CC BY
11
УДК 624.21 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2019.85.0.42
УРАХУВАННЯ СУМ1СНО1 РОБОТИ БАЛОК У СК1НЧЕННО-ЕЛЕМЕНТН1Й МОДЕЛ1 Д1АФРАГМОВО1 ПРОГОНОВО1 БУДОВИ
Бережна К. В., Краснов С. М.
Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Наведено анал1з сюнченно-елементних моделей д1афрагмових прогонових будов з урахуванням сум^сног роботи за рахунок сталевих накладок та асфальтобетонного покрит-тя. Обрано найбыьш приближену модель до реальног шляхом пор1вняння результат1в розра-хунку з даними випробування аналог1чног прогоновог будови.
Ключов1 слова: ребрист1 прогонов7 будови, д1афрагми, сюнченно-елементна модель, закла-дм детал1, металев1 накладки, приведена жорстюсть, д1аграми прогимв.
Вступ
Одним з головних завдань обстеження моспв та шляхопроводiв е визначення несу-чо! здатност конструкцш та ощнка реально! сумюно! роботи вшх конструктивних елеме-н-пв. Лабораторiя кафедри моспв ХНАДУ щороку виконуе обстеження понад десятка штучних споруд, в архiвi зберiгаеться шфор-мацiя про стан бшьш нiж пiвтори тисячi мос-тiв та шляхопроводiв у Харювськш та iнших областях, що дозволяе визначити найбiльш актуальнi теми для наукових дослщжень. Понад 40 % залiзобетонних прогонових будов, яю на теперiшнiй час побудовано в Укра!ш, ребристi. Об'еднання ребристих балок мiж собою виконуеться за трьома основ-ними способами: за рахунок суцшьно! моно-лггно! плити; за рахунок з'еднання попереч-них балок-дiафрагм металевими накладками або попередньо-напруженою арматурою. Збiрнi конструкци складають понад 65 % з залiзобетонних прогонових будов. Типовi проекти, у яких передбачено об'еднання по дiафрагмах: ТП 56, ТП 122-63 (62), ВТП 16, 3.503-14 (вип. 2) та ш. Тому розрахунки ребристих збiрних прогонових будов для визначення несучо! здатносп виконують дуже часто, i розробка зручно! та реально! моделi таких прогонових будов е актуальною.
Аналiз публiкацiй
Пошук адекватних розрахункових моделей для аналiзу та розрахунку будiвельних конструкцiй е актуальним питанням, що по-рушують автори багатьох наукових робiт
[1-5].
На жаль, дiафрагмовi прогоновi будови широко використовували лише на територп колишнього СРСР, саме тому дослщжень таких конструкцш за кордоном не проводять. Найбшьш близью до обрано! теми роботи
[6-8]. Одержат результата викликали ште-рес та примусили врахувати у рашше запро-понованих моделях [9-11] деяю уточнення.
Мета i постановка завдання
У збiрних дiафрагмових прогонових бу-довах поеднання мiж балками може бути ви-конано за рахунок натяжiння пучюв з висо-комiцного дроту або стрижнево! арматури перiодичного профiлю, але найчаспше поед-нання виконане сталевими накладками. Тоб-то у швах мiж залiзобетонними балками е лише сталевi накладки в площинi плити над дiафрагмами та в нижнш частинi дiафрагм з !! обох боюв. Тому реальна сумiсна робота мiж балками визначаеться жорсткiстю та на-явнiстю накладок, а також товщиною асфальтобетонного покриття на мосту, яке теж впливае на сумюну роботу [9, 11].
Крiм того, металевi накладки та закладш деталi дiафрагмових прогонових будов е конструктивними елементами, яю найбiльше тдлягають руйнуванню (корозi! та розриву), й урахування !х наявностi або вщсутносп (до 40-50 % у деяких випадках) е дуже важли-вим для розрахунку конструкцш, що експлу-атуються.
Тобто метою роботи е визначення необ-хщносп врахування безпосередньо накладок у процес об'еднання балок та визначення характеристик елеменив, яю моделюють сталевi накладки.
Завдання роботи: аналiз моделей дiафраг-мово! прогоново! будови без урахування накладок та з ними; визначення варiантiв завдання жорсткосп накладок; порiвняння отриманих результатiв з даними натурного експерименту аналопчно! прогоново! будови.
