CC BY
9УДК 624.21.093:681.518.54
Л.Ю. СОЛОВЬЕВ, Е.В. РОГОВА
ВЛИЯНИЕ БАЛЛАСТА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ВЫСОТЕ СЕЧЕНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ
В статье рассмотрен вопрос влияния балласта на распределение напряжений по высоте сечения сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. Представлены результаты натурных испытаний и расчетов, выполненных по конечно-элементным схемам.
В течение ряда лет в НИЛ «Мосты» СГУПСа проводились исследования по разработке методики диагностики технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. В основу этой методики была положена оценка отклика конструкции на внешнее воздействие, в частности оценка величины напряжений, полученных при измерении деформаций поясов стальных балок под проходящими нагрузками. Измерения проводились под локомотивами поездов, поскольку в отличие от вагонной нагрузки вес их известен. Кроме того, длины большинства, пролетов таковы, что на них возможно расположение только локомотива поезда, а это позволяет достаточно точно оценивать величину действующей нагрузки.
Будем в дальнейшем условно называть напряжения, вычисленные по измеренным деформациям, измеренными напряжениями.
Нагрузки, под которыми производятся измерения, далеки от предельных, и случай предельного состояния не реализуется. Поэтому при сопоставлении расчетных и измеренных напряжений следует учитывать влияние жесткости балласта и элементов верхнего строения пути, которая в предельном состоянии естественно не может присутствовать. Это тем более необходимо, потому что именно величина разницы расчетных и полученных напряжений является основным показателем исправности работы конструкции и далее используется для оценки грузоподъемности пролетного строения.
В связи с этим возникла необходимость оценить степень влияния ВСП на измеряемые напряжения и предложить способ учета такого влияния. Для этого были выполнены расчеты как с применением инженерных методов, так и методом конечных элементов.
Пролетные строения были смоделированы при помощи вычислительного комплекса COSMOS/M. Геометрические параметры созданных моделей пролетных строений были приняты согласно данным типового проекта инв. № 739/2, 739/3, 739/4, 739/6 и 739/7 для пролетов 23,0; 27,0; 33,6; 45,0 и 55,0 м соответственно.
Главные балки моделировали 4-узловыми пластинчатыми конечными элементами (КЭ) типа «SHELL4», продольные и поперечные связи — 2-узловыми КЭ типа «BEAM3D». В качестве примера на рис. 1 представлена конструкция главных балок пролетного строения Lp = 23,0 м.
В качестве материала главных балок принята сталь марки 15ХСНД со следующими характеристиками:
— модуль упругости Ex = 2,06е + 8 кПа;
— коэффициент Пуассона v, равный 0,3;
— плотность «DENS», равная 7850 кг/м3.
Рис. 1. Модель главных балок (разрез по оси) пролетного строения Lp = 23,0 м
На верхние пояса главных балок были установлены железобетонные плиты балластного корыта, включенные в совместную работу с ними при помощи упоров. Плиты моделировали 8-узловыми объемными КЭ типа «SOLID» по опалубочным размерам.
Материал плит балластного корыта:
1) бетон марки М300 для пролетов 18,2 м, 23,0 м, 27,0 м, 45,0 м:
— модуль упругости Ex = 2,85е + 7 кПа (бетона класса В30);
— коэффициент Пуассона v, равный 0,2;
— плотность «DENS», равная 2500 кг/м3;
2) бетон марки М400 для пролетов 33,6 м и 55,0 м:
— модуль упругости Ex = 3,25е + 7 кПа (бетон класса В40);
— коэффициент Пуассона v, равный 0,2;
— плотность «DENS», равная 2500 кг/м3.
Рельсовый путь и мостовое полотно моделировали двумя способами:
1) как массу, приложенную на уровне верха плиты балластного корыта: у КЭ, моделирующих верхний слой плиты, увеличивался параметр плотность «DENS» на величину, определенную массой балласта, находящейся над ними (рис. 2, а);
2) 8-узловыми объемными КЭ типа «SOLID» по опалубочным размерам балластной призмы, представленной в типовых проектах (рис. 2, б).
Для балласта задавались следующие свойства материалов:
— модуль упругости Ex = 9е + 4 кПа;
— коэффициент Пуассона v, равный 0,2;
— плотность «DENS», равная 1700 кг/м3.
Материал шпал — дерево:
— модуль упругости Ex = 1,08е + 7 кПа;
— коэффициент Пуассона v, равный 0,3;
— плотность «DENS», равная 900 кг/м3.
а) б)
Рис. 2. Фрагмент модели плиты балластного корыта, мостового полотна и рельсового пути
пролетного строения Ьр = 23,0 м: а — без мостового полотна и рельсового пути; б — с мостовым полотном и рельсовым
путем
Закрепление модели пролетного строения было выполнено путем постановки связей, запрещающих вертикальные, горизонтальные и продольные перемещения в зависимости от типа опорной части. Связи располагались по узлам нижнего пояса главных балок в местах расположения осей опорных частей.
Для контроля правильности составления конечно-элементных моделей были выполнены расчеты прогибов главных балок под действием собственного веса и их сравнение с данными типовых проектов. Далее был проведен ряд расчетов на соответствие напряжений в верхнем и нижнем поясах главных балок пролетных строений, зафиксированных при испытаниях и полученных в результате расчетов конечно-элементных моделей, от испытательной нагрузки.
Результаты по трем типам пролетных строений приведены в таблице.
