CC BY
34
УДК 624.21.093
О. Л. ЗАКОРА (ДПТ), Г. О. ЛИННИК (Укрзалiзниця, Кшв), В. В. МАРОЧКА (Д11Т)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РОБОТИ СТ1НКИ ПОЗДОВЖНЬО1 БАЛКИ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ МЕТАЛЕВИХ МОСТ1В ПРИ Р1ЗНИХ ТИПАХ МОСТОВОГО ПОЛОТНА
У робот1 наведено результати експериментальних до^джень роботи стшки балки шд тимчасовим нава-нтаженням. Даш дослщження проводились у декшька еташв при р1зних типах мостового полотна.
В работе приведены результаты экспериментальных исследований работы стенки балки под временной нагрузкой. Данные исследования проводились в несколько этапов при разных типах мостового полотна.
The results of experimental studies of wall girders under live load are given in the paper. These studies were conducted in several stages with different types of the bridge floor.
Анал1з причин виникнення тр1щин втоми
На сьогодт з 298 металевих прогонових бу-дов, що експлуатуються на зал1зницях Украши, 100 прогонових будов е дефектними через на-явтсть трщин втоми. Трщини втоми класифь ковано в л1тератур1 [1] за мшцем розташування у елементах прогонових будов, причому харак-
терними е трщини, що утворюються у стшках поздовжтх балок.
Розрахунки на втому базуються на припу-щент, що кожен елемент мосту за перюд екс-плуатацп (80... 100 рошв) сприймае до 2 мшь-йотв цикл1в навантажень (завантажень конс-трукцп рухомим складом, ввдповвдно до рис. 1).
Рис. 1. Д1аграма завантаження прогоново! будови при розрахунках на втому:
о - напруження в1д рухомого складу та власно! ваги; о
напруження в1д власно! ваги
Перехвд ввд розрахункового опору на мщ-тсть до зменшеного опору матер1алу втом1 здшснюеться за допомогою коефщ1ента уw, у ввдповщносп до л1тератури [2], ввдповвдно пе-рев1рка достатност1 перер1зу виконуеться з умови:
авт < уwRym,
де уw для зал1зничних моспв з1 стал1 10ХСНД визначають за формулою:
1
Y w
(0.81 -р± 0.2 )-(0.81-р + 0.2 )р
< 1.
де в - ефективний коефщент концентрацп на-пружень; р - коефщ1ент асиметрп циклу нава-
нтажень, р = ■
^шш
Але дана методика мае суттевий недолш. В основу визначення коефiцiента в покладет результати випробувань зварних зразюв без урахування впливу залишкових напружень. Це призводить до того, що на дшянщ знакозмшних напружень попередня формула дае необгрунто-вано завищет розрахунковi опори втоми, на що наголошуеться у роботах [3] та [4].
© Закора О. Л., Линник Г. О., Марочка В. В., 2010
Дослщження трщиностшкосп металевих конструкцiй виконувалось у роботах [5, 6, 7]. Встановлено, що в багатоцикловш областi (при кшькост циклiв бiльше двох мшьйошв) грани-чнi розмахи напружень не залежать вщ асимет-рп циктв навантаження [4]. Аналогiчнi припу-щення покладенi в основу закордонних методик розрахунку, що передбачае визначення до-пустимих розмахiв напружень.
Обстеження пiдтверджують, що в прогоно-вих спорудах моспв е технологiчнi дефекти у зварних з'еднаннях (не провари значних розм> рiв, шлаковi включення, пори та iн.), що мо-жуть рiзко зменшувати опiр втомi зварних з'еднань.
Суттеве значення на процеси втоми мають особливостi тимчасового навантаження. Затз-ничний транспорт характерний значним дина-мiчним впливом на конструкцп. Високочастот-нi коливання вiзкiв вагонiв, що в свою чергу накладаються на основнi цикли навантажень суттево можуть зменшити опiр втомi окремих елементiв конструкцiй. Вiдомо, що коли часто-ти одночасно ддачих напружень значно в^^з-няються, то довговiчнiсть елементiв конструк-цiй суттево зменшуеться що доведено у роботах [8, 9], i щ явища не враховуються при прое-ктуваннi мостiв.
Отже, для отримання надшних мостових конструкцiй, необхiдно, щоб норми вiдповiдали
а)
характеру процесу, та реально вiдображали, що вщбуваеться у матерiалi конструкций Не менше, а мабуть навiть i бшьше значення мае удоско-налення правил проектування конструкцш, в яких були б враховаш природа процесу виник-нення трiщин, i якi б виключали можливiсть появи неприпустимих вiбрацiй i мiсцевих напружень.
Експериментальш дослiдження стiнки балки
Встановлено, що характер втомних пошко-джень залежить вiд конструктивних особливос-тей прогонових будов та типу мостового полотна, застосованого на прогоновш будовi, що описано в лiтературi [10, 11], але експеримен-тальним дослiдженням причин утворення тр> щин не придiлялось достатньо уваги.
У зв'язку з цим, одною з задач, яка виршу-валась при випробуваннях прогоново! будови на мостовому переходi через рiчку Сура на 248 км затзнично! лiнil Днiпропетровськ -Лошкарьовка, було дослщження дшсно! роботи стiнки балки шд тимчасовим навантаженням при рiзних типах мостового полотна.
Локомотив 2ТЭ116 у вщповщносп до про-грами випробувань навантажував прогонову будову, при цьому вщбувалась реестрацiя всiх показань вимiрювальних приладiв на спещаль-них вимiрювальних комплексах (рис. 2).
б)
Рис. 2. Перший етап випробувань:
а - за!зд навантаження на мгст; б - реестрацш показань при цьому
Вимiрювальнi прилади - прогиномiри та те-нзометри були встановлеш у вiдповiдностi до схем встановлення. По кожнш iз схем заванта-ження рееструвались прогини та напруження у характерних точках. Пюля завершення випро-
бувань прогоново! будови з мостовим полотном на дерев' яних поперечинах, дане мостове полотно було демонтовано, на його мюце встановлено мостове полотно на плитах БМП (рис. 3).
Рис. 3. Демонтаж старого полотна та встановлення мостового полотна на плитах БМП
При демонтажi поперечин виявилось, що в деяких мюцях мае мюце зменшення товщини верхньо1 полищ на 50...60 %. Цей дефект хара-ктерний для поздовжнiх балок металевих прогонових будов, i е одною з основних причин
зниження вантажошдйомносп цих конструк-цш
Пiсля встановлення цього типу мостового полотна випробування були повторен у вщпо-вiдностi до програми випробувань (рис. 4).
Рис. 4. Монтаж коли на плитах та встановлення локомотиву у характернш точщ
Характерним для цього типу мостового полотна е встановлення плит на дерев 'яш тдкла-дки, яю укладаються на верхню полицю балок та щшьно прирубаються до не!. Плити притя-гуються до балок за допомогою шпильок, вста-новлених у передбачеш для цього отвори. Даш випробування дадуть змогу дослщити дшсну роботу плит на такому прокладному шарг
Результати експериментальних дослщжень
Щц час натурних випробувань поздовжньо! балки на И вертикальнш стшщ, на вщстат 25 см вщ верхнього пояса, на зовшшнш { внут-ршнш поверхт були наклеен тензорезистори, вщповщно Т5 та Т6, для визначення мюцевих напружень вщ ди постшних { тимчасових нава-нтажень. Простежимо за змшою цих напружень.
Пюля укладення мостового полотна на мос-тових брусах стискальш напруження на зовнi-
кг
шнш поверхнi стiнки складають 4,86 —-, а
см
кг
внутрiшнiй поверхнi - 5,17
см
Замiна мостового полотна на дерев'яних брусах на мостове полотно на залiзобетонних плитах (БМП) викликае не тшьки кшьюсну, а й яюсну змiну напружень в стшщ балки. Зовшш-ня поверхня стшки розтягнута
( с5 = 120,6 кг, ), а внутрiшня поверхня стiнки
см
кг
стиснута ( с6 =-83,3—-).
см
Пiд час статичних випробувань поздовжньо1 балки з мостовим полотном на дерев' яних бру-сах, зовнiшня поверхня ïï стiнки переважно
розтягнyтa (мaксимaльнi розтягyвaльнi нaпрy-
кг
ження с5 = 49 —- ), i тшьки при двоx поло-
2 см
женняx стaтичного нaвaнтaження зовнiшня по-верxия стiнки стиснyтa (мaксимaльнi стискaль-
нi нaпрyження с5 = -1S кг2 ). Внyтрiшня пове-
см2
сб = —3S,5—-). Тшьки в одному випaдкy (де-см2
сятa сxемa зaвaнтaження) внyтрiшня поверxня
кг
стшки розтягнyтa ( сб = б —- ).
