CC BY
54
УДК 69.04 Суровцев Борис Алексеевич,
руководитель группы проектирования, АО «Институт «Стройпроект», Санкт-Петербург, тел. +7(921)743-01-51, e-mail: BAS@stpr.ru,
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ КОМБИНИРОВАННЫХ СИСТЕМ С ГИБКИМИ НАКЛОННЫМИ ПОДВЕСКАМИ
B. A. Surovtcev
DESIGNING SPECIALITIES OF THE COMBINED BRIDGE ARCH SUPERSTRUCTURES WITH INCLINED HANGERS - «NETWORK ARCHES»
Аннотация. В статье рассматриваются аспекты проектирования пролетных строений комбинированных систем с полигональным верхним поясом и гибкими наклонными подвесками типа «жесткая арка - жесткая затяжка». Рассматривается опыт применения данных конструкций в других странах, эволюция решений. Рассматриваются преимущества данных систем мостов по сравнению с системами с вертикальными подвесками. В статье приведены результаты работы автора по обобщению и систематизации зарубежного опыта и рекомендаций к проектированию указанных систем. Также автор приводит результаты собственных исследований в части проектирования комбинированных систем с наклонными подвесками. Исследования проводились путем проведения большого количества статистических расчетов с использованием математических моделей, базирующихся на методе конечных элементов. В статье приведены практические рекомендации к основным положениям проектирования пролетных строений с наклонными подвесками применительно к нормам и нагрузкам, действующим на территории Российской Федерации, определены рекомендуемые оптимальные диапазоны значений основных параметров проектирования - количество подвесок, угол падения, высота стрелы и форма очертания верхнего пояса. Статья представляет практическую ценность для инженеров проектных организаций транспортной инфраструктуры.
Ключевые слова: комбинированные системы, вертикальные подвески, наклонные подвески, верхний пояс, гипотезы систем подвесок, количество подвесок.
Abstract. The article analyzes network arches designing aspects. It includes the analysis of the abroad experience of designing constructions of such type. The author tells about the advantages of such systems comparing with the traditional arch bridges with vertical hangers. The article contains the author's recommendations to design network arches. Also the author represents the results of his own researches of network arches. The researches were carried out with the large number of statistical analyses by using the mathematical models based on the finite element method. The article contains practical recommendations to the main provisions of designing the network arches according to the loads and code rules of Russian Federation - optimal ranges of the design general parameters values - the number of hangers, angle of the inclination, the rise of the arch and its geometrical shape. This article may be useful for civil design engineers working in the transport infrastructure.
Keywords: arch superstructures, vertical hangers, inclined hangers, top chord, theories of hangers system, number of hangers.
Постановка задачи
Целью проводимого исследования являются формулировка и определение основных критериев и параметров комбинированных внешне безраспорных систем пролетных строений с криволинейным верхним поясом с гибкими наклонными пересекающимися подвесками применительно к действующим в России нормам и требованиям по проектированию мостов, нагрузкам, применяемым материалам основных конструкций.
Пролетные строения комбинированных
систем «арка с затяжкой».
Общие сведения
В последние годы в Российской Федерации наблюдается рост объемов строительства объектов транспортной инфраструктуры, строится значительное количество дорог, в том числе скоростных трасс, городских автомагистралей, в составе которых необходимо предусматривать различные искусственные сооружения (мосты, тоннели, путепроводы, эстакады).
В случаях строительства трассы с пересечением судоходных рек необходимо выдерживать
требования навигационных водных инстанций, связанные с обеспечением необходимых габаритов судоходства по реке. Параметры судоходных габаритов зачастую определяют тип мостового перехода, обуславливают применение мостовых систем больших пролетов, требующих особого внимания и подхода при проектировании и строительстве.
Применяемые схемы мостов больших пролетов достаточно разнообразны, среди них преобладают вантовые, висячие мосты, но находится применение и иным конструктивным решениям - пролетным строениям со сквозными главными фермами, арочным мостам различных схем и комбинированным системам. В настоящее время в качестве элементов связей таких конструкций в некоторых случаях успешно находят применение ванты.