Аналiз роботи реальних прогонових будов та скшченно-елементних моделей
Базовою конструкщею обрано мiст, роз-ташований на вул. Свапвськш у м. Куп'янську. Мют перетинае правобережну частину заплавини р. Оскол. Бущвництво мосту виконано в перюд 1959-1960 рр. Пов-на довжина мосту по зовшшшм граням ша-фових стiнок берегових опор - 84,58 м. Габарит - 9,1 м, тротуари - 2^1,3 м. Схема мосту 4,6 + 3 х 22,16 + 4,6 м. Проектне наванта-ження Н-18, НК-80. Береговi прогони - пли-тш з монол^ного залiзобетону, промiжнi прогони - збiрнi, ребристi, об'еднанi по дiа-фрагмах. За геометричними характеристиками балки промiжних прогонiв вiдповiдають типовому проекту «Союздорпроект», випуск 56. Покриття виконано з асфальтобетону. На перюд проведення випробувань загальна товщина дорожнього одягу, з урахуванням ранiше проведених ремонтних робгг, стано-вить 30-32 см, що удвiчi перевищуе норма-тивнi вимоги. У поперечному перерiзi про-мiжних прольотiв установлено по вюм балок на вiдстанi 1,4 м. Для випробування було обрано четвертий прогш мосту, який побудова-но з ребристих дiафрагмових балок завдовж-ки 22,16 м, з каркасною арматурою, висота балок - 125 см (рис. 1).
Як випробувальне навантаження викорис-товувались автомобш КрАЗ 256 Б1. У сере-диш четвертого прольоту було встановлено шють автомобiлiв, якi були розмщеш задш-ми бортами один до одного (рис. 2). У проце-с випробування прогоново! будови викорис-танi три схеми завантаження: схема 1 - два автомобш бшя тротуару (№ 1 i 2); схема 2 -додатково встановлюються два автомобiлi приблизно по поздовжнш осi мосту (№ 3 i 4); схема 3 - додатково встановлюються ще два автомобiлi бiля шшого тротуару (№ 5 i 6). Масу автомобшв було визначено шляхом !х зважування, результати якого наведеш в табл. 1. Вертикальнi перемщення (прогини) головних балок у середиш прольоту вимiрю-вались прогиномiрами Максимова марки ПМ. Отримаш результати е еталонними для вибору адекватно! скшченно-елементно! мо-делi для розрахунку ребристих дiафрагмових прогонових будов.
Таблиця 1 - Маса автомобшв, яш використано тд час випробування
Номери автомобшв Маса автомобш, т Розподшення навантаження, т
на передню в1сь на задню в1сь
1 22,90 4,50 2х9,20
2 24,30 4,80 2х9,75
3 22,50 4,50 2х9,00
4 24,90 4,90 2х9,10
5 23,40 4,60 2х9,40
6 24,20 4,80 2х9,70
Рис. 1. Поперечний перерiз головних балок та дiафрагм прогоново! будови
Розглянуто п'ять скшченно-елементних моделей прогоново! будови: балковий ростверк, балковий ростверк з плитою, балковий ростверк з плитою i з урахуванням сумюно! роботи балок за допомогою металевих накладок. Зупинимось бшьш детально на кож-нш з них.
Перша модель мае вигляд балкового ростверку, у якому поздовжш стрижнi (головнi балки) мають тавровий перерiз, а поперечнi ^афрагми) - прямокутний вiдповiдно до розмiрiв, наведених на рис. 1.
Модуль деформацп для головних балок та дiафрагм уведено з урахуванням робочо! ар-матури: Егб = 4673440 т/м2, Ед = 3671960 т/м2. Поеднання мiж балками металевими наклад-ними пластинами не враховувалося, дiафраг-ми в поперечному напрямку майже суцшьш.
Луганськ
Харюв >
Рис. 2. Схема завантаження прогоново! будови
Недолiком цiе! моделi е незручнiсть завдання рухомого навантаження та вщсутшсть мож-ливостi врахування спшьно! з балками робо-ти шарiв покриття про!зно! частини.
Друга модель щентична першiй, але для полегшення завдання навантаження до сис-теми стрижшв додано пластинчастi елемен-ти, якi моделюють плиту прогоново! будови. Товщина плити 10 см, модуль деформацп Епл = 3000000 т/м2. Поеднання мiж балками металевими накладними пластинами не вра-ховувалося.
Третя модель також складаеться зi стриж-невих та пластинчастих скiнчених елеменпв, але в цiй та двох останшх моделях врахову-еться поеднання мiж балками металевими накладними пластинами, перерiз та схема розташування яких наведена на рис. 3.
