ТЕМА 12. ОСОБЕННОСТИ НОРМ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОБЩИХ МЕТОДОВ

РАСЧЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

12.1. НАГРУЗКИ И ГАБАРИТЫ

Нагрузки, учитываемые в расчетах металлических пролетных строений, делятся на постоянные, временные от подвижного состава и пешеходов (вертикальные, горизонтальные от центробежной силы, поперечных уда-ров, торможения) и прочие временные (ветровые, температурные, сейсмические и др.). В висячих и вантовых трубопроводных мостах учитывается также гололедная нагрузка.

В основных расчетах временные вертикальные нагрузки (кроме веса толпы и НК-80) увеличивают умножением на динамические коэффициенты, приближенно учитывающие колебания пролетных строений при проходе подвижных нагрузок и удары, неизбежные вследствие несовершенства мостового полотна. Динамические коэффициенты уменьшаются с увеличением полной длины загружения пролетного строения автомобильной нагрузкой. Поэтому загружение не всех имеющих одинаковый знак участков линий влияния, а только одного участка может быть невыгодным. Нагрузки со второго, третьего и т. д. пути (или полосы) проезда (кроме дающего наибольшее усилие) уменьшают умножением на коэффициент многополосности, учитывающий малую вероятность одновременного предельно интенсивного загружения всех путей или полос.

Нагрузку от собственного веса задавать в первом приближении до начала проектирования и уточнять по результатам проектирования.

Если отнести вес оборудования и коммуникаций условно к весу проезжей части, то постоянная нагрузка на 1 м длины на одну главную ферму (или балку) выражается формулой q=q_п.ч+q_ф+q_св, где q_св –нагрузка от веса связей.

Получить нагрузку от веса проезжей части q_п.ч нетрудно, использовав задание и справочные данные или подобрав сечения элементов проезжей части, которые почти не зависят от постоянных нагрузок. Нагрузка q_св составляет 5—12 % нагрузки от веса главных ферм q_ф. Зная особенности конструкции, можно с достаточной точностью выразить q_св через q_ф. в форме q_св=ξ q_ф.гдеξ =0,05...0,12. Таким образом, задача сводится к определению q_ф.

Вес главной фермы или балки можно представить как сумму весов стержней постоянного сечения О_ст с отнесенными к ним дополнительными деталями. Учитывая веса дополнительных деталей и нюансы подбора сечений конструктивными коэффициентами ψ и выражая усилия в стержнях Fчерез параметры их линий влияния и нагрузки, получим

где р-интенсивность временной вертикальной нагрузки; а=Σωψl_ст/l²—и b=ΣΩψl_ст/l²-весовые характеристики: l —пролет; l_ст — длина стержней; ω — площадь участков линий влияния, загружаемых временными вертикальными нагрузками; Ω— алгебраические суммы площадей всех участков каждой линии влияния; R_у— расчетное сопротивление стали; γ_ст — удельный вес стали.

Особенность весовых характеристик состоит в том, что они зависят только от системы и вида конструкции и не зависят от пролета, нагрузки и класса стали.

Габарит проезда для железнодорожных мостов должён удовлетворять габариту приближения строений. С согласно ГОСТ 9238—83. Для автодорожных, городских и пешеходных пролетных строений габариты регламентированы нормами проектирования мостов. Число полос движения для автодорожных мостов зависит от категории дороги и принимается от 1 до 6, а для городских мостов — от2до8, Наиболее распространены для автодорожных мостов габариты для двух полос движения (Г-10, Г-11,5 и Г-8), а для городских мостов — для четырех полос движения (Г-16,5) и для шести полос движения (Г-24).

Ширину тротуара назначают в зависимости от интенсивности пешеходного движения 1 м или кратной 0,75 м. Габарит прохода для пешеходных мостов составляет не менее 2,25 м (и не менее 1,5 м вне населенных пунктов).

12.2. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЯ И НАПРЯЖЕНИЙ

Для определения усилий, напряжений, перемещений, параметров колебаний и т. д. необходимы расчетные модели (расчетные схемы) конструкций.