Измеренные и расчетные напряжения в поясах балок от статической
испытательной нагрузки
Нагрузка, тип / велична, тс/м Напряжения в балках, кгс/см Конструктивный
Фактич. изме- ренные расчетные о к
ц, № прочность Инже- МКЭ Инже- МКЭ
м п/п бетона Я, нерный без МП с МП нерный без МП с МП
кгс/см2 ВП ВП ВП ВП ВП ВП ВП
НП НП НП НП НП НП НП
1 240 -60 0,39 0,54 0,95
3ТЭ10М 410 -153 -112 -63 0,79 0,92 0,99
2 7,32 260 -61 516 446 416 0,40 0,54 0,97
401 0,78 0,90 0,96
23,0 3 ТЭМ2 250 -58 -138 -101 -60 0,42 0,57 0,97
6,59 357 464 402 381 0,77 0,89 0,94
4 3ТЭ10М -785 -1225 -1220 -576 0,64 0,64 1,36
7,30 590 694 715 513 0,85 0,83 1,15
5 3ТЭ10М -745 -1225 -1220 -501 0,61 0,61 1,49
7,30 658 694 715 446 0,95 0,92 1,48
Окончание табл.
м № п/п Нагрузка, тип / велична, тс/м Фактич. прочность бетонаR, кгс/см2 Напряжения в балках, кгс/см Конструктивный коэф.
изме- ренные расчетные
Инже- нерный МКЭ Инже- нерный МКЭ
без МП с МП без МП с МП
ВП НП ВП НП ВП НП ВП НП ВП НП ВП НП ВП НП
о, |> С~| 6 ТЭМ2 6,17 192 -71 296 -159 432 -116 338 -95 360 0,45 0,69 0,61 0,88 0,75 0,82
7 2ТЭ10М 8,21 166 -86 379 -211 575 -155 503 -108 446 0,41 0,66 0,55 0,75 0,80 0,85
8 ТЭМ2 6,17 * -554 355 -1091 597 -939 565 -493 468 0,51 0,59 0,59 0,63 1,12 0,76
9 2ТЭ10М 8.00 * -1021 643 -1255 732 -1218 686 -567 539 0,81 0,88 0,84 0,94 1,80 1,19
10 2ТЭ10М 8,00 * -909 515 -1255 732 -1218 686 -567 539 0,72 0,70 0,75 0,75 1,60 0,96
ю го СП 11 ТЭМ2 5,36 381 -74 334 -191 390 -134 349 -78 335 0,39 0,86 0,55 0,96 0,95 0,997
12 ТЭМ2 5,36 147 -67 254 -191 390 -126 345 -70 330 0,35 0,65 0,53 0,74 0,96 0,77
13 3ТЭ10М 7,32 293 -198 564 -261 532 -225 493 -162 460 0,76 1,06 0,88 1,14 1,22 1,23
14 3ТЭ10М 7,32 320 -181 523 -261 532 -220 487 -157 454 0,69 0,98 0,82 1,07 1.15 1.15
15 3ТЭ10М 7,32 230 -223 571 -261 532 -236 501 -168 467 0,85 1,07 0,94 1,14 1,33 1,22
Примечание. МП — мостовое полотно и рельсовый путь; ВП — верхний пояс главной балки; НП — нижний пояс главной балки. Знак «*» в таблице означает, что измерить прочность бетона не удалось из-за низкого качества поверхности или разрушения бетона шва. Жирным шрифтом выделены напряжения, превышающие расчетные значения.
Анализируя данные, приведенные в таблице, можно видеть, что учет в расчетах балласта и рельсового пути для исправных конструкций дает результаты, практически точно совпадающие с измеренными величинами (конструктивный коэффициент 0,95-0,96). Причем расчетные значения напряжений, полученные с учетом мостового полотна, меньше, чем, эти же величины, полученные при традиционной схеме поперечного сечения.
Основной неисправностью рассматриваемого типа конструкций является выключение железобетонной плиты из совместной работы с металлическими балками из-за разрушения бетона поперечных швов омоноличивания блоков плиты. Это ведет к снижению жесткости конструкции и, следовательно, к увеличению напряжений в поясах стальных балок. Соответственно завышенные величины расчетных напряжений, полученных без учета балласта и рельсового пути, могут дать неверную информацию о степени включения плиты в работу, вплоть до признания конструкции исправной (например, пролеты № 13-15 в таблице).
Здесь, однако, может возникнуть вопрос о жесткостных параметрах балласта и рельсового пути, и в частности о влиянии на измеряемые величины сезонного изменения жесткости балласта из-за его смерзания.
Рассмотрим отдельно вклад мостового полотна и рельсов в восприятие внутренних усилий в таком составном сечении (рис. 2).
Распределение продол она/ усилий по Ьасоте сечения
1 п7р ..и Напряжения
-- И ^^ 5 91 кН & вели се
и 3.70 кН
‘4 г « , 2 * :—1 Напряжения б У и кН— _;23 32 кН Напряжения
'//\ * 4 ^ а ’ - „ « ииллосгпном слое ¿.¿5 *// -177 ап м 6 плите
1 5 * г ^ -1 р ? КН - ——125.67 кН балластного
у//. 1
X///'
р 66.59 «II
УЬЗ.оэ кН
Рис. 2. Распределение усилий между элементами составного поперечного сечения
Как следует из представленной схемы, основные усилия в поперечном сечении воспринимаются стальными балками, железобетонной плитой и рельсами. Усилия в балластном слое ничтожны по сравнению с остальными величинами. Таким образом, можно констатировать, что жесткость балластного слоя не оказывает влияния на результаты измерений, а следовательно, предложенный способ диагностики технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений может использоваться в любое время года.
Библиографический список
1. СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы: Правила обследования и испытаний. М.: Госстрой СССР, 1987. 41 с.
