CC BY
17Л. Н. Донец, Д. М. Кубасов, О. А. Демина О способе предотвращения развития усталостных трещин в листе настила ортотропной плиты
DOI 10.52170/1815-9265_2021_58_79 УДК 624.21.093:625.745.12
А. Н. Донец, Д. М. Кубасов, О. А. Демина
О способе предотвращения развития усталостных трещин в листе настила ортотропной плиты
Поступила 19.04.2021
Рецензирование 07.05.2021 Принята к печати 23.06.2021
В статье приводятся результаты численного эксперимента, целью которого является уменьшение напряжений, возникающих в листе настила ортотропной плиты при действии многократно повторяющейся динамической нагрузки. Применен композитный настил - ортотропная плита пролетного строения, усиленная покрытием из ультравысокопрочного бетона (UHPC - Ultra High Performance Concrete), включенного в совместную работу с несущей конструкцией.
Автодорожные мосты с металлическими ортотропными пролетными строениями широко распространены на сети автомобильных дорог. Особенностью конструкции является использование ортотропной плиты как основного элемента проезжей части. Плита представляет собой систему взаимно ортогональных продольных и поперечных ребер (балок), прикрепленных к листу настила с помощью сварки. Элементы плиты имеют относительно небольшую толщину, т. е. являются тонкостенными. В качестве одежды ездового полотна чаще всего используется асфальтобетон.
Результаты освидетельствования подобных пролетных строений показывают наличие ряда дефектов как в асфальтобетонном покрытии, так и в элементах ортотропной плиты. Прежде всего это продольные и поперечные трещины в одежде ездового полотна и усталостные трещины в продольных и поперечных ребрах, а в некоторых случаях и в листе настила. По этим причинам проблема обеспечения долговечности элементов проезжей части пролетных строений автодорожных мостов весьма актуальна.
В работе представлены результаты численного эксперимента на модели металлического пролетного строения при динамическом воздействии нагрузки. Расчет выполнен методом конечных элементов в перемещениях. Рассмотрены несколько типов покрытия - обычный и ультравысокопрочный бетон. Поскольку дефекты (трещины) одежды ездового полотна и трещины в элементах ортотропной плиты взаимосвязаны, покрытие включено в совместную работу с плитой с помощью металлических упоров. Показано положительное влияние бетонного покрытия на распределение напряжений в элементах ортотропной плиты.
Ключевые слова: автодорожные мосты, металлические пролетные строения, ортотропная плита, усталостные трещины, повреждение одежды ездового полотна, композитный настил, численный эксперимент.
Металлические пролетные строения с ортотропной плитой появились во второй половине XX в. Главная особенность ортотропной плиты - совместная работа ее элементов в составе всей конструкции пролетного строения. Ортотропная плита обладает рядом достоинств, основные из которых многофункциональность и эффективное использование конструкционного материала.
Опыт эксплуатации металлических пролетных строений с ортотропными плитами показал, что у данной конструкции есть два существенных недостатка: появление усталостных трещин под действием многократных повторяющихся нагрузок при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести, и разрушение асфальтобетонного покрытия на плите проезжей части.
Наиболее часто усталостные трещины встречаются в листе настила, сварном шве прикрепления продольного ребра к листу настила и
сопряжении продольного и поперечного ребер ортотропной плиты. Одно из первых упоминаний о таких усталостных повреждениях содержится в работе [1]. Там же сделан вывод о том, что основную проблему безопасности и комфортности движения транспортных средств по конструкциям моста представляют усталостные трещины в листе настила ортотропной плиты в зоне примыкания продольного ребра или стенки балки к листу настила. Причем это повреждение влечет за собой разрушение одежды ездового полотна (продольные и поперечные трещины), особенно при интенсивном трафике движения транспортных средств по сооружению и сезонных колебаниях температуры окружающей среды [2, 3].
Следует отметить, что подобного рода повреждения были зафиксированы и на ряде отечественных мостов (рис. 1): на автодорожном мосту через р. Обь в районе г. Сургута; по информации из базы данных Федерального
а)
б)
в)
Рис. 1. Трещины в сварном шве продольного ребра на мосту а - через р. Обь; б - через р. Енисей; в - через р. Иртыш
А. Н. Донец, Д. М. Кубасов, О. А. Демина О способе предотвращения развития усталостных трещин в листе настила ортотропной плиты
дорожного агентства на мосту через р. Енисей на обходе г. Абакана и на мосту через р. Иртыш на южном обходе г. Омска [4].
