CC BY
2Научная статья УДК 624.21/.8
ОПЫТ НАУЧНОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЕРВОГО АЛЮМИНИЕВОГО АВТОДОРОЖНОГО МОСТА В РОССИИ
Игорь Сергеевич Сухов 1 Кира Владимировна Ляпина 2, Максим Сергеевич Наумов 3, Андрей Сергеевич Сухов 4
1 2, 3, 4 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), г. Москва, Россия
1 sukhov.mosti@mail.ru
2 kirulya@mail.ru
3 maxim.na2018@yandex.ru
4 A.Suhov@madi.ru
Аннотация. В России проект моста из алюминиевых сплавов был реализован при строительстве автодорожного моста через р. Линда. В данной статье рассматривается опыт научного сопровождения при проектировании и строительстве данного автодорожного моста.
Ключевые слова: мост, автодорожный мост, алюминиевый мост, алюминиевые сплавы, испытания мостов, выносливость, многоцикловая выносливость, динамические испытания, статические испытания
Для цитирования: Сухов И. С., Ляпина К. В., Наумов М. С., Сухов А. С. Опыт научного сопровождения при проектировании и строительстве первого алюминиевого автодорожного моста в России // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2024. № 1(10). С. 55-62.
Original article
SCIENTIFIC SUPPORT EXPERIENCE IN THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE FIRST ALUMINUM ROAD
BRIDGE IN RUSSIA
Igor S. Sukhov Kira V. Liapina 2, Maksim S. Naumov 3, Andrey S. Sukhov 4
1 2, 3, 4 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
1 sukhov.mosti@mail.ru
2 kirulya@mail.ru
3 maxim.na2018@yandex.ru
4 A.Suhov@madi.ru
Abstract. In Russia, the aluminum alloy bridge project was implemented during the construction of a road bridge over the Linda River. This article discusses the experience of scientific support in the design and construction of this road bridge.
© Сухов И. С., Ляпина К. В., Наумов М. С., Сухов А. С. 2024
Keywords: bridge, road bridge, aluminum bridge, aluminum alloys, bridge tests, endurance, dynamic tests, static tests
For citation: Sukhov I. S., Liapina K. V., Naumov M. S., Sukhov А. S. Scientific support experience in the design and construction of the first aluminum road bridge in Russia. Automotive and Road expert evaluation. 2024; (1):55-62. (in Russ.).
Введение
В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению применения алюминия в различных отраслях. В строительстве алюминий стал отличным инновационным решением для реализации выдающихся архитектурных проектов последних лет - в частности алюминиевые сплавы все чаще применяются в мостостроении.
Сегодня в стране потребляется 1 млн тонн алюминия, из них на товары народного потребления приходится более 290 тыс. тонн, строительство - 240 тыс. тонн, энергетику - 225 тыс. тонн, транспорт - 100 тыс. тонн. Прирост производства алюминиевых продуктов увеличился на 46%, а объем экспорта алюминиевых полуфабрикатов - на 60%.
Первым в Евразии реализованным проектом полностью алюминиевого автодорожного моста стал мост через реку Линда длиной 72 метра построен в Бор-ском районе Нижегородской области на автодороге Толоконцево - Могильцы. В общей сложности потребовалось 5 лет для выполнения комплекса работ по его созданию, а также вовлечения десятка организаций. В конце 2023 года указанный объект введен в эксплуатацию. В процессе проектирования, а также на этапе строительства решалось большое количество исследовательских задач.
В данной статье обобщен опыт в части проведения статических и динамических испытаний ортотропной плиты, применяемой на введенном в эксплуатацию мосту через р. Линда и строящемся мосте через р. Упа.
Постановка вопроса
Одним из преимуществ применения алюминиевых сплавов является возможность экструдирования сложных профилей. Это дает возможность спроектировать многофункциональный профиль без дополнительных технологических операций [1-3]. На рассматриваемых сооружениях ортотропные плиты выполнены в виде сложного профиля из отдельных экструдированных сегментов (илл. 1).
В процессе изготовления установочной партии было обнаружено, что после экструзии в диагональных рёбрах сегментов плит могут возникнуть высокие остаточные напряжения, которые станут причиной образования в них трещин при эксплуатации моста (илл. 2).