Мiж пластинчастими та стрижневими елементами, з яких складаеться одна балка, передбаченi додатковi елементи (завширшки 1 см), якi моделюють шов мiж балками. У цш моделi доданi тiльки стриижневi елементи, що моделюють металевi накладки мiж балками й мають тавровий перерiз, який складаеться з ушх шiстьох накладок (без урахуван-ня вiдстанi мiж ними), та модуль деформацп стал1
Четверта модель аналопчна третiй, але металевi накладки задаш чисельними скiнче-
ними елементами, у яких враховано момент iнерцi! перерiзу з шiстьох накладок (I = 44718,32 см4), яю знаходяться на вщсташ вiдповiдно до рис. 3.
! ,180 и
Рис. 3. Схема поеднання дiафрагмових про-гонових будов металевими накладками
-16
Рис. 4. Лшп пpогинiв вщ трьох схем завантаження (лiнiя 1 - прогини скшченно-елементно1' мо-делi 1; лiнiя 2 - прогини скшченно-елементно1' моделi 2; лiнiя 3 - прогини скшченно-елементно1' моделi 3; лiнiя 4 - прогини скшченно-елементно1' моделi 4; лiнiя 5 - прогини скшченно-елементно!' моделi 5; лшя б - експеpиментальнi прогини)
П'ята модель B^pi3HHCTbCH вiд третьо! та четверто! такими уточненнями:
- модуль деформацп для стрижнiв, що моделюють головнi балки, змiнено Егб = 5163000 т/м2 (врахована вся поздовжня арматура балки);
- товщина пластинчастих елеменпв, якi моделюють плиту, прийнята з урахуванням шарiв покриття про!зно! частини та стано-вить 40 см, модуль деформацп з урахуванням арматури та шарiв покриття Епл = 990000 т/м2;
- у швi мiж балками, о^м стрижневих елементiв, додано пластини, що моделюють шари покриття мiж балками, пластинчастi елементи, мають товщину 30 см та модуль деформацп асфальтобетону 32 000 т/м2. Накладки мiж балками змодельоваш стрижнями таврового перерiзу за аналогieю 3i схемою 3.
Результати розрахунку п'ятьох моделей та натурного випробування наведено на рис. 4 у виглядi лшш прогинiв головних балок у середиш прольоту вiд трьох схем заванта-ження.
Висновки
Аналiз лiнiй прогишв дозволяе зробити висновок, що до еталонних значень найбшьш близькими е прогини п'ято! моделi. Ця модель враховуе вс конструктивнi особливосп ребристих дiафрагмових прогонових будов, зручна з точки зору моделювання рухомого навантаження та не потребуе додаткових ро-зрахунюв для чисельного завдання стрижневих елеменпв, якi моделюють металевi накладки мiж дiафрагмами. Крiм того, ця модель дозволяе врахувати шари покриття про!-зно! частини та !х вплив на сумюну роботу балок прогоново1 будови.
Лiтература
1. Ehab Ellobody Finite Element Analysis and De-
sign of Steel and Steel-Concrete Composite Bridges: 1st Edition. Butterworth-Heinemann. 19th June 2014. 682 р.
2. Adnan Jukic, Kristoffer Ekfeldt Concrete Bridge Design with FEM Sweden, Gothenburg: Chalmers University of Technology. 2012. 191 p.
3. Schlune H., Plos M. Bridge Assessment and Maintenance based on Finite Element Structural Models and Field Measurements Sweden, Gothenburg: Chalmers University of Technology. 2008. 90 p.
4. Innovative Bridge Design Handbook (Construction, Rehabilitation and Maintenance) / Editors: Alessio Pipinato. Butterworth-Heinemann. 2015. 878 p.
5. Mina Pezeshpour, Lian Duan, Paul Chang Structural modeling and analysis (Chapter 4): BRIDGE DESIGN PRACTICE (4-th Edition) / State of California Department of Transportation. 2015. P. 4-1 - 4-52
6. Кожушко В. П., Лоновенко Е. Е. О распределительной способности железобетонных пролетных строений, выполненных по типовому проекту ВТП-16. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Харьков, 2009. Вып. 44. С. 127-131.
7. Кожушко В. П., Кислов А. Г. , Лозицкий А. С. ,
Краснов С. Н. , Синьковская Е. В. Работа пролетного строения реального сооружения. Нау-ковий вюник будiвництва. ХНТУБА. Харшв,
2016. Т. 86, № 4 С. 117-121.