Комбинированные схемы, как правило, представляют собой сочетания нескольких простых систем. Чаще всего комбинированные системы образуют путем сочетания балки или фермы с полигональным поясом, аркой, шпренгельной системой или отдельными дополнительными стержнями.
Считается, что в большинстве случаев применение традиционных комбинированных систем не приносит преимуществ по сравнению с простыми системами в отношении затрат металла. Однако современные технологии проектирования и расчета позволяют говорить о разработке новых решений в пролетных строениях, эффективно снижающих затраты на основные материалы при строительстве. В качестве примера можно привести комбинированную схему с наклонными пересекающимися подвесками (рис. 1) [1, 2].
Рис. 1. Комбинированная схема с наклонными пересекающимися подвесками
В практике отечественного и зарубежного проектирования и строительства комбинированных мостов наиболее распространенная схема пролетного строения - арка с системой вертикальных подвесок (рис. 2). Данное решение достаточно широко распространено по всему миру, успешно реализуется как под железнодорожные, так и под автодорожные, пешеходные мосты [3].
Рис. 2. Комбинированное внешне безраспорное арочное пролетное строение с вертикальными подвесками
Основной недостаток данного типа пролетов, в значительной степени затрудняющий проектирование конструкций подобного типа под большие длины пролетов, - высокая степень чувствительности к ^-образному прогибу. Указанный эффект возникает в различных случаях несимметричных за-гружений пролетного строения временной вертикальной нагрузкой [4].
Основные негативные последствия появления ^-образного прогиба пролетного строения следующие:
- наблюдается смена знака действующих изгибающих моментов в сечениях элементов, что приводит к необходимости усиления как верхней, так и нижней части сечения [5];
- происходит смена знака относительных деформаций элемента пролетного строения;
- усилия в подвесках комбинированных пролетов существенно изменяются относительно
действующих в них сил от постоянных нагрузок, что приводит к дополнительным усилениям, полученным на основе проведенных расчетов усталости элементов. При этом в некоторых случаях усилие в элементе может становиться знакопеременным, что недопустимо для подвесок гибкого типа, а для подвесок условно жесткого типа требует проведения проверки по общей устойчивости элемента.
Все вышеперечисленные факторы в той или иной степени приводят к необходимости увеличения геометрических размеров несущих элементов, что, в свою очередь, негативно сказывается на весе монтируемых элементов и общем расходе материалов, увеличивая, в конечном счете, общую стоимость сооружения.
Эффективным решением описанной проблемы является применение комбинированных систем с гибкими наклонными подвесками, образующими сложную систему связей - «сетку» [6-7].
В отличие от арочных мостов с вертикальными подвесками, в данных конструкциях решающим фактором для определения основных геометрических параметров пролетного строения является равномерно распределенная нагрузка. Благодаря эффективной упругой опоре арки и ее равномерной реакции на различные варианты несимметричных загружений значения действующих изгибающих моментов в сечениях арок и затяжки существенно снижаются. Основная компонента внутренних усилий, действующая в арках и затяжке, -продольная осевая сила (сжимающая в арках и растягивающая в затяжке). Абсолютная величина значения усилия играет основную роль в определении геометрических параметров сечений несущих элементов.
Рис. 3. Диаграммы распределения изгибающих моментов в комбинированных схемах от несимметричных загружений временной нагрузкой
Транспорт
Анализ основных назначаемых параметров пролетного строения при проектировании
Для наиболее эффективного использования преимуществ сетчатой арки моста основная задачей, встающая перед инженером, - правильно расположить подвески. Для решения этой задачи необходимо найти баланс между следующими критериями:
- снижение коэффициента использования напряжения в арке и нижнем поясе за счет снижения действующих изгибающих моментов в элементах;
- снижение эффекта ослабления усилия натяжения в подвесках;
- выравнивание коэффициента использования максимальных усилий в подвесках, оптимизация поперечных сечений;
- минимизация максимальных усилий в подвесках и максимальных поперечных сечений подвесок;
- минимизация амплитуд напряжений и снижение опасности разрушения от усталости;
- эстетический вид.
При проектировании конструкций подобных типов инженеру необходимо решить ряд следующих задач:
- назначение оптимальных параметров проектирования верхнего пояса арки формы очертания, высоты стрелы, конструкции;
- выбор схемы построения сетки подвесок;
- определение рационального угла падения подвесок;
- расчет наиболее рационального количества подвесок;
- оценка экономической эффективности решения по сравнению с пролетными строениями с вертикальными подвесками [9-10]. Особенности решения этих задач следует
рассмотреть подробнее.
Проведенные исследования показали, что форма очертания верхнего пояса должна соответствовать окружности. Допускаются некоторые отклонения ближе к торцам пролетного строения с целью оптимизации действующих усилий в верхнем поясе и по архитектурным соображениям. Круг наилучшим образом отвечает радиальному закону распределения вертикальных нагрузок на пролетное строение. При этом высоту стрелы верхнего пояса рекомендуется назначать 0,16-0,18 Ь, где Ь -длина пролетного строения.
Нижний пояс (затяжку) рекомендуется предусматривать цельнометаллическим с учетом значительных осевых растягивающих усилий, действующих в элементе.
Рис. 4. Форма очертания верхнего пояса сетчатой арки моста
Анализируя опыт проектирования пролетных систем данного типа, а также собственные исследования автора, в качестве оптимальной и рекомендуемой гипотезы построения сетки обозначим идею Б. Брунна и Ф. Шеннака [15].
Идея основана на линии давления арки и предполагает постоянное значение угла падения подвесок. Схема к построению представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема к построению сеток Брунна - Шеннака
На приведенной схеме: ai - угол падения подвески, % = у - в; в - угол между подвеской и линией радиуса арки;
Y - угол между линией радиуса арки и линией оси нижнего пояса.
Значение угла у следующее:
yt = (180-ф/2 + (j + 0,5)-Ф /(n +1),
где
ф
J
начальный угол арки (угол между осью нижнего пояса и касательной к верхнему поясу в точке опирания);
порядковый номер подвески в составе положительного направления (наклон влево на рисунке);
порядковый номер подвески применительно ко всем подвескам системы; п количество подвесок в системе
Данная гипотеза наиболее проста с точки зрения построения сетки и оптимальна с позиции распределения внутренних усилий в элементах конструкции.
Чрезвычайно важным параметром при проектировании пролетных строений является значение угла падения подвесок на верхний пояс. Результаты проведенных автором исследований показывают, что наиболее оптимальный рекомендуемый диапазон значений угла падения подвесок на верхний пояс составляет 53-57 градусов (рис. 6).
Рис. 6. График зависимости параметров напряженного состояния конструкции от угла падения подвесок
Слишком малые углы (<45-50°) приводят к возрастанию усилий в подвесках, кроме того, при чрезмерно пологих углах падения сетка слишком сильно сгущается к середине пролетного строения, что, в свою очередь, нарушает его эффективную статическую работу у [11].
При значениях углов, стремящихся к 90°, в системе наблюдается рост показателей напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов пролета (что объясняется стремлением системы работать как схема с вертикальными подвесками).
Чрезвычайно важным критерием при проведении расчетов пролетных строений является оценка выносливости элементов подвесок. Важным фактором при построении сетки подвесок является определение степени тенденции подвесок к релаксации. В комбинированных системах данного типа, как правило, предел прочности подвески
не достигается при всех возможных загружениях. Главным критерием является предел выносливости -размах амплитуды цикла напряжений в подвесках.
Расчетная схема к определению степени релаксации подвесок в зависимости от отношения величины действующей временной нагрузки к постоянной приведена на рис. 7.