Илл. 2. Области в диагональных рёбрах сегментов плит с высокими остаточными напряжениями, в которых при эксплуатации моста могут возникнуть трещины
Таким образом, был поставлен вопрос: «Возможно ли использовать плиты данной партии на сооружении с автодорожными нагрузками?»
Разработанная программа испытаний предполагала проведение статических и динамических испытаний плит. При этом испытываемые образцы предполагали раздельное испытание по направлениям вдоль и поперек направления экструзии.
Динамические испытания
Динамические испытания проводились по схеме четырёхточечного изгиба по двум способам нагружения - вдоль и поперек направления экструзии. Испытания проводились на базе 2-106 циклов либо до разрушения (нужно отметить, что в данном случае база в 2-106 циклов была выбрана по эксплуатационным показателям мостового сооружения).
Учитывая характер и величину нагрузки (по проектным данным плита не включается в совместную работу с главными балками пролетного строения), разрушение может произойти только в зоне дефекта экструзии или в зоне узла сварного шва, который по своей конструкции предполагает концентрацию напряжений.
На иллюстрациях 3 и 4 показаны схемы приложения к плите испытательной нагрузки поперёк и вдоль направления экструзии.
На иллюстрации 5 показана фотография процессе динамического испытания плиты на выносливость.
В результате проведения испытаний на заданную нагрузку все образцы плит прошли 2 000 000 циклов без разрушения и остаточных деформаций.
Илл. 3. Динамические испытание плиты. Испытательная нагрузка действует поперёк
направления экструзии
Илл. 4. Динамические испытания плиты. Испытательная нагрузка действует вдоль
направления экструзии
Илл. 5. Динамическое испытание плиты на выносливость
Статические испытания
Статические испытания также проводились по двум способам нагружения -для одних образцов вдоль направления экструзии, а для других - поперек.
В данном случае испытания проводились до достижения предела текучести алюминиевого материала. При этом численное моделирование проводилось на основании нормативных характеристик алюминиевого сплава EN АШ-6082 Т6 (табл. 1). Таким образом был установлен фактический запас по прочности для испытываемых элементов.
Таблица 1
Механические характеристики сплава EN АШ-6082 16
Состояние Толщина стенки Ь, мм Предел прочности (Ов), МПа Предел текучести (00,2), МПа А*, % А* (50мм), % Твердость, типичное значение НВШ
мин. макс. мин. макс. мин. мин.
Полный < 5 290 _ 250 - 8 6 95
профиль Т6 5 < Ь < 15 310 - 260 - 10 8 95
Примечание. * - относительное удлинение.
В зависимости от расположения сегментов в образце был получен разный характер нарастания пластических деформаций:
- в образцах, в которых нагрузка действовала вдоль направления экструзии (далее - «тип-1») пластические деформации нарастали плавно в соответствии с диаграммой деформирования;
- в образцах, в которых нагрузка действовала поперек направления экструзии (далее - «тип-2») пластические деформации нарастали экспоненциально из-за потери устойчивости в сжатой области и образования пластического шарнира. В результате значительных пластических деформаций в диагональной стенке плиты образовалась трещина.
На иллюстрациях 6 и 7 показаны статические испытания образцов «тип-1» и «тип-2».
Илл. 6. Статические испытания образца «тип-1»
Илл. 7. Статические испытания образца «тип-2»
На иллюстрации 8 показан характер разрушения при статическом испытании образца «тип-2».
Илл. 8. Характер разрушения образца «тип-2» (стрелкой показана образовавшаяся
трещина в ребре секции плиты)
Полученные в рамках математического моделирования в ПК Ansys 2021г2 результаты соответствуют фактическим данным в части общих деформаций и перемещений конструкции (илл. 9). Наибольшие деформации получил верхний пояс (1) и диагональная стенка (2). При этом относительные пластические деформации в верхнем поясе составили -10% (что является предельным нормативным значением для сплава EN АШ-6082 Т6), а деформации в диагональной стенке получены в интервале 5-7%.
Из этого следует, что образование трещины в диагональной стенке вызвано существенными остаточными напряжениями или другими дефектами металла, возникшими в процессе экструзии.
Стоит отметить, что возникновение трещины в ребре секции плиты образца «тип-2» произошло при нагрузке существенно (~20%) превышающей нормативный предел прочности алюминиевого материала и соответственно наличие дефекта экструзии в данной области не влияет на несущую способность конструкции в целом.
