CC BY
31
Тюкалов
Юрий
Яковлевич
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет»
e-mail: [email protected]
Рябов Илья
Владимирович
аспирант ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет»
e-mail: [email protected]
УДК 625.745.2
ТЮКАЛОВ Ю. Я. РЯБОВ И. В.
Влияние жесткости опорных узлов на несущую способность гофрированных арочных грунтозасыпных мостов
Исследовано влияние жесткости опорных узлов на несущую способность гофрированных арочных грунтозасыпных мостов. Дана оценка эффективности внедрения упругих опорных узлов в конструкции арки на примере моста пролетом 8 м в зависимости от величин жесткости опорных узлов, модуля упругости грунта, толщины гофролиста и вида временной нагрузки.
Ключевые слова: гофрированные арочные мосты, жесткие опорные узлы, упругие опорные узлы, метод конечных элементов, высота засыпки.
TYUKALOV Y. Y., RYABOV I. V.
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF REGIDITY OF SUPPORT JUNCTIONS ON THR CARRYING CAPACITY OF CORRUGATED ARCHED GROUND-BURY BRIDGES
Investigated the influence of the stiffness of the support junctions on the carrying capacity of corrugated arched ground-bury bridges. Assessed the effectiveness of the implementation of the elastic support in the construction of the arch on the example of the bridge (span 8 feet), depending on the values of the stiffness of support junctions, the elastic modulus of ground, thickness gofrolist and variant temporary load.
Keywords: corrugated arched bridges, rigid support junction, elastic support junction, finite element method, the height of backfill.
Строительство гофрированных арочных грунтозасыпных мостов в России и за рубежом стремительно развивается, и данная тема сейчас весьма актуальна. В то же время это направление является достаточно новым и имеет потенциал к совершенствованию. Одним из таких усовершенствований может стать замена жестких опорных узлов арки упругими.
Постановка проблемы. Цель исследования
В настоящее время узел крепления арочного гофрированного моста к фундаментам представляет собой абсолютно жесткую структуру. Такая технология применяется как в России, так и за рубежом (в том числе в Канаде, где данные конструкции имеют наиболее широкое применение и степень изученности). Логично предположить, что, так как арка работает упруго, замена жестких упорных узлов на упругие
может позитивно сказаться на несущей способности данных конструкций. Целью статьи является исследование целесообразности этого усовершенствования.
Предмет исследования
Работа подразумевает изучение эффективности внедрения упругих опорных узлов арки гофрированных грунтозасыпных мостов различной жесткости на примере моста пролетом 8 м при различных модулях упругости грунта, толщины гофролиста и вида временной нагрузки. Основным показателем при данных расчетах является максимальная высота засыпки, которую сможет выдержать конструкция арки.
Основная часть
Расчетная схема моста представлена на Иллюстрации 1 (для двух видов временной нагрузки).
84
© Тюкалов Ю. Я., Рябов И. В., 2016
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 1 | 2016
Иллюстрация 1. Расчетная схема моста. Авторы: Ю. Я. Тюкалов, И. В. Рябов
Расчетный пролет моста L = 8 м, ширина B = 3 м, высота засыпки — от 2 м.
Характеристики грунта: модуль упругости: E = 1800 т/м2 и E = 3000 т/м2, коэффициент Пуассона n = 0,3, плотность R = 2 т/м3, предельное напряжение сжатия ар = 50 т/ м2, сцепление С = 10 т/ м2, угол внутреннего трения p = 30°.
Сталь: С345, модуль упругости E = 21 • 106 т/м2, расчетное сопротивление Ry = 30600 т/м2.
Момент сопротивления сечения W (пластический), момент инерции сечения I, площадь сечения А, высота гофра — по каталогу продукции ЗАО «ГОФРО-СТАЛЬ» [1].
Толщина гофролистов, принятых в расчете: 5, 6 и 7 мм соответственно.
Распределенная временная нагрузка: рж/Д) = 32,2 т/м, равто) = 25,2 т/м [2]. '
Коэффициенты надежности по нагрузке от собственного веса: грунта — 1.15, металлической арки — 1.05.
Жесткости опорных узлов (по горизонтали) приняты в расчете следующими: бесконечная жесткость (неподвижная опора) 1 000, 500, 200, 0 т/м. Максимально допустимые вертикальные перемещения конструкции арки принимаем равными L/150 = 53 мм.
Методика расчета арки в ПК ЛИРА
Расчет производится с помощью ПК ЛИРА методом конечных элементов с учетом линейной и нелинейной работы грунта. Ставилась задача определения максимально возможной высоты засыпки при различных значениях жесткости опорных узлов.
