CC BY
72
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
УДК 624.21
Мишутин Владимир Олегович,
аспирант кафедры ТРТСиМ, Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: [email protected]
НЕОБХОДИМОСТЬ УЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
V. O. Mishutin
THE NECESSITY OF THE ACCOUNT OF TEMPERATURE DEFORMATION DESIGN AND CONSTRUCTION OF BRIDGE STRUCTURES
Аннотация. Данная статья посвящена изучению работы металлического пролетного строения под воздействием факторов, вызывающих температурные деформации. В нормативной литературе в достаточной мере не уделено внимания воздействию неравномерного нагрева на металлические пролетные строения, тогда как на основании приведенного в статье исследования выявлено, что в результате неравномерного нагрева на 20 С возникают дополнительные напряжения порядка 120 МПа, что составляет около 30 % от расчетного сопротивления стали 10 ХСНД. В статье в качестве примера рассмотрена Иркутская область, где годовой диапазон колебания абсолютных температур составляет 86 С. Представлены два случая неравномерного нагрева пролетного строения: нагрев фасадной балки на 20 С и нагрев ортотропной плиты на 20 С. Для каждого из случаев составлена математическая модель, по результатам расчета которой даётся количественная оценка влияния неравномерного нагрева на напряженно-деформированное состояние пролетного строения.
Ключевые слова: солнечная радиация, теплопроводность, пролетное строение (ПС), разрезное ПС, неразрезное ПС, фасадная балка, ортотропная плита, надвижка ПС, метод уравновешенного монтажа.
Abstract. This article is devoted to the study of the metal superstructure under the influence of factors causing thermal deformation. In the normative literature, attention is not sufficiently paid to the impact of non-uniform heating on the metal spans. The research revealed that as a result of uneven heating on 20 C, there are additional stresses on the order of 120 MPa, which is about 30 % of the design resistance of steel 10 HSND. In this paper, as an example, we consider the Irkutsk region, where the annual fluctuation range of absolute temperatures is 86 C. Two cases of non-uniform heating of the superstructure are presented: facade beams heating to 20 C and orthotropic plate heating to 20 C. For each of the cases we make a mathematical model based on the results of calculation which gives a quantitative assessment of the impact of non-uniform heating on the stress-strain state of the span.
Keywords: solar radiation, heat conduction, bridge span, split span, non-split span, facade beam, orthotropic plate, sliding, balanced installation method.
Мосты служат человечеству верой и правдой уже долгое время. За этот период инженерная мысль шагнула далеко вперед, и придуман целый ряд различных конструкций, от балочно-разрезных до висячих мостов, позволяющих реализовать пролеты длиной свыше 1 км, значительно различающихся по сложности проектирования и изготовления. При этом первоочередной задачей создания мостов является обеспечение безопасного передвижения по сооружению из одного места в другое.
Сегодня основным нормативным документом при проектировании мостов являются СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы». Однако из множества факторов, влияющих на безопасность эксплуатации мостов, в данном документе в должной мере не уделено внимания фактору влияния температурных деформаций. При этом данный фактор оказывает существенное влияние на пространственную работу пролетного строения и, как следствие, на безопасность эксплуатации сооружения в целом.
Наиболее интенсивно температурные деформации проявляют себя в металлических пролетных строениях, так как в отличие от других материалов, используемых в строительстве, металл обладает наибольшей теплопроводностью.
Именно теплопроводность обуславливает высокую чувствительность металлических конструкций к изменению температуры внешней среды.
Изменение внешней среды, в свою очередь, обуславливается такими факторами, как колебания температуры воздуха, интенсивность и угол воздействия солнечной радиации, сила и направление ветра [1].
Колебания температуры воздуха можно разделить на три категории:
- сезонные колебания температуры с периодом в один год;
- колебания температуры, связанные с прохождением циклонов и антициклонов - непериодический вид колебаний температуры;
- суточные колебания температуры с периодом в 24 часа.
Солнечная радиация оказывает существенное влияние на формирование температуры различных элементов металлического пролетного строения. Величина нагрева элементов зависит от ориентации пролетного строения относительно сторон света, от материала и вида поверхности, чистоты воздуха, широты местности, высоты над уровнем моря и других причин.