см
Pезyльтaти динaмiчниx випробyвaнь, якi ви-конyвaлись пропуском по прогоновш бyдовi з рxня стiнки бaлки головним чином стиснyтa рiзними швидкостями тепловозу 2ТЭ11б, що (мaксимaльнi стискaльнi нaпрyження використовyвaвся тaкож i як стaтичне нaвaнтa-
ження, зведеш в тaбл. 1. Результата динaмiчних випробувань
Taблиця 1
Положения теизорезисторa Швидкоста випробyвaльного иaвaитaжеиия, км/год
5,0 20,0 40,0
^max ' кг 2 см ^min ' кг 2 см ^max ' кг 2 см CTmin = кг 2 см ^max ' кг 2 см CTmin = кг 2 см
Зовшшня поверxня поздовживо! бaлки (Т5) 4S,53 -20,1б 49,35 -20,0 50,54 -21,б7
Внутршия поверxня поздовж-ньо1 бaлки (Тб) -47,93 -11,72 -39,95 13,57 -3б,бб 14,7б
Коефщент aсиметрiï циклу, p -0,9SS -0,S1 -0,725
Огатичш випробyвaння поздовжиьо1' бaлки з мостовим полотном m зaлiзобетонниx плитax (БМП) покaзaли, що зовнiшня поверxня стшки бaлки стиснyтa, a мaксимaльнi стискaльнi нa-
кг
пруження склaдaють с5 = —93 —— . Внyтрiшня
см
поверxня стiнки бaлки перевaжно розтягнyтa. Мaксимaльнi розтягyвaльнi нaпрyження сгано-
кг
влять сб = б7,1 ——. Стискaльнi нaпрyження
см2
з'являються тiльки при першiй сxемi зaвaнтa-кг
ження сб = —27,S —2 .
см2
Pезyльтaти динaмiчниx випробyвaнь тaкож свiдчaть, що зовнiшня поверxня стiнки бaлки
перевaжио стиснyтa (с5 = —110,5 кг2 ). В той
см2
же чaс, з'являються i невелик розтягyвaльнi кг
При стaтичниx i динaмiчниx випробyвaнняx поздовжиьо1' бaлки з мостовим полотном нa зaлiзобетонниx плитax, включениx у сyмiснy роботу з нею, прaцювaв тiльки один тензорези-стор, розтaшовaний нa зовшшнш поверxиi ctí-нки бaлки (Т5). Покaзaння тензорезисторa до-зволяють судити про роботу стшки бaлки. Ога-тичнi випробyвaння свiдчaть про те, що зовш-шня поверxня стшки бaлки мaйже при всix сxемax зaвaнтaження стиснyтa, a стискaльнi шпруження у порiвняннi з мостовим полотном m плитax БМП знaчно нижчi (мaксимaльнi
стискaльнi нaпрyження с5 = —29 кг2 ). Tiльки
см2
при першш сxемi зaвaнтaження виникaють не-
кг
зшчш розтягyвaльнi нaпрyження (с5 = 2—-).
см2
3a резyльтaтaми динaмiчниx випробyвaнь мaк-симaльнi стискaльнi нaпрyження зовнiшньоï
кг
нaпрyження ( С5 =1S —2). Внутршня поверxня поверxнi стiнки склaдaють ( с5 = —25,S ), a
см
стiнки, головним чином, розтягнyтa ( сб = б0,2 кг? ). Стискaльнi нaпрyження скта-
см
розтягyвaльнi - с5 = 7,2
кг
см
см
кг
дaють ( сб = —32,S—2).
см
Анaлiз нaведениx вище резyльтaтiв свiдчить про роботу стiнки поздовжньо1' бaлки нa позa-центровий стиск. При цьому, якщо мостове по-
лотно на дерев'яних брусах, зовшшня поверхня стшки поздовжньо! балки вщ дп тимчасового навантаження переважно розтягнута, а якщо мостове полотно на плитах БМП або на затзо-бетонних плитах, включених в сумюну роботу з поздовжшми балками - навпаки стиснута. Вну-тршня поверхня стшки поздовжньо! балки при р1зних конструкщях мостового полотна шд д1-ею тимчасового навантаження працюе вщпов1-дно на стиск або на розтяг.
У зв'язку з цим виникае питання: як впливае замша мостового полотна на витривалють стшки поздовжньо! балки?