Арка по длине делилась на 40 конечных элементов, длина которых не превышает 0.3 м [3]. Характеристики поперечного сечения представлены с помощью параметров EF, Ely и q0 соответственно, где EF — жесткость элемента на осевое сжатие (растяжение), (т); Ely — жесткость элемента на изгиб вокруг оси Y1, (т ■ м2); q0 — погонный вес, (т/м).
Модель грунта представлена физически нелинейными треугольными конечными элементами грунта плоской задачи с максимальным размером 0.3 м.
Все полученные в ПК Лира усилия N и М заносились в таблицы Excel для автоматизации расчетов. Результаты должны удовлетворять требованию: а = N/F ± M/W < Ry, (1)
где ст — напряжение в гофролисте, кг/см2; N — продольное усилие, кг; M — момент, кг ■ см; F — площадь сечения, см2; W — момент сопротивления, см3;
Ry — расчетное сопротивление металла, кг/см2 (принимаем Ry = 3060 кг/см2).
Расчет напряжений производим для 4-х вариантов сочетанИя усилий: Nmax/^от Nmin/Мсоот NcooJMmax > Naim/ Mmin. Из них подбирается самый неблагоприятный. Полученное значение напряжения сравнивается с сопротивлением стали конструкции арки и, при необходимости, увеличивается величина засыпки с шагом 1 м.
Оценка эффективности введения упругих опорных узлов арки
В Таблице 1 и на Иллюстрации 2 отражены полученные результаты расчетов для толщины гофролиста 7 мм при различных жесткостях опорных узлов и модулях упругости грунта. Подобные расчеты были произведены также для арок с гофролистами толщиной 5 и 6 мм и имеют аналогичные результаты.
Заключение
В статье произведен полный расчет эффективности внедрения упругих опорных узлов арки гофрированных грунтозасыпных мостов на примере моста пролетом 8 м при различных модулях упругости грунта, толщины гофролиста и вида временной нагрузки.
Согласно Таблице 1 и Иллюстрации 2 можно сделать вывод о том, что внедрение упругих опорных узлов арки
Таблица 1. Результаты расчетов арочного грунтозасыпного моста при толщине гофролиста 7 мм
Временная нагрузка от ж/д транспорта
Жесткость опорных узлов арки, т/м Модуль упругости грунта 18 МПа Модуль упругости грунта 30 МПа
H засыпки (max), м Эффективность, % АХ max, мм AZ max, мм H засыпки (max), м Эффективность, % АХ max, мм AZ max, мм
Абс. жесткость 4 - - 19 6 - - 18
1000 7 75.0 29 40 10 66.7 25 35
500 8 100.0 39 47 11 83.3 32 39
200 9 125.0 50 54 12 100.0 37 43
0 11 175.0 66 65 12 100.0 41 44
Временная нагрузка от автомобильного транспорта
Жесткость опорных узлов арки, т / м Модуль упругости грунта 18 МПа Модуль упругости грунта 30 МПа
H засыпки (max), м Эффективность, % АХ max, мм AZ max, мм H засыпки (max), м Эффективность, % АХ max, мм AZ max, мм
Абс. жесткость 7 - - 22 9 - - 18
1000 11 57.1 32 44 13 44.4 25 34
500 12 71.4 43 50 15 66.7 32 39
200 13 85.7 54 56 16 77.8 39 44
0 15 114.3 68 68 16 77.8 46 49
Иллюстрация 2. Зависимость максимальной высоты засыпки моста от жесткости опорных узлов арки при различных видах временной нагрузки (авто/ж.д.) и модулях упругости грунта (толщина гофролиста 7 мм). Авторы: Ю. Я. Тюкалов, И. В. Рябов
является весьма эффективным, так как несущая способность мостов при этом повышается на 40-175%. Использование упругих опорных узлов позволит применять данные конструкции для случаев с большей высотой засыпки и/или применять в конструкции гофролисты меньшей толщины.
Список использованной литературы
1 Металлические гофрированные конструкции транспортных сооружений. Каталог продукции. Рекомендации по применению / ЗАО «Гофросталь». М., 2010. 79 с.
2 ОДМ 218.2.001-2009 Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на авто-
мобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон). М. : Федеральное дорожное агентство (Росавтодор), 2009. 201 с.
3 Тюкалов Ю. Я., Рябов И. В. Совершенствование конструктивных форм стальных гофрированных арочных грунтозасыпных мостов [Электронный ресурс] // Общество, наука, инновации (НПК-2014) : всерос. ежегод. науч.-практ. конф. : сб. материалов, 15-26.04.2014 г. Киров : Вят. гос. ун-т, 2014. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). (Факультет строительства и архитектуры (ФСА). Секция «Строительство и архитектура». Статья № 13).