Рис. 7. Расчетная схема к определению значения размаха амплитуды цикла напряжений в подвеске
Выведем относительное значение размаха амплитуды цикла напряжений в отдельной подвеске [12]:
Имеем: Ь + с = ёх 1ап93 = ёу/ёх; Ь 1ап91 + сш 1ап92 = ёу;
(L - Xо )2
L - X0 - a
x0 + a
Таким образом, имеем следующее соотношение к расчету релаксации подвесок:
LL (tan 0j - tan 03)(xo - a)L - x0 )2
DL (tan 03 - tan 02)(L - x0 - a)x° При проектировании пролетных строений с наклонными подвесками важной задачей является определение количества связей. Проведенные расчеты показали, что чем больше подвесок в системе, тем лучше все расчетные показатели пролетного строения [13]. Однако необходимо учитывать определенные технологические факторы (значительное количество подвесок означает большое количество узлов прикрепления в нижнем и верхнем поясах пролета, что, в свою очередь, значительно затруд-
2
Транспорт
няет проектирование и изготовление металлоконструкций), а также внешний вид моста.
Технико-экономические показатели пролетных строений комбинированных систем с наклонными подвесками
Проведенные автором статистические расчеты с целью установления оптимального количества подвесок в данных пролетных строениях в зависимости от длины пролета позволили разработать следующие рекомендации, приведенные в таблице [14].
Диапазон длин пролета, м Рекомендуемое количество подвесок на плоскость, шт
<150 36
150-250 36-48
250-400 48-56
>400 >56
В рамках исследовательской работы автором было проведено сравнение относительных расходов основных металлоконструкций комбинированных пролетных строений с наклонными и вертикальными подвесками для различных диапазонов пролетов от 150 до 300 м. Полученные результаты в виде гистограмм изображены на рис. 8-10.
1600 1400 1200 LOOO SOO 600 400 ZOO 0
пояс, т Металл, Нижн. Металл, Верхи, пояс, т Металл всего, т
■ аерг
■ НйКЛ
Рис. 8. Гистограмма сравнительных расходов металлоконструкций пролетных строений длиной 150 м
Рис. 9. Гистограмма сравнительных расходов металлоконструкций пролетных строений длиной 300 м
Рис. 10. Гистограмма действующих напряжений в подвесках комбинированных систем
Гистограммы наглядно демонстрируют преимущества комбинированных пролетов с наклонными подвесками. Средние действующие максимальные напряжения в подвесках в таких схемах ниже, как видно из графика. Одновременно с этим применение систем с наклонными подвесками позволяет говорить о возможности экономии металлоконструкций элементов пролетов до 25 % по сравнению с системами с вертикальными связями. Данные факторы подтверждают высокую эффективность применения конструкций такого типа, опираясь на полученные результаты, можно говорить о высокой перспективности применения пролетных строений комбинированных систем в практическом проектировании и строительстве искусственных сооружений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Brunn B., Schanack, F. and Steimann, U. Network arches for railway bridges. Arch Bridges IV, Barcelona, Nov. 2004. Advances in Assessment, Structural Design and Construction. P. Roca and C. Molins (Eds.). pp. 671-680.
2. Tveit P. Graduation thesis on arch bridges with inclined hangers. Trondheim. Technical University of Norway, 1955. September. 76 p.
3. Tveit P. Design of Network Arches. Struct. Eng:, 44(7). London, 1966.
4. Tveit P. Discussion to Majid. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Vol. 52. 1972
5. Tveit P. Network arch in double track railway bridge. Presented at Nordic Research. Days for Steel Struct., held in Oslo, Norway, Pre-print V713.
6. Tveit P. et al. "Network arches." 1st ed., Civil Engineering. Department., Univ. of Houston June 978. 93 pages. Revised edition reprinted at inst. of Bldg. Techn. Struct. Engrg., Aalborg Univ. Centre Aalborg, Denmark, 1980. Including handout for the
Poster Session of IABSE's 11. Congress, Vienna, September 1980.
7. Tveit P. Network arches. Handout for poster session of IABSE's 11th Congress, held at Vienna, Publ, by inst. Tech. Struct. Engineering., Aalborg Univ. Centre, Aalborg, Denmark. 45 pages.
8. Tveit P. Network Arches. 11th IABSE Congress, held in Vienna, Austria, Final Report, IABSE, ETH-Hönggerberg, CH-8039, Zürich, Switzerland
9. Tveit P. Economic design of network arches. Rep. No. 8304, Inst. of Bldg. Tech. Strict. Enter., Aalborg Univ. Centre, Aalborg, Denmark, 22 p.