Илл. 9. Сопоставление фактических данных, полученных при статическом испытании с данными математического моделирования
Заключение
В данной статье обобщён опыт получения ортотропных алюминиевых плит методом экструзии. Из полученных данных видно, что прочность плит, изготовленных из алюминиевых секций, в двух направления (вдоль и поперёк экструзии) обеспечена с запасом не менее 20%, при этом обеспечивается усталостная прочность на базе 2-106 циклов нагружения (также в двух направлениях). Принимая во внимание режим нагружения при котором ортотропные плиты не включены в совместную работу с главными балками пролетного строения, а также тот факт, что при экструзии алюминия наблюдаются дефекты изготовления, в целом, не влияющие на несущую способность испытанных образцов, данная конструкция плит рекомендуется для применения в мостостроении.
Список источников
1. Kosteas, D. Sustainability, Durability and Structural Advantages as Leverage in Promoting Aluminium Structures / D. Kosteas // Key Engineering Materials. - 2016. - Vol. 710. -P. 13-21. - DOI 10.4028/www.scientific.net/KEM.710.13.
2. Довгелюк, Н. В. Новые тенденции в строительстве пролетных строений мостовых сооружений / Н. В. Довгелюк, Я. В. Шутов, И. М. Царенкова // Горная механика и машиностроение. - 2023. - № 1. - С. 51-57. - EDN PKMPOV.
3. Кунин, Ю. С. Расчет и проектирование фрикционных соединений алюминиевых конструкций. Проблемы и пути решения / Ю. С. Кунин, А. А. Синеев // Строительное производство. - 2022. - № 2. - С. 72-76. - DOI 10.54950/26585340_2022_2_72. - EDN YMAGPD.
4. Aluminium Footbridges and their Footprint. Aluminium Conference 2022. - URL: https://www.aluminium-exhibition.com/content/dam/sitebuilder/rxde/ aluminium/on-demand-center/pr%C3%A4sentationen-alu-conference-
2022/Pr%C3%A4sentation_ALUMINIUM%20Conference_Dimitris%20Kosteas.pdf.coredow nload.775040494.pdf (дата обращения: 24.02.2024).
Refere^es
1. Kosteas D. Sustainability, Durability and Structural Advantages as Leverage in Promoting Aluminium Structures, Key Engineering Materials, 2016, vol. 710, pp. 13-21, doi 10.4028/www.scientific.net/KEM.710.13.
2. Dovgelyuk N. V., Shutov Ya. V., Tsarenkova I. M. Gornaya mekhanika i mashinostroyeniye, 2023, no. 1, pp. 51-57.
3. Kunin Yu. S., Sineyev A. A. Stroitelnoye proizvodstvo, 2022, no. 2, pp. 72-76, doi 10.54950/26585340_2022_2_72.
4. Aluminium Footbridges and their Footprint. Aluminium Conference 2022, available at: https://www.aluminium-exhibition.com/content/dam/sitebuilder/rxde/aluminium/on-demand-center/pr%C3%A4sentationen-alu-conference-
2022/Pr%C3%A4sentation_ALUMINIUM%20Conference_Dimitris%20Kosteas.pdf.coredow nload.775040494.pdf (24.02.2024).
Информация об авторах И. С. Сухов - кандидат технических наук, руководитель Центра научных исследований искусственных сооружений "Мосты" ЦАДИ МАДИ.
К. В. Ляпина - кандидат технических наук, младший научный сотрудник ЦАДИ МАДИ. М. С. Наумов - младший научный сотрудник отдела исследований и проектирования искусственных сооружений ЦАДИ МАДИ.
А. С. Сухов - техник отдела исследований и проектирования искусственных сооружений ЦАДИ МАДИ.
Information about the authors I. S. Sukhov - Candidate of Sciences (Technical), Head of the Center for Scientific Research of Artificial Structures "Bridges" TsADI MADI.
K. V. Liapina - Candidate of Sciences (Technical), junior scientist TsADI MADI.
M. S. Naumov - junior scientist of Department of Research and Design of Artificial Structures
TsADI MADI.
A. S. Sukhov - technician of Department of Research and Design of Artificial Structures TsADI MADI.
Рецензент: И.С. Белашова, доктор технических наук, профессор МАДИ.
Статья поступила в редакцию 10.03.2024; одобрена после рецензирования 26.04.2024; принята к публикации 26.04.2024.
The article was submitted 10.03.2024; approved after reviewing 26.04.2024; accepted for publication 26.04.2024.
