Theoretical basis for the development of a program for the evaluation of road bridge heavy vehicles capacity

Full Text

Введение В практике эксплуатации автомобильных дорог РФ периодически возникают сложные актуальные задачи оценки возможности пропуска тяжеловесных транспортных средств по автодорожным мостам [1-4]. Выполнением этой задачи занимаются специализированные организации, имеющие в своем штате высококвалифицированных специалистов, современное программное обеспечение и оборудование для проведения обследований и испытаний мостов. Вопросу оценки технического состояния пролетных строений автодорожных мостов при пропуске по ним тяжеловесных транспортных средств посвящен ряд работ [5-12], в которых определение грузоподъемности автодорожного моста проводится с использованием различных методов. В целях достижения оперативности определения возможности безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств по автодорожным мостам с учетом их фактического эксплуатационного состояния за основу создания программного обеспечения взят разработанный одним из авторов экспериментально-аналитический метод расчета усилий [13], который был реализован в результате совместной работы авторов в программу «Аналитическая модель определения параметров напряженно-деформированного состояния в пролетных строениях автодорожных мостов от сверхнормативных нагрузок РВСН»[18]. Проведено уточнение разработанной программы относительно: - определения невыгодного положения эталонной нагрузки на пролетном строении; - расчета изгибающего момента от эталонной нагрузки; - корректировки прогиба в середине пролетного строения от эталонной нагрузки, определяемого экспериментально, с использованием коэффициента угла поворота и учитывая влияние системы балочного моста. Создание ПО для оперативного определения возможности безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств обусловлено, с одной стороны, необходимостью обеспечения безопасности водителя транспортного средства и мостового сооружения, а с другой стороны - потребностью оценки грузоподъемности пролетных строений автодорожных мостов по параметрам их напряженно-деформированного состояния для гарантированного безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств. Теоретические исследования 1. Предварительно заметим, что в [14] определены алгоритмы расчета невыгодного положения нагрузки, при котором получаемый экспериментальным путем прогиб от нее будет максимален, путем приведения эталонной нагрузки к равномерно-распределенной, и расчета удаления равнодействующей эталонной нагрузки от первой его оси; изгибающий момент вычисляется через определение площади линии влияния изгибающего момента эталонной нагрузки. Применение данного подхода к определению невыгодного положения и, соответственно, изгибающего момента в некоторых случаях не совсем корректно, так как он служит для их быстрого нахождения и значения получаются приближенными. Авторами предлагается определение более точного невыгодного положения эталонной нагрузки и расчета изгибающего момента от нее с использованием линии влияния (рис. 1), который проводится в два этапа. Изображение выглядит как диаграмма Автоматически созданное описание Рис. 1. Построение линии влияния с ординатами осей нагрузок Figure 1. Construction of the influence line with the coordinates of the load axes На первом этапе определяются ординаты осей эталонной нагрузки на линии влияния в каждой точке пролета с заданным шагом расчета: (1) где - ордината i-й оси эталонной нагрузки; - расстояние от исходной опоры до i-й оси эталонной нагрузки; - длина пролета. На втором этапе определяется изгибающий момент от эталонной нагрузки при каждом изменении ее положения в соответствии с заданным шагом расчета и выбирается положение, при котором изгибающий момент от эталонной нагрузки будет максимальным: (2) где - нагрузка на i-ю ось эталонной нагрузки. Выбранное положение эталонной нагрузки и будет являться невыгодным, при котором изгибающий момент, а соответственно и прогиб пролетного строения от эталонной нагрузки, будет максимальным. Для реализации указанного способа определения невыгодного положения и расчета при этом изгибающего момента от эталонной нагрузки разработана и опубликована программа для быстрого его использования (рис. 2)[19]. Рис. 2. Интерфейс программы Figure 2. Program interface Для подтверждения достоверности результатов расчета указанной программой проведен модельный эксперимент в программно-расчетном комплексе Midas Civil 2022 (сертификат соответствия RA.KR.АБ86.