10. Tveit P. Economic design of network arches Handout for the poster session of IABSE's 12th congress, Vancouver, September 1984. Published by Inst. Bldg. Tech. Struct. Engineering., Alborg Univ. Centre, Aalborg. 32 p.
11. Sasek L. Getting on the Network. Innovation in arch design. BRIDGE Design § Engineering. V. 11. № 40.
12. Teich S. Fatigue Optimization in Network Arches Arch Bridges IV, Barcelona, Nov. 2004. Advances in Assessment, Structural Design and Construction. P. Roca and C. Molins (Eds.). pp. 691-700.
13.Nielsen O.F. - «Discontinuous systems applied at arches with inclined hangers», G.E.C. Gad, Copenhagen 1930.125 p.
14. Tveit, P. Optimal design of network arches. Contribution to the IABSE Symposium in Melbourne 2002. 13 p.
15. Brunn, B., Schanack, F. and Steimann, U. Network arches for railway bridges Arch Bridges IV, Barcelona, Nov. 2004. Advances in Assessment, Structural Design and Construction. P. Roca and C. Mo-lins (Eds.). pp. 671-680._
УДК 629 Марюхненко Виктор Сергеевич,
д. т. н., профессор, кафедра «Автоматика, телемеханика и связь», Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: viktor.maryuhnenko@yandex.ru Тувшинтур Золбоо, аспирант кафедры «Автоматика, телемеханика и связь», Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: tuvshintur.zolboo@yandex. ru
ФОРМИРОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОЙ ЗАДЕРЖКИ ПОЕЗДОВ
V. S. Maryukhnenko, T. Zolboo
UNAUT HORIZED TRAIN DELAYS SIGNS FORMATION
Аннотация. Выполнен анализ формирования несанкционированной задержки поездов на основе данных об отказах систем и устройств автоматики и телемеханики Улан-Баторской железной дороги. На основании анализа создана математическая модель формирования времени задержки. В явном виде показаны зависимости задержки поездов от времени восстановления отказов систем и устройств автоматики и телемеханики как для одиночного отказа, так и для потока отказов одного поезда и для потока отказов группы поездов в границах одной структурной эксплуатационной единицы.
Показано, что и при одиночном отказе, и при потоке отказов на маршруте одного поезда, а также при исследовании движения группы поездов в пределах дистанции (или ШЧ) следует применять системный подход, при котором учитывается не только время устранения отказов, но и динамика движения поездов, а также оперативность и правильность принятия организационных и управленческих решений.
Ключевые слова: задержка поезда, автоматика и телемеханика, системы, устройства, поток отказов, время восстановления, математическая модель.
Abstract. The analysis of formation of an unauthorized time delay of trains marks on the basis of the data systems about failures and devices of automatic equipment and telemechanics failures of the Ulaanbaatar railroad is made. The mathematical model of formation of delay period is created basing on the analysis. Dependences of a time delay of trains on time of restoration of failures of systems of railway automatic equipment are shown in an explicit form: for a single failure, for a failure flow of one train and for a failure flow of group of trains in boundaries of one structural operational unit.
It is shown that it is necessary to apply the systems concept in case of a single failure, in case of a failure flow on a route of one train, and also in case of a research of movement of group of trains within a distance. In case of such systems analysis not only time of elimination offailures, but also dynamics of train service, efficiency, and correctness of acceptance of organizational and administrative decisions are considered.
Keywords: train delay, automatic equipment and telemechanics, systems, devices, failure flow, restoration time, mathematical
model.
Введение
Математическое моделирование различных устройств, систем и процессов имеет в современных технологиях существенное значение. Создание математических моделей - существенно необходи-
мый этап системного анализа сложных систем. Математическое моделирование применительно к функционированию технических систем сопровождает изложение специальных вопросов монографий различной направленности [1, 2], по этому вопросу периодически публикуются статьи [3, 4]. Их