8. Абделаль Ясер, Эль Хасан Исследование напряженного состояния продольного стыка сопряжения старых и новых элементов. Коммунальное хозяйство городов. Харьков, 2000. Вып. 25. С. 124-132.
9. Краснов С. М., Бережна К. В., Краснова К. С. Створення адекватно! моделi для розрахуншв залiзобетонних прогонових будов з викори-станням ПК «Л1РА». Вкник Дшпропетровсь-кого нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна. Дтпропет-ровськ, 2010. Вип. 33. С. 138-143.
10. Бережная Е. В., Краснов С. Н., Краснова Е. С. Применение ПК «Лира» при расчетах ребристых пролетных строений мостов: материалы Всеукраинского научно-технического семинара молодых учених и аспирантов. Харьков, 2008. С. 137-139.
11. Кожушко В. П., Краснов С. Н. Работа пролетного строения широкого городского моста. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Харьков,
2017. Вып. 77. С. 51-57.
References
1. Ehab Ellobody Finite Element Analysis and Design of Steel and Steel-Concrete Composite Bridges: 1st Edition. Butterworth-Heinemann, 19th June 2014, 682 р.
2. Adnan Jukic, Kristoffer Ekfeldt Concrete Bridge Design with FEM Sweden, Gothenburg: Chalmers University of Technology, 2012. 191 p.
3. Schlune H., Plos M. Bridge Assessment and Maintenance based on Finite Element Structural Models and Field Measurements Sweden, Gothenburg: Chalmers University of Technology, 2008. 90 p.
4. Innovative Bridge Design Handbook (Construction, Rehabilitation and Maintenance) / Editors: Alessio Pipinato. Butterworth-Heinemann, 2015. 878 p.
5. Mina Pezeshpour, Lian Duan, Paul Chang Structural modeling and analysis (Chapter 4): BRIDGE DESIGN PRACTICE (4-th Edition) / State of California Department of Transportation, 2015. P. 4-1 - 4-52
6. Kozhushko V. P., Lonovenko E. E. O rasprede-litel'noj sposobnosti zhelezobetonnyh proletnyh stroenij, vypolnennyh po tipovomu proektu VTP-16. Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta. Har'kov, 2009. Vyp. 44. S. 127-131. [in Russian]
7. Kozhushko V. P., Kislov A. G., Lozickij A. S., Krasnov S. N., Sin'kovskaya E. V. Rabota proletnogo stroeniya real'nogo sooruzheniya. Naukovij visnik budivnictva. HNTUBA. Har'kov, 2016. T. 86, № 4 S. 117-121. [in Russian]
8. Abdelal' Yaser, Ehl' Hasan Issledovanie napryazhennogo sostoyaniya prodol'nogo styka sopryazheniya staryh i novyh ehlementov. Kommunal'noe hozyajstvo gorodov. Har'kov, 2000. Vyp. 25. S. 124-132. [in Russian]
9. Krasnov S. M., Berezhna K. V., Krasnova K. S. Stvorennya adekvatnoi' modeli dlya rozrahunkiv zalizobetonnih progonovih budov z vikoris-tannyam PK «LIRA». Visnik Dnipropetrovs'kogo nacional'nogo universitetu zaliznichnogo transportu imeni akademika V. Lazaryana. Dnipropetrovs'k, 2010. Vip. 33. S. 138-143. [in Ukrainian]
10. Berezhnaya E. V., Krasnov S. N., Krasnova E. S. Primenenie PK «LIRA» pri raschetah rebristyh proletnyh stroenij mostov: Materialy Vseuk-rainskogo nauchno-tekhnicheskogo seminara molodyh uchenih i aspirantov. Har'kov, 2008. S. 137-139. [in Russian]
11. Kozhushko V. P., Krasnov S. N. Rabota prolet-nogo stroeniya shirokogo gorodskogo mosta. Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo avtomo-bil'no-dorozhnogo universiteta. Har'kov, 2017. Vyp. 77. S. 51-57. [in Russian]
Бережна Катерина BiKTopiBHa к.т.н., доцент, доцент кафедри MOCTiB, конструкцш та будiвeль-но' MexaHiKH, тел. +38 057-707-37-22, e-mail: beregna@gmail.com,
Краснов Сергш Миколайович к.т.н., доцент кафедри моспв, конструкцш та будiвeльноi' ме-xaнiкн, тел. +38 057-707-37-22, e-mail: krasnov56@ukr.net.
Харшвський нaцiонaльннй автомобшьно-дорожнш унiвeрснтeт, м. Харк1в, 61002, вул. Я. Мудрого, 25.