Расчетная модель должна отражать работу конструкции, однако она всегда проще действительной конструкции. Степень приближения расчетной модели к проекту может быть различной в зависимости от особенностей конструкции, цели проектирования (учебная работа, индивидуальное проектирование, типовое проектирование), ответственности расчета, стадии проектирования, применяемых средств (таблицы, графики, логарифмическая линейка, калькулятор, ВМ различных классов). Большинство расчетов, особенно оптимизационных, проверочных, пространственных выполняется в настоящее время на ЭВМ.

От выбора расчетной модели, находящегося в значительной степени в компетенции проектировщика, зависит достоверность, трудоемкость и машиноемкость расчета. Излишне сложная расчетная модель не менее вредна, чем необоснованно упрощенная.

Процесс расчета пролетного строения обычно включает следующие характерные этапы:

1) назначение геометрической схемы, получение ориентировочного собственного веса конструкции и определение приближенных соотношений жесткостей статически неопределимой конструкции;

2) определение главных усилий (в большинстве случаев с решением статически неопределимой задачи) и подбор основных сечений по определяющим предельным состояниям и сочетаниям нагрузок; при необходимости - уточнения геометрической схемы, постоянных нагрузок, в том числе предварительного напряжения и регулирования (если оно применяется), поперечных сечений; в отдельных случаях выполнение этих операций методами оптимизации конструкций;

3) поверочные расчеты по всем предусмотренным нормами предельным состояниям и сочетаниям нагрузок (не выполняются те из расчетов, которые заведомо не могут оказаться в данном случае определяющими); корректировка отдельных сечений в случаях необходимости; конструктивные расчеты деталей и соединений.

Коэффициент поперечной установки k_пу (отношение временной вертикальной нагрузки, воспринимаемой одной наиболее нагруженной главной фермой, к полной временной вертикальной нагрузке на пролетное строение) остается одним из основных параметров приближенных расчетов автодорожных и городских мостов. Смысл применения k_пу состоит в приближенном определении усилий и перемещений без использования строгих пространственных расчетов.

Для расчетов металлических пролетных строений на горизонтальные

Рис. 2.1. Совместная работа продольных связей с поясами главных ферм

а — крестовых; 6 — ромбических; в — треугольных; г — полураскосных

поперечные временные нагрузки строгие пространственные расчеты более необходимы, чем для расчетов на вертикальные временные нагрузки. Если пространственный расчет не выполняют и горизонтальные нагрузки рассчитывают по плоским расчетным моделям связевых ферм, то горизонтальные поперечные временные нагрузки распределяют между двумя системами продольных связей приближенно, причем сумма передаваемых на них горизонтальных нагрузок должна в запас превышать на 20 % требуемую нормами полную горизонтальную нагрузку.

В расчетах продольных связей крестовой, ромбической и треугольной схем (рис. 2.1) необходимо учитывать не только напряжения от горизонтальных нагрузок, но и напряжения от совместной работы с поясами главных ферм по формуле

(12.1)

а для крестовых связей в уровне проезда — также с поясами поперечных балок, когда

(12.2)

где σ_d — напряжение в диагонали от совместной работы; σ_ƒ и σ_mƒ— напряжение в поясе соответственно главной фермы и поперечной балки от тех нагрузок, при которых имеет место совместная работа; С — величины, вычисляемые по формулам рис. 2.1.

По напряжениям σ_dс использованием условий равновесия, определяют усилия в диагоналях и распорках связей от совместной работы, а также возникающие при ромбической и треугольной схемах действующие в горизонтальной плоскости изгибающие моменты в поясах ферм.

При полураскосной схеме связей (рис. 2.1,г) напряжения отсовместной работы не учитывают. Они получаются ничтожно малыми в связи с большой гибкостью распорок (или поперечных балок) в горизонтальной плоскости.

Подавляющее большинство расчетов элементов стальных мостовых конструкций выполняют с использованием гипотезы плоских сечений. Эффективная ширина плиты, включающаяся в состав сечения балки, в последнем случае может быть получена по формуле где b —действительная ширина, а ν_p — редукционный коэффициент, получаемый на основе решений теории упругости или численных методов конечного элемента [8].