Враховуючи, що при визначенш коефщ1ента у № при розрахунках на витривалють елеменпв сталевих конструкцш та !хшх з'еднань (12) сут-тевий вплив мае коефщент асиметрп циклу перемшних напружень (р), визначимо його при дп тимчасового навантаження на поздовж-ню балку з р1зними типами мостового полотна. Якщо на поздовжню балку укладене мостове полотно на дерев'яних брусах, то при дп тимчасового навантаження коефщент асиметрп циклу (р) для перер1зу стшки поздовжньо! балки змшюеться вщ -0,725 до -0,988. Той же перер1з стшки поздовжньо! балки з мостовим полотном на стшках БМП при дп тимчасового навантаження характеризуеться коефщентом асиметрп циклу р = -0,545 . У першому випад-
ку коефщент у№ змшюеться в межах вщ 0,6 до 0,66, а в другому - вщ 0,73 до 0,85, що свщчить про бшьш сприятлив1 умови роботи перер1зу стшки поздовжньо! балки з мостовим полотном на затзобетонних плитах на витривалють.
Виконаш натурш експериментальт досл1-дження напруженого стану стшки поздовжньо! балки з р1зними типами мостового полотна при дп постшного та тимчасового навантаження дозволяють зробити наступт висновки:
• Верхш перер1зи стшки працюють на по-зацентровий стиск, сприймаючи циктчш навантаження вщ рухомого складу.
• Включення затзобетонно! плити у сумюну роботу з бетонною балкою значно змен-шуе ампл1туду змши напружень у перер1з1 !! стшки.
• Мостове полотно на плитах БМП та на плитах, включених у сумюну роботу з поздовжшми балками значно покращуе роботу !х сп-нок на витривалють.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Рекомендацп з огляду, тдсилення, ремонту та збiльшення експлуатацiйного ресурсу сущльно-стiнчатих зварних прогонових будов. ЦП-0176 [Текст] : Затв.: Наказ ЦП УЗ 03.04.07. № 202Ц / ЦП УЗ. - К., 2007. -76 с.
2. ДБН В.2.3-14:2006. Мости та труби. правила проектування [Текст] / Мiн-во будiвн., архiт-ри та житл.-комун. госп-ва. - К., 2006. - 367 с.
3. Лучко, Й. Й. Мехашка руйнування мостових конструкцш та методи прогнозування !х залиш-ково!' довговiчностi [Текст] / Й. Й. Лучко, Г. Т. Сулим, В. I. Кир'ян; тд ред. Й. Й Лучка. -Л^в: Каменяр, 2004. - 885 с.
4. Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений [Текст] / В. И. Труфяков. - К.: Наук. думка, 1973. - 216 с.
5. Кирьян, В. И. Методика предупреждения разрушений элементов сварных металлоконструкций при однократном дмнамическом нагруже-нии [Текст] : [на англ. яз.] / В. И. Кирьян, С. В. Шимановский. // Проблемы прочности. -2002. - № 3. - 202 с.
6. Кудрявцев, И. В. Усталость сварных конструкций [Текст] / И. В. Кудрявцев. - М.: Машиностроение, 1976. - 271 с.
7. Кирьян, В. И. Методика оценки сопротивления материалов и сварных соединений зарождению трещин при динамическом загружении [Текст] / В. И. Кирьян, С. В. Шимановский // Автоматическая сварка. - 1988. - № 5. - С. 16-20.
8. Труфяков, В. И. Определение долговечности при двухчаститном загружении [Текст] : обзор, сообщ. 1 / В. И. Труфяков, В. С. Ковальчук // Проблемы прочности. - 1982. - № 9. - С. 9-15.
9. Определение долговечности при двухчастотном загружении [Текст] : предлагаемая методика, сообщ. 2 // Проблемы прочности. - 1982. -№ 10. - С. 15-20.
10. Фишер, Дж. Трещинообразование в стальных мостах [Текст] / Дж. Фишер, Д. Мерти // Гражданское строительство. - 1985. - № 2. - С. 9-13.
11. Усталостные трещины в сплошностенчатых пролетных строениях [Текст] / Ю. П. Миролю-бов и др. // Вопросы проектирования и эксплуатации искусственных сооружений: сб. тр. -1983. - С. 62-69.
Надшшла до редколегп 26.03.2010. Прийнята до друку 02.04.2010.