Considering the joint operation of beams in finite element models of diaphragm superstructures Abstract. Problem. One of the tasks of examining bridges and overpasses is to determine the bearing capacity of structures and evaluate the real joint operation of all structural elements. Ribbed precast reinforced concrete spans are the most common in Ukraine. Consequently, the calculations of such structures are performed very often, and the development of a convenient and real model of such spans is relevant. Goal. In prefabricated diaphragm spans, the joining between the beams is most often performed with steel plates. Therefore, the real joint work between the beams is determined by the stiff-
ness and presence of the plates, as well as the thickness of the asphalt concrete pavement on the bridge, which also affects the joint work. The tasks of the paper are as follows: analysis of the models of diaphragm superstructure with and without taking into account the plates, identifying options for setting the stiffness of elements modeling the plates, comparing the obtained results with the data of full-scale testing of a similar superstructure. Results. Analysis of the deflection lines makes it possible to choose the model whose deflections are the closest to the experimental ones for further calculations. This model considers all the design features of ribbed diaphragm superstructures, which is convenient in terms of modeling moving load and does not require additional calculations for the numerical problem of core elements that simulate metal plate between the diaphragms. In addition, this model allows to take into account the layers of asphalt concrete pavement of the roadway and their influence on the joint work of the superstructure beams. Practical value. The selected model allows to take into account the state and the presence of all metal plates between the diaphragms, which will make possible to analyze the real work of the diaphragm span and to determine its bearing capacity. Keywords: ribbed precast reinforced concrete spans, diaphragm, finite element models, steel plates, reduced stiffness, deflection lines.
Berezhna Katerina Ph. D., associate professor, associate professor of Department of Bridges, Constructions and Building Mechanics, tel. +38 057-707-37-22, e-mail: beregna@gmail.com, Krasnov Sergey Ph. D., associate professor of Department of Bridges, Constructions and Building Mechanics, tel. +38 057-707-37-22, e-mail: krasnov56@ukr.net.
Kharkiv National Automobile and Highway University, 61002, Ukraine, Kharkiv, Yaroslava Mudrogo st, 25.
Учет совместной работы балок в конечно-элементных моделях диафрагменных пролетных строений
Аннотация. Одной из задач обследования мостов и путепроводов является определение несущей способности конструкций и оценка реальной совместной работы всех конструктивных элементов. Ребристые сборные железобетонные пролетные строения являются наиболее распространенными на территории Украины. Следовательно, расчеты таких конструкций выполняют очень часто, и разработка удобной и реальной модели таких пролетных строений является актуальной. В сборных диафрагменных пролетных строениях объединение между балками чаще всего выполнено стальными накладками. Поэтому реальная совместная работа между балками определяется жесткостью и наличием накладок, а также толщиной асфальтобетонного покрытия на мосту, которое также влияет на сов-
местную работу. Задачи работы: анализ моделей диафрагменного пролетного строения без учета накладок и с ними; определение вариантов задания жесткости элементов, моделирующих накладки; сравнение полученных результатов с данными натурного испытания аналогичного пролетного строения.
Анализ линий прогибов дает возможность выбрать для дальнейших расчетов модель, прогибы которой наиболее близки к экспериментальным. Эта модель учитывает все конструктивные особенности ребристых диафрагменных пролетных строений, удобная с точки зрения моделирования подвижной нагрузки и не требует дополнительных расчетов для численной задачи стержневых элементов, моделирующих металлические накладки между диафрагмами. Кроме того, эта модель позволяет учесть слои асфальтобетонного покрытия проезжей части и их влияние на совместную работу балок пролетного строения. Выбранная модель позволяет учиты-
вать состояние и наличие всех металлических накладок между диафрагмами, что позволит проанализировать реальную работу диафрагменного пролетного строения и определить его несущую способность.
Ключевые слова: ребристые пролетные строения, диафрагмы, конечно-элементная модель, закладные детали, металлические накладки, приведенная жесткость, линии прогибов.
Бережная Екатерина Викторовна к.т.н., доцент, доцент кафедры мостов, конструкций и строительной механики, тел. +38 057-707-37-22 e-mail :beregna@gmail. com,
Краснов Сергей Николаевич к.т.н., доцент кафедры мостов, конструкций и строительной механики, тел. +38 057-707-37-22, e-mail: krasnov56@ukr.net.
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Украина, г. Харьков, 61002, ул. Ярослава Мудрого, 25.