12.3. ОСОБЕННОСТИ НОРМ ПРОВЕРОК КОНСТРУЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Для пролетных строений металлических мостов, их элементов, поперечных сечений и соединений необходимы в общем случае расчетные проверки по следующим предельным состояниям, классифицируемым на группы и подгруппы по степени ущерба от' нарушения эксплуатационных требований.

Предельные состояния по несущей способности (подгруппы IА): на прочность против вязкого или хрупкого разрушения; на устойчивость формы (общей или местной), определяющей несущую способность; на выносливость против усталостного разрушения; на устойчивость положения против опрокидывания.

Предельные состояния по эксплуатационной пригодности (подгруппы IБ): на прочность против чрезмерного развития пластических деформаций; на устойчивость формы (местной или общей), не определяющей несущую способность; на длительную прочность железобетонной плиты при совместных воздействиях силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды; на сдвигоустойчивость фрикционных соединений; на предотвращение резонансных колебаний.

Предельные состояния по пригодности к нормальной эксплуатации (группы II): на жесткость; на трещиностойкость железобетонной плиты против образования или раскрытия трещин.

Расчеты на прочность стальных конструкций мостов против хрупкого разрушения в настоящее время в достаточной мере не разработаны. Гарантия против хрупкого разрушения обеспечивается пока соответствием хладостойкости стали и обеспечиваемого конструктивными требованиями уровня наибольшей концентрации напряжений возможной минимальной температуре при эксплуатации моста (обычного исполнения, северного исполнения А, северного исполнения Б).

Расчеты на прочность против вязкого разрушения при напряжениях, близких к временному сопротивлению стали, применяются для стальных канатов и пучков высокопрочной проволоки (см. п. 2.2), а также для элементов из сталей высоких классов прочности, применение которых нормами проектирования мостов не регламентировано. Общей особенностью этих расчетов является введение дополнительного коэффициента надежности γ_u, учитывающего особую опасность предельного состояния в виде разрыва высокопрочного элемента.

Большое значение для стальных конструкций вообще и мостов в частности имеют расчеты на прочность против чрезмерного развития пластических деформаций (текучести). Для этих расчетов сейчас осуществляется переход на новый критерий — критерий предельных относительных пластических деформаций. Для мостовых конструкций предельные относительные пластические деформации назначаются около 0,0006 из условий сохранения свойств стали после наклепа (ударной вязкости, хладостойкости, выносливости), приспособляемости, местной устойчивости сжатых частей и ограничения общих перемещений.

Прочность поперечных сечений проверяют по формулам сопротивления упругих материалов в форме проверки напряжений, но с введением к упругим моментам сопротивления поправочных коэффициентов ϰ.

Специфика расчета сжатых и сжато-изогнутых элементов стальных конструкций мостов на общую устойчивость заключается, прежде всего в меньших коэффициентах продольного изгиба ϕ, чем для других видов стальных конструкций. Это обусловлено принятием для мостовых конструкций больших случайных эксцентриситетов и учетом влияния сварочных напряжений.

Местная устойчивость элементов мостовых конструкций обеспечивается по нормам, обоснованным теорией устойчивости пластинок в упругой стадии работы, но с введением поправок, учитывающих развитие малых пластических деформаций в предельном состоянии по прочности.

Расчеты на выносливость выполняют по нормам, существенно отличающимся от норм для других видов стальных конструкций.

Для постоянных железнодорожных мостов коэффициенты γ_ω понижения расчетного сопротивления определяются для основных элементов на базе 2млн. циклов, что примерно соответствует числу проходов тяжелых поездов за 100 лет интенсивной эксплуатации. Для элементов с длиной загружения меньше 22 м (для проезжей части) число циклов начинает определяться числом проходов не поездов, а групп осей (тележек), соответственно коэффициенты γ_ω уменьшаются. Для автодорожных и городских мостов коэффициенты γ_ωближе к 1, чем для железнодорожных. В величинах γ_ω учтен дополнительный коэффициент надежности как для предельного состояния подгруппы 1А.

