CC BY
11
УДК 624.21.072.012.4.04:625.1
Т. Ф. ХАРИТОНОВА, В. I. БОРЩОВ (ДПТ)
ТЕОРЕТИЧН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ
В1ЛЬНИХ КОЛИВАНЬ ПРОГ1ННИХ БУДОВ
РОЗРАХУНКОВИМ ПРОГОНОМ 110 м CEPIÏ 3.501.2-139
Розглянуто результати теоретичних дослвджень перших шести форм вшьних коливань металевих прогшних будов i3 коробчатими елементами закритого типу i величиною розрахункового прогону 110 м сери 3.501.2-139.
Рассмотрены результаты теоретических исследований первых шести форм свободных колебаний металлических пролетных строений с коробчатыми элементами закрытого типа и величиной расчетного пролета 110 м серии 3.501.2-139.
The paper considers the outcomes of theoretical research of the first six forms of free vibration of metallic span structures with box-like close elements and the design span size of 110 m, of 3.501.2-139 series.
Питання про динамiчний вплив рухомих навантажень на прогшш будови моспв приве-ртае увагу понад столотя. В останнш час роб-ляться новi спроби вивчити окремi сторони ще! проблеми, яка важлива як для проектуван-ня нових моспв, так i для правильно! постановки справи поточного утримання та експлуа-таци штучних споруд [1].
Розвиток залiзничного транспорту вносить коршш змши в умови експлуатаци залiзничних моспв: впроваджуються новi типи локомотивiв, вагонiв i транспортерiв; значно шдвищуеться швидкiсть руху по!здiв; змiнюеться конструкщя залiзничноl коли. Змiнюються i об'екти дина-мiчного впливу рухомого складу - мости. Ши-роке розповсюдження мають прогiннi будови iз низьколеговано! сталi iз зварними коробчатими елементами головних ферм i монтажними з'еднаннями на високомщних болтах.
Ранiше для перекриття прогошв величиною 110 м були запроектоваш прогiннi будови типу 690/7 i 690/7к. У 1987 роцi Дшротран-смют розробив проект прогiнних будов сери 3.501.2-139 (шв. № 1293) для залiзничних мо-стiв з !здою низом, прогонами 33...110 м, металевих, iз зварними елементами замкнутого перерiзу з монтажними з'еднаннями на високомщних болтах у звичайному i швшчному виконаннi. Такi прогшш будови встановлеш не тiльки на деяких мостах Роси i Казахстану, заплановано встановити !х i на великих мостах Укра!ни i Бшоруси.
Прогiннi будови, якi виготовлеш за типо-вими проектами шв. № 690/7 i 690/7К, досль джувалися не тiльки теоретично, але i експе-риментально вивчалася !х поведiнка пiд час
руху по ним поlздiв рiзного типу з рiзними швидкостями [2].
У сучасних умовах впровадження на залiз-ничному транспорт нових типiв рухомого складу з шдвищеними навантаженнями i швид-кiсного руху поlздiв, дослiдження динамши прогiнних будов мостiв отримуе особливу ак-туальнiсть. Розглядати взаемодiю тако! складно! системи, як система «прогшна будова + по!зд» неможливо без знання динамiчних характеристик вшьних коливань безпосередньо не завантажено! прогшно! будови.
Нижче розглядаються динамiчнi характеристики вiльних коливань прогшних будiвель роз-рахунковим прогоном 110 м, сери 3.501.2-139.
Прогшш будови з довжиною розрахункового прогону 110 м призначаються для одноко-лшних залiзничних мостiв з !здою низом. Мос-тове полотно передбачене як на дерев'яних поперечинах, так i на залiзобетонних безбаласт-них плитах БМП. Тротуарнi плити i плити сховищ передбаченi проектом як iз залiзобето-ну, так i металевi.
Головнi ферми прогшних будов з довжиною прогошв 88... 110 м прийнят висотою 15,0 м. Вщстань мiж осями головних ферм поперек мосту прийнята 5,8 м. До складу головних ферм входять верхш i нижш пояси, а також розкоси коробчатого замкнутого пе-рерiзу. Стояки i пiдвiски мають Н-подiбний обрис. Ширина вшх елементiв головних ферм 526 мм. Висота пояшв головних ферм стано-вить 662 мм, портальних розкошв - 800 мм. Висота промiжних розкосiв 450.650 мм, а стояюв i пiдвiсок - 380 мм.
Основна конструктивна вщмша прогшних будов сери 3.501.2-139 (шв. № 1293) вщ про-
гшних будов типу 690/7К - герметичн замкнут елементи пояшв i розкошв, що забезпечуе можливiсть вщмовитися вiд захисту 1х внутр> шшх поверхонь вiд корози.
BepxHi поздовжн в'язi - хрестово! системи з довжиною панелi 5,5 м; елементи нижшх в'язей -таврового перерiзу забезпечують включення прошджо! частини в сумюну роботу з нижнiми поясами головних ферм.
Портальне заповнення i поперечнi в'язi розта-шован1 в площин портальних розкосiв i стояюв.
До складу про1жджо1 частини входять поздовжш i поперечнi балки висотою 1520 мм, якi мають двотавровий перерiз.
За конструкцieю мостового полотна прогш-нi будови мають чотири виконання:
• 00 - дерев'ян поперечини i залiзобе-тоннi тротуари;
• 01 - дерев'ян поперечини i металевi тротуари;
• 02 - залiзобетоннi плити БМП i залiзо-бетоннi тротуари;
• 03 - залiзобетоннi плити БМП i метале-вi тротуари.
Теоретичнi дослiдження частот i форм вi-льних просторових коливань провадилися для прогiнниx будов з розрахунковим прогоном 110 м сери 3.501.2-139 виконання 00.
Для визначення частот i форм вшьних про-сторових коливань прогшних будов викорис-товувався метод скiнченниx елеменпв (МСЕ). Пiд час створення математично1 моделi врахо-вувалося, що прогшна будова мае поздовжню вiсь симетри. Стосовно симетри прогшно1 будови вщносно поперечно1 осi слiд зазначити, не зважаючи на те, що сама конструкщя будови симетрична, закршлення 11 кiнцiв рiзне у зв'язку з чим повну симетрда вважати не мо-жна. На одному кшщ прогiнна будова мае не-руxомi опорнi частини, як не допускають ш-яких перемщень у будь-якому напрямку, а на другому - руxомi опорнi частини допускають поздовжш перемщення прогшно1 будови. Реальна прогшна будова мае розподшеш по до-вжинi прогону маси, але тд час дослщжень розподiленi по довжинi маси, елементи про-гшно1 будови замiнювалися дискретними ма-сами, величина яких визначалась за «правилом важеля». Передбачалось, що з'еднання елеменпв у вузлах головних ферм - жорстке.
Дискретш маси в розрахункових схемах розташовувалися в окремих вузлах головних ферм (рис. 1). Для кожно1 iз цих мас врахову-валися вертикальш, поздовжнi i поперечнi го-ризонтальш сили шерци.
Рис. 1. Розрахункова схема пропнно! будови
Деформацiя прогшно1 будови пiд час вшь-них просторових коливань по першiй формi наведена на рис. 2. Для контурiв поперечних перерiзiв прогшно1 будови у непарних вузлах вказанi нормоваш поперечнi i поздовжнi пере-мщення. У зв'язку з тим, що поздовжш пере-мiщення надто малi 1х величини не наводяться.
0,58
0,30
0,91
Рис. 2. Перша форма просторових коливань пропнно! будови
Вшьш просторов! коливання пропнно! будови по першш форм! вщбуваються з частотою 1,02 Гц (перюд коливань 0,980 с). У цьому ви-падку верхш { нижш вггров! ферми перемщу-ються синфазно. Слщ також вщмггити, що вер-хня в1трова ферма перемщуеться на величину вдв1ч1 бшьшу, шж нижня в1трова ферма.
Вузли нижньо! вггрово! ферми перемщу-ються симетрично вщносно свое! поперечно! ось Стосовно перемщень верхньо! вггрово!' ферми то перемщення верхшх вузл1в пор-тально! рами над рухомою опорною частиною декшька менш1, шж над нерухомою опорною частиною.
0
x
Деформащя прогшно! будови пiд час вшь-них просторових коливань по другш формi наведена на рис. 3.
0,03
0,33
0,76 0.01
0,005 °,78
Вшьш просторовi коливання прогшно! будови по третiй формi вiдбуваються з частотою 2,24 Гц (перюд коливань 0,446 с). При коли-ваннях по цiй формi портальнi вузли верхньо! в^рово! ферми перемщуються у протилежнi боки. Головш ферми прогшно! будови перем> щуються у вертикальнiй площинi синфазно.
Деформащя прогшно! будови тд час вшь-них просторових коливань по четвертш формi наведена на рис. 5.
0,23
Рис. 3. Друга форма просторових коливань прогшно! будови
Вшьш просторовi коливання прогшно! будови по другш формi вщбуваються з частотою 1,62 Гц (перюд коливань 0,617 с). У цьому ви-падку верхш i нижш вiтровi ферми перемщу-ються антифазно. Слщ також вiдмiтити, що в середньому перерiзi прогшно! будови верхня вiтрова ферма перемiщуeться на величину втричi меншу, нiж нижня в^рова ферма.
Портальнi вузли верхньо! в^рово! ферми перемiщуються в один бш, але вузол з боку нерухомо! частини перемiщуeться набагато бiльше, шж вузол з боку рухомо! опорно! частини. Вертикальш перемiщення прогшно! будови незначш.
Деформацiя прогiнно! будови тд час вшь-них просторових коливань по третш формi наведена на рис. 4.
0,25
Рис. 5. Четверта форма просторових коливань прогшно! будови
Вшьш просторовi коливання прогшно! будови по четвертш формi вщбуваються з частотою 2,37 Гц (перюд коливань 0,422 с). У цьому випадку верхш i нижш головш ферми перем> щуються синфазно. Перемщення вузлiв ферми в горизонтальнiй площиш практично вiдсутнi.
Деформацiя прогiнно! будови тд час вшь-них просторових коливань по п'ятш формi наведена на рис. 6.
Вшьш просторовi коливання прогiнно! будови по п'ятш формi вщбуваються з частотою 3,12 Гц (перюд коливань 0,329 с).
0,34
Рис. 4. Третя форма просторових коливань прогшно! будови
Рис. 6. П'ята форма просторових коливань прогшно! будови
X
X
У
0
X
X
Деформащя прогшно! будови у просторi до-сить складна: середина верхньо! внрово! ферми i портальнi вузли з боку рухомо! опорно! час-тини перемщуються в один бiк, а портальш вузли з боку нерухомо! опорно! частини - у протилежний. Вузли нижньо! вiтрово! ферми перемщуються по вщношенню до вузлiв верхньо! внрово! ферми антифазно. При коливан-нях прогiнно! будови по цш формi поперечнi контури прогшно! будови деформуються.
Деформацiя прогiнно! будови тд час вшь-них просторових коливань по шостiй формi наведена на рис. 7.
1,00
0,13
0,10
0,45 0,33
0,10 0,38
0,49 0,30
0,12
Рис. 7. Шоста форма просторових коливань прогшно! будови
Вшьш просторовi коливання прогшно! будови по шостш формi вщбуваються з частотою 3,66 Гц (перюд коливань 0,273 с). У цьому ви-падку кiнцевi вузли верхньо! внрово! ферми перемiщуються в один бш, а !! вузли В3-В7 -у протилежний. Горизонтальш перемщення верхньо! вiтрово! ферми у вузлах В5 i В10 ма-ють майже однаковi величини.
Вузли нижньо! внрово! ферми по вщношен-ню до вузлiв верхньо! ферми перемщуються антифазно. У вертикальнш площиш головнi ферми прогiнно! будови зазнають антифазних перемiщень, що призводить до деформацп еле-ментiв прогiнно! будови.