Таким образом, деформации ортотропной плиты и одежды ездового полотна на металлических мостах взаимосвязаны, а проблема предотвращения их возникновения и развития представляет существенный практический интерес.
В работе [5] обсуждаются результаты эксперимента по исследованию напряженно-деформированного состояния модели металлического пролетного строения с ортотропной плитой с композитным настилом, представляющим собой достаточно тонкий слой ультравысокопрочного бетона (UHPC - Ultra
High Performance Concrete), включенного в совместную работу с ортотропной плитой с помощью коротких стержневых упоров с головкой. Общий вид модели и экспериментальной установки отражен на рис. 2-4.
На рис. 3 представлен фрагмент ортотропной плиты.
Динамическое воздействие нагрузки создавалось с помощью электрогидравлического привода. Моделирование передачи нагрузки от колеса транспортного средства осуществлялось при помощи резиновой прокладки размерами 400 х 200 х 20 мм. Точка приложения нагрузки находилась на расстоянии 400 мм от конца консоли по оси симметрии модели пролетного строения.
Рис. 2. Общий вид модели
Рис. 3. Фрагмент ортотропной плиты
Рис. 4. Экспериментальная установка
Сбор данных о деформациях производился с помощью системы БН3820 с 39 тензо-датчиками. Данная система способна работать с максимальной частотой дискретизации 100 Гц и улавливать сигнал изменения во всем процессе, от упругой до пластической области. При испытании частота нагружения составляла 4 Гц; амплитуда нагружения 50370 кН. Диапазон напряжений от статической нагрузки составил от 60 до 250 МПа.
В результате эксперимента было зафиксировано два типа усталостного разрушения. Наиболее часто возникающим разрушением являлась продольная трещина в продольном ребре (ПРОД Р) в зоне его сопряжения с поперечным ребром (ПОП Р), а также сдвиг между слоем иНРС и листом настила (ЛН) орто-тропной плиты. Кроме того, зафиксировано образование трещин в зонах выкружки поперечного ребра и соединения продольного и поперечного ребер. Разрушения слоя иНРС в ходе эксперимента установлено не было, хотя были достигнуты значительные пластические деформации в ультравысокопрочном бетоне.
Появление трещин в ребрах плиты вполне объяснимо, поскольку именно здесь имеются концентраторы напряжений - сварные швы и зона изменения размеров сечения поперечного ребра (выкружка). При циклическом воздействии нагрузки здесь происходят зарождение и рост усталостной трещины, а также последующее усталостное разрушение металла.
Известно, что при циклическом нагруже-нии с увеличением числа циклов максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно уменьшается. Об этом свидетельствуют результаты исследований усталостной долговечности [6-9].
В рамках численного эксперимента по оценке влияния материала покрытия и конструктивных решений пролетного строения на величину напряжений в элементах орто-тропной плиты рассмотрены пять конечно-элементных моделей:
- модель без покрытия;
- модель с покрытием из бетона класса В30;
- модель с покрытием иНРС;
- модель с покрытием из бетона класса В30 и стержневыми упорами;
- модель с покрытием иНРС и стержневыми упорами.
Ультравысокопрочный бетон характеризуется прочностью при сжатии порядка 100 МПа. В состав материала входят высокоактивные вяжущие вещества (портландцемента, щелочные цементы, вяжущие вещества с низким во-допоглощением, полимерные вяжущие вещества), металлическая фибра, а также различные пластифицирующие добавки.
Для обеспечения совместной работы покрытия и ортотропной плиты использованы стальные стержневые упоры высотой 35 мм и диаметром 13 мм. Металлические упоры, размещенные с определенным шагом по площади
Л. Н. Донец, Д. М. Кубасов, О. Л. Демина О способе предотвращения развития усталостных трещин в листе настила ортотропной плиты
покрытия, воспринимают часть сдвиговых усилий, за счет чего и достигается обеспечение совместной работы покрытия и ортотропной плиты.
В расчетах материалы покрытия и стали заданы как изотропные, с соответствующими физико-механическими характеристиками.
В расчетном комплексе Midas Civil была создана расчетная модель пролетного строения, в которой ортотропная плита аппроксимирована плитными конечными элементами. Толщина листа настила принята равной 16 мм, продольного ребра - 8 мм, поперечных ребер - 12 мм. Основные размеры модели отражены на рис. 5.
