорах, которыми являются стенки продольных ребер ортотропной плиты и стенки главных балок.
При моделировании работы дорожной одежды на пролетном строении целесообразно использовать пространственные расчетные схемы, позволяющие определять все компоненты сложного напряженного состояния: ох,ау ,аг,тху ,туг,тгх. Учитывая многообразие возможных схем загружения, актуальной задачей становится поиск невыгодных положений колесной нагрузки.
Основная часть
С этой целью было произведено исследование напряженного состояния дорожной одежды при постоянной нагрузке и при различном положении временной нагрузки по ширине пролетного строения. В качестве расчетной схемы был принят участок стального
пролетного строения с двутавровыми главными балками (Рис. 1) с асфальтобетонным покрытием толщиной 110мм. Расстояние между главными балками было принято равным 6,3м, общая ширина пролетного строения -10,3м. Пролетные строения с такими характеристиками используются при габарите проезжей части Г-8, характерном для автомобильных дорог Западной Сибири и северных районов. Длина участка составила 12м. Расстояние между поперечными балками было принято равным 3м, между полосовыми продольными ребрами 300мм, между коробчатыми -600мм. Параметры поперечных сечений продольных ребер (Рис. 2) были подобраны таким образом, чтобы масса ортотропных плит с ребрами обоих типов была одинаковой. Дорожная одежда моделировалась объемными конечными элементами. Количество слоев конечных элементов по толщине дорожной одежды было принято равным трем. Связь дорожной одежды с листом настила моделировалась абсолютно жесткими стержневыми элементами (Рис. 3). Модуль упругости асфальтобетонного покрытия был принят равным 4500 МПа, что соответствует плотному асфальтобетону на БНД марки 60/90 при расчете на растяжение при изгибе под кратковременными нагрузками при температуре 00С [10]. Расчет выполнялся в упругой стадии работы материалов в программном комплексе Midas Civil.
Рис. 1. КЭ расчетные схемы участка пролетного строения
тип
Рис. 2. Параметры поперечных сечений продольных ребер
Рис. 3. КЭ модель дорожной одежды на ортотропной плите
При расчетах использовалась расчетная нагрузка А14 (без полосовой нагрузки) и Н14. Нагрузка А14 и Н14 перемещалась по ширине пролетного строения с шагом 75мм, равным расстоянию между узлами конечно-элементной сетки в поперечном направлении. Крайние положения тележки показаны на ри-
сунках 4 и 5. Всего было рассмотрено 34 за-гружения на нагрузку А14 и 17 загружений на нагрузку Н14. Оценивались максимальные и минимальные напряжения, возникающие в пределах всей расчетной схемы. Полученные результаты приведены на рисунках 6-9.
крайнее правое положение тележки (загружение №34)
крайнее левое " положение тележки (загружение №1)
IIIII НТО
и и U и и ииииииии и и и
Рис. 4. Крайние положения нагрузки А14 при исследовании
крайнее правое положение тележки (загружение №17)
крайнее левое положение тележки (загружение №1)
IIIIII 1 lililí л
и и и и UUUUI J и и и и и и и
Рис. 5. Крайние положения нагрузки Н14 при исследовании
Рис. 6. Напряжения в асфальтобетоне при ортотропной плите с полосовыми продольными ребрами (нагрузка А14)
-Сигма X раст Сигма Y раст-Сигма Z раст-Tay XY Tay YZ
-Tay ZX -Сигма X сж Сигма Y сж -Сигма Z сж
Рис. 7. Напряжения в асфальтобетоне при ортотропной плите с коробчатыми продольными ребрами (нагрузка А14)
Сигма X раст Сигма Y раст Сигма Z раст Tay XY Tay YZ -Tay ZX Сигма X сж -Сигма Y сж -Сигма Z сж
Рис. 8. Напряжения в асфальтобетоне при ортотропной плите с полосовыми продольными ребрами (нагрузка Н14)
Сигма X раст Сигма Y раст-Сигма Z раст-Tay XY Tay YZ
Tay ZX -Сигма X сж -Сигма Y сж -Сигма Z сж
Рис. 9. Напряжения в асфальтобетоне при ортотропной плите с коробчатыми продольными ребрами (нагрузка Н14)
Как видно из результатов расчета, из нормальных напряжений определяющими для асфальтобетона являются напряжения вдоль оси Х, которая совпадает с поперечной осью пролетного строения. Иными словами асфальтобетон более интенсивно работает на изгиб в поперечном направлении нежели в продольном. Максимальные растягивающие напряжения (3,1 МПа) были получены от на-
грузки Н14 (загружение №1) при коробчатых продольных ребрах (рисунок 10). Максимальные сжимающие напряжения (-4,3 МПа) были получены от нагрузки А14 (загружение №26) при полосовых продольных ребрах (рисунок 11). Максимальные касательные напряжения (1,2 МПа) были получены от нагрузки А14 (загружение №22) при коробчатых продольных ребрах (Рис.12).