Сила и направление ветра также влияет на распределение температуры по сечению пролетно-
го строения. Ввиду конструктивных особенностей в пролетном строении можно выделить открытые и закрытые зоны. Под воздействием ветра в открытых зонах теплообмен между внешней средой и элементами пролетного строения осуществляется более интенсивно, чем в закрытых.
Изменение хотя бы одного из перечисленных факторов мгновенно отражается на напряженно-деформированном состоянии пролетного строения.
Остановимся на факторе солнечной радиации и рассмотрим 2 случая воздействия на пролетное строение моста.
1. На рис. 1, а представлен случай, когда солнце низко по отношению к горизонту. При таких условиях воздействию солнечной радиации подвергается только фасадная балка.
2. На рис. 1, б представлен случай, когда солнце высоко по отношению к горизонту. В этом случае воздействию солнечной радиации подвергается ортотропная плита и, возможно, часть крайней балки (в зависимости от размера тротуарной консоли). Из рис. 1, б видно, что тротуарная консоль является козырьком и создает теневую зону, тем самым уменьшая воздействие солнечной радиации на фасадную балку.
Таким образом, элементы моста, находящиеся в тени и на солнце, будут иметь различную температуру и, как следствие, различное удлинение, что приводит к сложным пространственным
деформациям и дополнительным напряжениям. Из графиков, представленных на рис. 2 и 3, составленных на основании данных для Иркутской области [2], видно, что температура воздуха и интенсивность солнечной радиации сильно меняются с течением года. При этом интенсивность воздействия на горизонтальную поверхность выше, чем на вертикальную. Таким образом, факторы, влияющие на изменение температуры пролетного строения, имеют годовую цикличность, которая усиливает их воздействие на работу моста в целом.
При переходе температуры через 0 (апрель-май), значения интенсивности солнечной радиации приближены к максимальным (459-512 МДж/м2). В эти периоды возможно наблюдение положительных температур в элементах, подвергнутых солнечной радиации, и отрицательных у элементов, находящихся в тени (рис. 1).
Опытным путем было замечено, что при температуре воздуха -10 °С, температура освещенной части металла составляла +22 °С.
На основании вышеизложенного была составлена математическая модель металлического разрезного пролетного строения (ПС), 1р = 42,0 м и неразрезного ПС по схеме /3 х 42,0 м/ (рис. 2). Для каждой модели было рассмотрено 2 случая температурного нагружения в соответствии с рис. 1:
1. Нагревается только фасадная балка на +20 °С.
2. Нагревается только ортотропная плита на +20 °С.
Рис. 1. Случаи воздействия солнечной радиации: а) воздействие СР на фасадную балку; б) воздействие СР на ортотропную плиту
Рис. 2. График изменения солнечной радиации в течение года: ряд 1 - на горизонтальную поверхность; ряд 2 - на вертикальную поверхность
Рис. 3. График изменения среднемесячной температуры в течение года
20 J МПа
Результаты напряженно-деформированного состояния модели представлены на рис. 4-7 и сведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что более неблагоприятно температурные нагрузки влияют на неразрезное ПС. При этом для главных балок более неблагоприятным является 1-й случай нагружения, для поперечных балок и отртотропной плиты - 2-й случай. Также видно, что в 1-ми 2-м случаях напряжения имеют разные знаки, получается, что диапазон напряжений в главной балке составляет 152,7 МПа, в поперечных балках 100,0 МПа, в ортотропной плите 34,4. Удельный вес напряжений температурных нагрузок от расчетного сопротивления стали 10ХСНД составляет 34,8 %.
Вышесказанное позволяет говорить о нереализованных пространственных температурных деформациях, приводящих к возникновению дополнительных напряжений, которые не учитываются на стадии проектирования.
Учет влияния температурных деформаций необходимо вести как на стадии проектирования ПС, так и на стадии его строительства.
Рассмотрим 2 случая возведения пролетного строения при воздействии солнечной радиации:
1. Предположим, что мы производим
сборку пролетного строения (ПС) на берегу и впоследствии осуществляем надвижку.