Опоры представлены шарнирно-подвиж-ными (оп. № 0) и шарнирно-неподвижными (оп. № 1) связями. На рис. 6 приведен общий вид модели в программном комплексе. Основные размеры плиты приняты аналогичными конструкции, исследованной в эксперименте [5].
Покрытие также аппроксимировалось плитными элементами, смещенными на расстояние
45 мм от верхнего листа пролетного строения. Толщина данного элемента принята равной толщине покрытия - 45 мм.
Для обеспечения правильной совместной работы покрытия и ортотропной плиты было принято решение соединить покрытие с верхним листом при помощи двухузловых связей с конечной жесткостью. Шаг расстановки связей 300 мм в продольном направлении и 100 мм в поперечном.
Размещение двухузловых связей в модели представлено нарис. 7.
Динамическая нагрузка задана согласно эксперименту со следующими параметрами:
- частота 4 Гц;
- амплитуда сил 50-370 кН;
- количество циклов 1 • 105.
Так как частота составляет 4 Гц, то общее время действия нагрузки принято 25 000 с. В целях уменьшения ресурсоемкости и времени расчета было принято решение рассмотреть вариант нагрузки с приращением в 1 000 с и количе-
Рис. 5. Основные размеры плиты
Рис. 6. Модель ортотропной плиты без покрытия
Рис. 7. Размещение двухузловых связей в модели
о.в о.ч о.е о.е 1 1.2 1.4 л.е 1.н
Время (с)
Рис. 8. График функции изменения силы во времени
ством шагов 25, тип «периодический». Нагрузка задавалась функцией «динамические узловые нагрузки». На рис. 8 представлен синусоидальный график функции динамической нагрузки.
Сосредоточенная нагрузка прикладывалась по оси ортотропной плиты на расстоянии 400 мм от края консоли. Собственный вес пролетного строения определен и учтен автоматически.
В таблице представлены некоторые результаты расчета. Анализ табличных данных позволяет сделать некоторые выводы.
Обращает на себя внимание некоторая разница в величинах напряжений в ребрах ортотропной плиты, расположенных симметрично относительно оси модели. Данное обстоятельство объясняется наличием закреплений (опор) с разными степенями свободы на поперечных ребрах (балках).
Применение покрытия без сцепления с листом настила в незначительной степени способствует перераспределению напряжений в эле-
ментах ортотропной плиты. Покрытие выполняет по сути роль постоянной нагрузки.
В наибольшей степени на напряженное состояние в листе настила, продольных и поперечных ребер (балок) оказывает совместная работа покрытия из ультравысокопрочного бетона с ортотропной плитой.
Таким образом, можно констатировать, что применение композитного настила - ортотропной плиты пролетного строения, усиленной покрытием из ультравысокопрочного бетона (ЦНРС), включенного в совместную работу с несущей конструкцией, значительно уменьшает напряжения в потенциально опасных зонах [10] с точки зрения возможного возникновения усталостных повреждений, ортотропной плиты.
Считаем целесообразным продолжить дальнейшие исследования в следующих направлениях: уточнение модели сцепления покрытия и листа настила ортотропной плиты; разработка критерия усталостной долговечности основного
Л. Н. Донец, Д. М. Кубасов, О. Л. Демина О способе предотвращения развития усталостных трещин в листе настила ортотропной плиты
Напряжения в элементах ортотропной плиты, МПа
Локализация Без покрытия взо UHPC В30 + упоры UHPC + упоры
Зона выкружки: пересечение левого ПРОД Р с ПОП Р 38,107 53,719 51,044 40,081 37,149
Зона выкружки: пересечение правого ПРОД Р с ПОП Р 55,725 87,562 80,825 53,984 46,168
Зона выкружки: пересечение левого ПРОД Р, ЛН и ПОП Р 23,233 34,426 33,297 24,034 22,257
Зона выкружки: пересечение правого ПРОД Р, ЛН и ПОП Р 15,149 34,426 22,404 15,466 14,476
ЛН в области пересечения правого ПРОД Р и ПОП Р 12,106 17,341 17,074 12,598 12,022
Лист настила между продольными ребрами 8,485 7,674 7,443 5,557 4,921
Лист настила над продольным ребром 7,251 5,907 5,824 4,858 4,482
конструкционного материала (металла); разработка модели деформирования ультравысокопрочного бетона с учетом неупругих свойств материалов (бетона и фибры).