Рис. 10. Максимальные растягивающие напряжения, возникающие над стенкой главных балок
Рис. 11. Максимальные сжимающие напряжения, возникающие между стенками продольных ребер
Рис. 12. Максимальные касательные напряжения, возникающие между стенками продольных ребер
Также были оценены эквивалентные напряжения, полученные по энергетической теории прочности. Максимальные эквива-
лентные напряжения (3,5 МПа) были получены от нагрузки А14 (загружение №2) при полосовых продольных ребрах (рис. 13).
Рис. 13. Максимальные эквивалентные напряжения, возникающие над стенкой главных балок.
Исходя из результатов расчета можно сделать вывод о том, что при данных характеристиках пролетного строения явно выраженного преимущества коробчатых ребер над полосовыми не было выявлено, максимальные напряжения возникают как при одном, так и при другом типе продольных ребер.
Также было произведено сопоставление полученных напряжений с предельными, приведенными в нормативной литературе, а также полученными в результате научных исследований.
Растягивающие нормальные напряжения. Расчетная прочность на растяжение при изгибе, определенная в результате исследований [1] при 00С находится в пределах от 0,8 до 1,6 МПа в зависимости от типа асфальтобетона. Полученные напряжения достигают 3,1 МПа.
Сжимающие нормальные напряжения.
Предел прочности при сжатии согласно [2] при 0С не должен превышать 9 - 13 МПа в зависимости от дорожно-климатической зоны и типа асфальтобетона. Полученные напряжения достигают 4,3 МПа.
Касательные напряжения. Сдвигоустой-чивость по сцеплению при сдвиге при 500С согласно [2] не должна превышать 0,22 - 0,55 МПа. Полученные напряжения достигают 1,2 МПа.
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при температуре 00С, когда асфальтобетон работает как хрупкий материал, под воздействием временной нагрузки может произойти его разрушение (возникнуть трещина) вследствии больших растягивающих либо касательных напряжений.
Вместе с тем необходимо отметить тот факт, что для полноценных исследований работы дорожной одежды на мостах не хватает прочностных показателей материалов, используемых в дорожных покрытиях. Речь идет о коэффициенте Пуассона, модуле упругости и расчетных сопротивлениях материала на тот или иной вид воздействия. Данная проблема актуальна прежде всего для асфальтобетона и гидроизолирующих материалов. Поэтому острой необходимостью является получение этих характеристик при испытаниях этих материалов.
Библиографический список
1. Сибирякова Ю. М. Расчетные параметры асфальтобетонных покрытий для проектирования нежестких дорожных одежд: автореф. дис. ...канд. техн. наук. - М., 2008. - 19 с.
2. ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон». - М., 2010.
MODELING OF A PAVEMENT WORK ON ORTHOTROPIC DECK OF STEEL BRIDGES
М. А. Telegin
Analysis of a stress condition of pavement on orthotopic deck of steel bridges in dependence of a wheel load position is carried out. Comparison of a stress condition of pavement with a different types of a longitudinal ribs is carried out.
Телегин Максим Александрович - ст. преподаватель кафедры «Мосты» СибАДИ. Основное направления деятельности: стальные орто-тропные плиты и дорожная одежда на них. Общее количество опубликованных работ:15 . e-mail : [email protected].