Расчеты на жесткость пролетных строений металлических мостов заключаются в проверке вертикальных прогибов (а также углов перелома профиля проезда) и ограничении периодов свободных колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Прогибы от подвижной нагрузки в пролете длиной l, м, не должны превышать: для железнодорожных мостов 1/(800—1,25l), но не более (1/600) l; для автодорожных, городских и пешеходных мостов (1/400) I.

12.4. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И СОЕДИНЕНИЯ

К конструированию элементов стальных мостовых конструкций предъявляют более жесткие ограничения, чем к стальным конструкциям промышленного и гражданского строительства. Эти ограничения направлены, прежде всего, на обеспечение повышенной надежности, хладостойкости, выносливости и долговечности мостовых конструкций путем борьбы с концентрациями напряжений, прогибами, вибрациями, чрезмерными сварочными деформациями и напряжениями, коррозией и т. д.

Сечения сварных элементов следует проектировать с возможно меньшим числом частей и соединительных сварных швов. К применению сварных пакетов прибегают лишь при необходимости, связанной с общим ограничением наибольшей толщины листов следующими значениями: в конструкциях обычного исполнения — 60мм; в конструкциях северного исполнения А — 50 мм; в конструкциях северного исполнения Б — 40 мм, а также с ограничением меньшими размерами толщин проката для конкретных марок стали и снижением расчетных сопротивлений для больших толщин.

Чтобы увеличить выносливость и хладостойкость стальных мостовых конструкций, применяют механическую обработку деталей и швов у концентраторов напряжений, назначают оптимальный порядок сварки элементов с применением в необходимых случаях местного подогрева, избегают стесненного расположения привариваемых деталей.

Предельные гибкости элементов, ограничиваемые для предотвращения случайных искривлений, которые могут уменьшить действительную несущую способность элемента, с целью уменьшения вибраций при эксплуатации для элементов пролетных строений мостов принимают ниже, чем для элементов других стальных конструкций.

Чтобы уменьшить влияние прогибов, а также повысить долговечность и стойкость против коррозии постоянных мостов, нормированы некоторые минимальные размеры сортамента металла.

Для стальных конструкций мостов основным видом заводских соединений являются сварные, а основным видом монтажных соединений — фрикционные на высокопрочных болтах. В монтажных соединениях листов настила ортотропных плит почти всегда применяют сварку. Монтажную сварку используют иногда и для соединения сплошностенчатых главных балок пролетных строений, что обеспечивает существенную экономию стали, но затрудняет навесную сборку и требует привлечения высококвалифицированных специалистов и сложного оборудования, а также тщательного контроля качества швов. Цельносварными сооружают уникальные металлические мосты в городах, где легче выполнить эти требования. В последние годы получили распространение комбинированные стыки балок с соединениями стенок на высокопрочных болтах, а поясов — автоматической сваркой. Главная особенность применяемых в стальных конструкциях мостов сварных соединений состоит в преимущественном использовании создающих небольшие концентрации напряжений стыковых швов и угловых швов вогнутого очертания, выполняемых автоматической сваркой с полным проваром и плавным переходом к основному металлу. Фланговых и лобовых швов, характеризующихся большими концентрациями напряжений, избегают. Прерывистые соединительные швы не допускаются.

Высокопрочные болты применяют преимущественно с номинальными диаметрами 22 и 24 мм типов 110 и 110ХЛ из стали 40Х с контролируемым временным сопротивлением после термообработки изделия 1100МПа. Особенностью использования высокопрочных болтов для мостов является ограничение и контроль не только указанного нижнего, но и верхнего (1300 МПа) предела прочности, что предотвращает применение малопластичных болтов, подверженных замедленным хрупким разрушениям.

Особенности расчета состоят в пренебрежении увеличением действительных усилий натяжения болтов при контроле по углу поворота гайки а и в значительно меньших расчетных сдвигающих усилиях на один болтоконтакт при малом числе болтов в соединении, а также при простых способах подготовки контактных поверхностей.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: