CC BY
503
Проблематика транспортных систем
81
УДК 624.21/.8 Г. Н. Ростовых
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ГИБКИХ УПОРОВ В КОНСТРУКЦИЯХ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОСТОВ
Как известно, в наших нормативных документах (прил. 22 СНиП 2.05.03-84*) расчёт по прочности объединения железобетона и стали вертикальными анкерами из круглой стали, в частности гибкими цилиндрическими упорами, приведён по данным американских норм AASHO, преобразованным применительно к методике предельных состояний, метрической системе мер и условиям испытания бетона в нашей стране. Рассмотрены: сопротивление усталости элементов данного вида объединения; поведение гибких упоров под действием статических нагрузок; методика испытаний; математическое моделирование; расчётный метод оценки влияния диаметра гибкого упора на выносливость сварного соединения.
гибкий упор, сталежелезобетонные пролётные строения, предел выносливости, сварное соединение, метод конечных элементов.
Введение
В настоящее время при строительстве транспортных развязок широко применяются сталежелезобетонные конструкции, в которых объединение железобетонной плиты с металлическими балками осуществляется при помощи сварных гибких упоров в виде круглых стержней с головкой. Преимуществом такого вида объединения является равномерное размещение упоров по всей площади поясов металлических балок, что значительно улучшает работу железобетонной плиты и устраняет концентрацию напряжений в плите, наблюдаемую вблизи жёстких упоров, а также упрощает устройство арматурных каркасов.
Более чем 60 лет тому назад сварка упоров начала внедряться в индустриальное производство. Сегодня ежедневно проходят сварку миллионы упоров, в Европе - 1 миллиард упоров в год [1]. Этот процесс осуществляется частично вручную, с помощью сварочных пистолетов, частично с помощью механизированного оборудования, с возрастающим применением полностью автоматизированных сварочных установок, а также роботов. Перечислим следующие преимущества этой технологии: многообразие возможностей применения; быстрый процесс сварки;
высокое качество и хорошая воспроизводимость сварки; многообразие предложений недорогих установок с разной степенью автоматизации.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
82
Проблематика транспортных систем
В отечественных нормах вопросы проектирования данного типа объединения рассмотрены недостаточно подробно. Поэтому внедрение новой технологии потребовало проведения комплексных исследований свойств сварных соединений упоров.
1 Средства и способы объединения железобетона и стали
Термином «объединение» мы называем такое соединение железобетонных и стальных частей элемента для совместной работы, при котором за счет передачи через шов сдвигающих, отрывающих (и, естественно, прижимающих) усилий в объединенном элементе обеспечивается напряженно-деформированное состояние, близкое к соответствующему состоянию цельного элемента [2].
1.1 Объединение жёсткими упорами
Наиболее простым по идее средством объединения железобетона и стали является применение жестких упоров, т. е. выступающих деталей, укрепленных на стальном элементе и работающих как шпонка. Сжимающие усилия передаются бетону непосредственно через соответствующие упорные поверхности, при этом в бетоне происходят деформации местного смятия. Жесткий упор должен воздействовать на бетон аналогично штампу и вызывать равномерные деформации смятия бетона.
1.2 Объединение гибкими упорами и анкерами
Если постепенно уменьшать жесткость упора, он превратится из жесткого в гибкий, деформации смятия по высоте станут неравномерными, а с дальнейшим уменьшением жесткости появятся и деформации обратных знаков. Гибкие упоры работают преимущественно на изгиб наподобие нагеля. Наибольшее смятие бетона возникает у основания гибкого упора.
Если гибкий упор заанкерить в бетоне, он будет воспринимать не только сдвигающие, но и отрывающие усилия. Такой гибкий упор, направленный перпендикулярно к плоскости сдвига, называется вертикальным анкером. Работа гибкого вертикального анкера на растяжение связана главным образом с передачей через шов отрывающих сил и косых растягивающих напряжений, возникающих при изгибе со сдвигом. В случае действия в шве только сдвигающих сил в вертикальном анкере растягивающих усилий не возникает. В этом случае растягивающее усилие в вертикальном анкере может появиться только в результате весьма больших перемещений сдвига одновременно с возникновением по контакту железобетона и стали соответствующих прижимающих напряжений.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
83
1.3 Объединение с применением высокопрочных болтов,
обжимающих бетон
Высокопрочные болты, или шпильки, применяют при фрикционном объединении стали и железобетона и при болтоклеевом объединении, если для этой же цели используется, кроме того, сцепление, обеспечиваемое клеевым составом. Положительной особенностью передачи сдвигающих сил между железобетоном и сталью с использованием высокопрочных болтов, т. е. трением или сцеплением, являются меньшие местные возмущения и концентрации сдвигающих усилий и напряжений, чем при использовании упоров или анкеров.
Испытания показали, что при повторных эксплуатационных динамических воздействиях сцепление сравнительно быстро нарушается и при дальнейшей нормальной эксплуатации все сдвигающие усилия передаются практически только через объединительные детали. При однократно возрастающем статическом воздействии сцепление нарушается значительно ранее наступления предельного состояния объединительных деталей, в особенности при сборном железобетоне и наличии подливки. По этим причинам при отсутствии специальных мероприятий, увеличивающих сцепление и трение, все сдвигающие и тем более - отрывающие усилия, действующие в шве, должны передаваться в расчетах на объединительные детали [2].
В этой связи на первое место выходит работа объединения при действии динамических нагрузок. В наших нормах [3], [4] расчёты упоров на выносливость пока не регламентируются. Предполагается, что эти расчёты покрываются запасами, заложенными в расчёты на прочность. В частности, принятием появления незначительной остаточной деформации сдвига, равной 0,08 мм, за предельное состояние по прочности.
2 Исследование работы объединения железобетона и стали гибкими упорами на статическую нагрузку
Исследование работы объединения железобетона и стали гибкими упорами на статическую и вибрационную нагрузки производились на образцах, представленных на рисунке 1. Каждый опытный образец состоял из двух железобетонных блоков и стального элемента с четырьмя гибкими упорами. Образцы бетонировались в специально изготовленной опалубке и выдерживались в пропарочной камере для достижения требуемой прочности бетона на сжатие. Перед бетонированием для предотвращения сцепления бетона со стальными закладными листами их поверхности смазывались машинным маслом.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
84
Проблематика транспортных систем
Рис. 1. Испытание образцов на статическую нагрузку на пресс-пульсаторе ЦДМ-200
Проведённые ранее исследования показали [5], что усилия, отрывающие гибкие упоры от пояса балки, возникают по концам железобетонной плиты от усадки бетона и изменения температуры (когда плита работает на растяжение). На большей длине объединительного шва гибкие упоры работают преимущественно на срез. Поэтому для исключения работы гибких упоров на отрыв указанные сталежелезобетонные образцы были обжаты с помощью тяжей.
Согласно СНиП [3], сдвигающее усилие Sh, приходящееся на один гибкий упор, должно отвечать следующим условиям прочности (для гибких упоров в виде круглых стержней при l/d > 4,2):
Sh £ d2Tl0R [кН];
Sh £ 100d [кгс].
Кроме того, должно быть выполнено условие:
Sh £ 0,063d2mRy [кН];
Sh £ 0,63d2mRy [кгс],
(1)
(2)
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
85
где l - длина круглого стержня гибкого упора, см; d - диаметр стержня гибкого упора, см;
Rb - расчётное сопротивление бетона по прочности на сжатие, МПа (кгс/см );
Ry - расчётное сопротивление стали растяжению, сжатию по пределу текучести, МПа (кгс/см2);
m = 1 - коэффициент условий работы.
В таблицу 1 сведены результаты испытания упоров различных диаметров, приведённые к расчётной нагрузке на один упор.
ТАБЛИЦА 1. Результаты испытания упоров различных диаметров
Диаметр упора, мм Предел текучести, МПа Нагрузка при разрушении объединения, кН Количество упоров в объединении Нагрузка на 1 упор, кН Расчётная нагрузка на 1 упор (по бетону Rb), кН Расчётная нагрузка на 1 упор (по металлу Ry), кН Превышение (испытания над расчётной), %
22 326 931,9 4 232,98 76,53 71,57 69,3
22 326 882,9 4 220,73 76,53 71,57 67,6
20 350 500 4 125,00 56,57 63,5 49,2
Из таблицы явно следует: значения, полученные в ходе эксперимента, превышают практически на 50% расчётные нагрузки, что подтверждают и другие исследования, в частности [6].
Полная заделка упора в бетон, особенность работы и возможностей испытательного оборудования не позволяла оценить процессы, происходящие в упоре и окружающем его бетонном слое. Во время испытаний возможно было оценить только смещение стальной плиты под нагрузкой и характер разрушения после испытаний.
С использованием специализированного программного обеспечения была выполнена модель объединения гибкого упора в бетоне методом конечных элементов (МКЭ). Данный расчёт позволил увидеть интересную картину: напряжения в основании упоров распределены неравномерно (рис. 2).
В связи с этим была разработана методика испытаний одного упора в стальной обойме. Данный способ отличается от известных по литературным источникам методов вибрационных испытаний тем, что позволяет исследовать зависимость характеристик усталости сварных швов от диаметра и марки материала упоров. Это дает возможность на основе эксперимен-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
86
Проблематика транспортных систем
тальных исследований разработать методику расчета сварных соединений упоров на выносливость.