Кроме того, необходимы экспериментальные исследования на эксплуатируемых автодорожных мостах.
Библиографический список
1. Jong F. B. P. de. Overview Fatigue phenomenon in orthotropic bridge decks in the Netherlands //
Conference proceedings Orthotropic Bridge Conference, Sacramento, USA, 2004. P. 489-513.
2. Поляков С. Ю. Совершенствование конструкции проезжей части металлических мостов с учетом особенностей характера работы одежды ездового полотна // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. №2 (22). С. 174-184.
3. Яшнов А. Н. Экспериментальное определение напряженно-деформированного состояния асфальтобетонного покрытия на металлических мостах II Научный журнал строительства и архитектуры. 2018. № 2 (50). С. 82-93.
4. Научно-технический отчет по обследованию и испытаниям объекта. Автодорожный мост через реку Обь в районе города Сургута с вантовым пролетным строением в левобережной части (заключительный). Т. 4. Гос. контракт № 05/20/218 от 08.06.2020.
5. Experimental study on fatigue performance of UHPC-orthotropic steel composite deck / Shiming Chen, Yang Huang, Pmg Gu, Jun-Yan Wang // Thin-Walled Structures. 2019. Vol. 142. P. 1-18.
6. Жунев К. О., Мурованный Ю. Н., Яшнов А. Н. Исследование усталостной долговечности сварных соединений железнодорожных пролетных строений II Транспортные сооружения : интернет-журн. 2020. № 2. URL: https://t-s.today/PDF/06SATS220 (дата обращения: 04.03.2021).
7. Сервисен С. В. Усталость материалов и элементов конструкций : избр. тр. : в 3 т. Киев : Наукова думка, 1985. Т. 2. 256 с.
8. Феоктистова Е. П. Оценка остаточного усталостного ресурса металлических балок сталежелезобе-тонных пролетных строений автодорожных мостов // Транспортные сооружения : интернет-журн. 2019. № 3. URL: https://t- s.today/PDF/15SATS319 (дата обращения: 06.03.2021).
9. Бокарев С. А., Жунев К. О. Особенности и перспективы оценки остаточного ресурса сварных металлических пролетных строений железнодорожных мостов II Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2017. № 1 (40). С. 30-35.
10. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. М. : Минре-гион России, 2011. 346 с.
A. N. Donets, D. M. Kudasov, O. A. Dyomina
Revisiting the Method for Prevention of Fatigue Crack Propagation in Orthotropic Steel Plate of Bridge Deck
Abstract. This paper has shown the results of the numerical experiment for reducing fatigue stresses in the orthotropic steel plate under repeated dynamic loads. Composite deck made of the orthotropic steel plate has been implemented on the superstructure. The orthotropic steel plate is strengthened by the covering, which is made of UHPC (Ultra High Performance Concrete), and produces composite action with the bearing structure.
Motor road bridges with steel orthotropic superstructure are widely used for network of motor roads. The structural feature is determined by using the orthotropic steel plate as the main element of the bridge deck. The plate is the system of mutually orthogonal and transversal ribs (beams) secured with the orthotropic steel plate by welding. The thickness of plate elements is relatively small, thus they are thin-walled elements. Bitumen concrete is most frequently used as deck pavement.
The inspection results of such superstructures show the defects in bitumen concrete and in the elements of the steel orthotropic plate. First of all there are longitudinal and transversal fatigue cracks in deck pavement as well as in ribs and in transversal beams. There are instances when such fatigue cracks can be found in the steel orthotropic plate. Thus, the problem of providing durability in the roadway elements of motor road bridge superstructure is of great relevance.
The paper has shown the results of numerical experiment on the model of steel superstructure under dynamic load. Calculation is carried out by the finite-element method. Several types of covering, namely standard concrete and ultra-high performance concrete, have been considered. Whereas the defects (fatigue cracks) in deck pavement and the fatigue cracks in the elements of the steel orthotropic plate are complementary, the covering is included in composite action with the plate by steel supports. The positive effect of concrete covering on stress distribution in the steel orthotropic plate elements has been shown.
Key words: motor road bridge; steel superstructure; orthotropic steel plate; fatigue cracks; deck pavement damage; composite deck; numerical experiment.
Донец Александр Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: [email protected]
Кудасов Дмитрий Максимович - студент группы СМТ-512, специальность «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: [email protected]
Демина Ольга Африкановна - кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Иностранные языки» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: [email protected]