Для порiвняння динамiчних характеристик в таблиц наведенi значення частот вшьних просторових коливань прогiнних будов, яю виготовленi за типовими проектами шв. 690/7 (690/7к) i серi! 3.501.2-139 виконання 00 (шв. № 1293), тдрахованих за однаковими методиками.
Виконаш теоретичнi розрахунки показують, що частоти коливань прогшних будов серн 3.501.2-139 виконання 00 нижч^ шж у прогш-них будов, яю були запроектованi i виготовле-ш за типовими проектами iнв. № 1293.
Слщ мати на уваз^ що прогiннi будови iншого виконання (01, 02 i 03) будуть мати ще нижчi частоти у зв'язку з тим, що вони мають бшьшу розподiлену масу при однако-вiй жорсткостi.
Таблиця
Частоти i перiоди вшьмих просторових коливань
х
У
Форма 1нв. № 690/7 [ 690/7к 1нв. № 1293, метод МСЕ
Метод МСЕ Експеримент
V, Гц Т, с V, Гц Т, с V, Гц Т, с
1 1,07 0,934 0,95 1,050 1,02 0,980
2 1,69 0,592 2,02 0,495 1,62 0,617
3 2,42 0,413 - - 2,24 0,446
4 2,44 0,410 2,35 0,426 2,37 0,422
5 3,04 0,329 - - 3,12 0,329
6 3,77 0,265 - - 3,66 0,273
Ранiше в роботах [2; 3] вiдмiчалося, що при рус по прогiнних будовах шв. № 690/7 i 690/7К порожшх пiввагонiв спостерiгалися просторовi коливання системи «мют-по!зд» з досить великими амплнудами. При завантаженнi прогш-них будов по!здом у зв'язку зi збiльшенням за-гально! маси системи «мют-по!зд» частота коливань зменшуеться. Пiд час дослiджень було встановлено, що основною причиною виник-
нення просторових коливань прогiнних будов тд час проходу по мосту по!здв, якi сформо-ванi iз порожшх шввагошв, е виляння вiзкiв шввагошв вiдносно кузова i бiчна качка швва-гона внаслiдок збiгу цих частот з частотами завантажено! прогшно! будови [3].
Щд час руху по мосту завантажених по!здiв рiзниця мiж частотами системи i частотами збу-дження досить значна. У цьому разi зростання
амплиуд просторових коливань прогiнних бу-дов сери 3.501.2-139 у порiвняннi з прогшними будовами iнв. № 690/7К тд час проходу по мосту по!Здiв iз завантажених пiввагонiв або наф-тоналивних по!Здiв чекати не слщ.
У випадку завантаження прогiнних будов по-рожнiми шввагонами частота системи «мiст -по!зд» змiнюeться незначно.
Пiд час руху по прогшних будовах сери 3.501.2-139 навантажень у вш\щщ чотиривю-них шввагошв значнi амплiтуди просторових коливань можуть проявлятися при меншш швидкост руху нiж для прогiнних будов шв. № 690/7 або 690/7К.
Максимальний перiод вiльних поперечних горизонтальних коливань, який дорiвнюe 0,98 с, вщповщае вимогам [4], що ставляться до балоч-них розрiзних металевих прогiнних будов зал> зничних моспв.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бондарь М. Г. и др. Динамика железнодорожных мостов. - М.: Транспорт, 1965.
2. Борщов В. I. Динам1чш випробування пропнно! будови типу 690/7к / В. I. Борщов, М. К. Журбе-нко, Б. Д. Сухоруков. // В1сник Дн1пропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. Вип. 1. - Д., 2003.
3. Борщов В. I. Коливання прогшних будов типу 690/7к тд час руху по ним повдш 1з порожнiх тв-вагон1в / В. I. Борщов, М. К. Журбенко, О. С. Распопов, Б. Д. Сухоруков. // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. Вип. 3. - Д., 2003.
4. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2001. -214 с.
Надшшла до редколегп 17.05.04.