1- й упор
2- й упор
3- й упор
Рис. 2. Напряжённо-деформированное состояние в основании упоров
3 Исследование работы объединения железобетона и стали гибкими упорами на вибрационную нагрузку
Было испытано 5 серий образцов на базе 5 млн. циклов нагружения. На первом этапе испытывались упоры диаметром 22 мм Германской фирмы КОСО, американские Nelson из стали St37-3k, а также упоры ЗАО «Курганстальмост» из стали 09Г2С-12 отечественного производства. Анализ проведённых испытаний показал, что предел ограниченной выносливости у всех трёх типов упоров находится примерно на одном уровне 120 МПа.
При проведении исследований и разработке нормативно-технической документации по применению технологии сварки упоров из арматурной стали были испытаны на выностивость упоры из термоупрочнённой арматуры Ат-400С диаметром 14 мм. Испытания проводились по описанной ранее методике. Предел ограниченной выносливости составил 228 МПа. Значительно - на 46,5% - возросшая выносливость позволила предположить, что при уменьшении диаметра упора возрастет его долговечность при динамических нагрузках.
Для подтверждения этой гипотезы и сопоставления с результатами предыдущих испытаний было изготовлено 2 серии образцов с упорами фирмы КОСО диаметром 19 и 16 мм, как наиболее распространённых в настоящее время и имеющих аналогичные физико-химические характеристики. Результаты испытаний отражены в таблице 2 и на рисунке 3.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
87
ТАБЛИЦА 2. Сравнение предела выносливости упоров различных диаметров
на базе 5 000 000 циклов
Упоры фирмы КОСО диаметром 22 мм 19 мм 16 мм
Предел выносливости на базе 5 000 000 циклов, МПа 118,022 200,872 257,079
Количество циклов
- - - - КОСО, 22 mm----------Nelson, 22 mm — - — 09Г2С-12, 22 mm — - - .KOCO, 19 mm-----------------KOCO, 16 mm
Рис. 3. Результаты испытаний образцов с гибкими упорами различных марок
и диаметров на выносливость
4 Расчётный метод оценки влияния диаметра упора на выносливость
Приведённый выше график наглядно показывает: уменьшая диаметр упора, мы можем значительно увеличить его долговечность при динамических нагрузках. Сейчас при строительстве автодорожных мостов на территории Российской Федерации применяются упоры диаметром 22 мм. В железнодорожных сталежелезобетонных пролётных строениях применяются жёсткие упоры и петлеобразные анкеры.
Полученные в ходе экспериментов результаты могут увеличить надёжность пролётных строений автодорожных и железнодорожных мостов. Использование гибких упоров меньших диаметров актуально также в промышленном и гражданском строительстве, особенно в зонах с повышенной сейсмической активностью.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
88
Проблематика транспортных систем
На основании полученных данных с использованием аппроксимации по методу наименьших квадратов была получена следующая зависимость:
C = -1,4802D2 +33,07D + 106,88, (3)
где D - диаметр упора, мм;
X - искомый предел выносливости, МПа.
Подставляя в формулу (3) значения D - диаметра упора в мм, мы можем получить ориентировочный предел выносливости в МПа. Данная формула справедлива для упоров диаметром от 16 до 22 мм.
Заключение
Проведённые исследования позволили всесторонне изучить работу объединения железобетона и стали гибкими упорами при действии статических и вибрационных нагрузок. До настоящего времени в этой работе были получены следующие выводы:
1) несущая способность гибких упоров под действием статических нагрузок превышает расчётные значения по СНиП практически на 50%;
2) уменьшая диаметр упора до 16, 18 мм, мы можем значительно увеличить его долговечность при динамических нагрузках;
3) экспериментально обоснованные исследования позволяют внести в наши нормы расчёт на выносливость для гибких упоров;
4) использование МКЭ при моделировании гибких упоров в бетоне позволило лучше понять особенности работы упоров, а также помогло выявить факт повышения долговечности объединения для упоров меньших диаметров при динамических нагрузках.
Библиографический список
1. Trillmich, Rainer. Bolzenschweiben: Grundlagen und Anwendung / Trillmich; Welz. - Dusseldorf: Dt. Verl. fur Schweisstechnik, DVS-Verl., 1997. - 155 S. - ISBN 387155-172-4.
2. Сталежелезобетонные пролётные строения мостов / Н. Н. Стрелецкий. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1981. - 360 с.
3. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2000. -
214 с.
4. Технология устройства упоров в виде круглых стержней с головкой из импортных материалов в конструкциях мостов: СТП 015-2001. - М.: Корпорация «Трансстрой», 2001. - 38 с.
5. Исследование прочностных характеристик стержневых упоров Нельсона для сталежелезобетонных пролётных строений. Ч. 2 - СПб.: НИИ мостов ПГУПС, 1998. -55 с.
6. Thorsten Faust. Headed studs in composite structures with LWAC, LACER No. 4, 1999. - P. 209-219.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