MIDAS/Civil POST-PROCESSOR
BEAM STRESS
СОСТАВНОЙ г 2 84S98e+004 2 079106+004 1 30921е+004 5 39328е+003 0.00000е+000 -1.00044е+004 -1 7?033е+004 -2 54021е+004 -3 Э1010е+004 -4 07998е+004 -4 84987е+004 -5. 61975е+004
-79.3 МПа
ЕП. ; кН/ю*2 HIMJLivil
POST-PROCESSOR
BEAM STRESS
СОСТАВНОЙ г 2.19777®+004
1 27635е+004
0 ООООСе+ООО
-S 66505е+003
-1 48793е+004
-2 40936е+004
-3 33079^4-004
-4 25221е+004
-5 17364е+004
-6 09506е+004
-7 01649е+004
-7 93792е+004
ЕД-
кН/»*2
Рис. 4. Напряжения в главных и поперечных балках от первого случая температурного воздействия:
а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС
Рис. 5. Напряжения в ортотропной плите от первого случая температурного воздействия:
а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС
Рис. 6. Напряжения в главных и поперечных балках от второго случая температурного воздействия:
а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
Рис. 7. Напряжения в ортотропной плите от второго случая температурного воздействия:
а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС
Т а б л и ц а 1
Схема № Название эле- Напряжения, Напряжения, Расчетное Удельный Удельный
ПС мента МПа МПа сопротивление вес, % вес, %
(1-й случай) (2-й случай) стали 10ХСНД, (1-й случай) (2-й случай)
МПа
1 Главная балка -56,1 44,4 350,0 16,0 12,6
о и 2 Поперечная -20,3/20,7 -29,1/86,5 350,0 5,9 24,7
е балка
а 3 Ортотропная 19,9 55,0 350,0 5,6 15,7
плита
<и о 1 Главная балка -79,3 73,4 350,0 22,6 20,9
00 <и 2 Поперечная -16,9/21,9 -30,2/121,9 350,0 6,2 34,8
а 00 балка
а е 3 Ортотропная 21,1 55,5 350,0 6,0 15,8
Ж плита
В процессе надвижки при изменении условий (производили сборку ПС в феврале, а надвигаем в марте) мы можем столкнуться с тем, что вследствие температурных деформаций ПС приняло криволинейную в плане форму и не попадает в створ с опорами. Даже если мы выждем какое-то время, пока температура конструкции выровняется, заведем ПС на опору и зафиксируем, то в дальнейшем при неравномерном нагреве конструкции нереализованные температурные деформации будут проявляться в виде дополнительных напряжений в ПС и дополнительной нагрузке на опору,
которую необходимо было учесть на стадии проектирования.
2. Мы возводим ПС методом уравновешенного монтажа с двух берегов навстречу друг другу. В процессе строительства ведется геодезический контроль, по результатам которого осуществляется корректировка монтируемых секций (влево/вправо, вверх/вниз за счет припусков).
В процессе строительства температурные деформации накапливаются, и в момент замыкания мы получаем криволинейное ПС, при этом криволинейность в процессе проектирования никак не учитывалась. В итоге мы будем иметь ПС,
иркутским государственный университет путей сообщения
замкнутое, к примеру, в марте, которое в зимний период времени, при иной картине температурных деформаций будет иметь дополнительные напряжения, которые необходимо учитывать на стадии проектирования.
Таким образом, с учетом вышеизложенных особенностей неучтенные температурные деформаций могут привести:
- к изменению схемы работы отдельных элементов;
- переходу работы материала из упругой стадии в стадию пластических деформаций, в свою очередь, это приводит к изменению поперечного сечения элемента и, как следствие, к его возможному разрушению;
- усталости материала на протяжении нескольких циклов лето-зима/зима-лето;
- разрушению соединительных элементов (болты, сварка).
Вывод
Температурные деформации могут оказывать существенное влияние на напряженно-деформированное состояние металлических пролетных строений. В частности, фактор солнечной радиации создает дополнительные напряжения в размере 34,8 % от расчетного сопротивления материала для рассмотренной модели. Влияние неравномерного распределение температуры на деформацию пролетного строения требует более глубокого изучения и должно найти отражение в нормативной литературе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Н.Н. Бычковский, В.П. Акатов, В.П. Величко С.И. Пименов - «Сталежелезобетонные мосты», Саратов, - 2007.
2. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
3. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы».