Н01197), основанном на методе конечных элементов с использованием пространственной модели пролетного строения аналогичной длины, которая представлена в виде совокупности стержневых элементов, имеющих общие точки - узлы (рис. 3). Модель пролетного строения загружалась аналогичной эталонной нагрузкой. В результате проведенных расчетов определено, что изгибающий момент от эталонной нагрузки, полученный в программно-расчетном комплексе Midas Civil 2022 (рис. 4), соответствует результатам расчета изгибающего момента разработанной программой, сходимость значений составила 91 %. Рис. 3. Пространственная модель пролетного строения Figure 3. Spatial model of the superstructure Изображение выглядит как диаграмма Автоматически созданное описание Рис. 4. Результаты расчета изгибающего момента в ПРК Midas Civil Figure 4. Results of the bending moment calculation in the Midas Civil 2. Прогиб f в середине пролетного строения, рассчитываемый с использованием его строгой зависимости от величины пролетов l и тангенса угла наклона исходных опорных сечений от воздействия пропускаемых нагрузок, разработанной одним из авторов в [10], предлагается определять с учетом коэффициента угла поворота δ (3) где f - прогиб пролетного строения в середине пролета, м; θ - угол наклонения опорного сечения от пропускаемого транспортного средства; l - длина пролетного строения моста, м; δ - коэффициент угла поворота. Его численное значение получено путем сопоставления эпюр углов поворота разрезных пролетов с соответствующими эпюрами углов поворота в неразрезных многопролетных строениях при их шарнирном опирании на опоры без защемления на них в программно-расчетном комплексе ЭСПРИ от LIRA GROUP[20]. Сопоставим эпюры углов поворота в краях пролета для разрезного пролетного строения с пролетами 24, 33, 42 м и неразрезного в краях первого (крайнего) и второго (среднего) пролетов с соответствующими пролетами (рис. 5). Эпюры углов поворота Рис. 5. Эпюры углов поворота в разрезных и неразрезных пролетных строениях Figure 5. Plots of rotation angles in split and continuous superstructures Результаты сравнения эпюр углов поворота в краях пролета позволили получить численные значения коэффициента угла поворота (таблица). Значения максимальных ординат углов поворота и коэффициента угла поворота Исследуемый фактор (схема моста) Пролет, м Ордината эпюры углов поворота Разрезное пролетное строение Неразрезные пролетные строения 3 пролета 4 пролета 5 пролетов 1-й 2-й 1-й 2-й 1-й 2-й 3-й Левый край Правый край Левый край Правый край Левый край Правый край Левый край Правый край Левый край Правый край Левый край Правый край Левый край Правый край Ордината угла поворота, Рад (24 + 33 … + 24) 24 540 415 291 416 293 416 293 33 1020 333 333 340 362 341 364 370 370 Коэффициент угла поворота (24 + 33 … + 24) 24 1 0,77 0,54 0,33 0,33 0,77 0,54 0,33 0,35 0,77 0,54 0,33 0,36 0,36 0,36 Ордината угла поворота, Рад (24 + 33 … + 24) 24 1020 777 533 778 535 778 535 33 1653 568 568 575 595 575 597 602 602 Коэффициент угла поворота (24 + 33 … + 24) 24 1 0,76 0,52 0,34 0,34 0,76 0,52 0,35 0,36 0,76 0,52 0,35 0,36 0,36 0,36 Values of the maximum ordinates of the rotation angles and the rotation angle coefficient The factor under study (bridge diagram) Span, m Ordinate of the plot of the rotation angles Split superstructure Continuous superstructures 3 spans 4 spans 5 spans First Second First Second First Second Third Left edge Right edge Left edge Right edge Left edge Right edge Left edge Right edge Left edge Right edge Left edge Right edge Left edge Right edge Ordinate of the angle of rotation, Rad (24 + 33 … + 24) 24 540 415 291 416 293 416 293 33 1020 333 333 340 362 341 364 370 370 Rotation angle coefficient (24 +33 … + 24) 24 1 0,77 0,54 0,33 0,33 0,77 0,54 0,33 0,35 0,77 0,54 0,33 0,36 0,36 0,36 Ordinate of the angle of rotation, Rad (24 + 33 … + 24) 24 1020 777 533 778 535 778 535 33 1653 568 568 575 595 575 597 602 602 Rotation angle coefficient (24 + 33 … + 24) 24 1 0,76 0,52 0,34 0,34 0,76 0,52 0,35 0,36 0,76 0,52 0,35 0,36 0,36 0,36 Таким образом, значение коэффициента угла поворота δ с погрешностью не более 9 % принимаем: - для разрезных пролетных строений - 1; - для левого края неразрезных пролетных строений на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,77; - для правого края неразрезных пролетных строений на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,54; - для неразрезных пролетных строений на двух опорах - 0,36. Разработанное программное обеспечение будет использовано в составе модернизированной системы экспресс-оценки грузоподъемности автодорожных мостов, разрабатываемой на основе системы измерений СИ-ППМ [15] с добавлением технических устройств, повышающих возможность оперативной оценки грузоподъемности автодорожных мостов. Экспериментальные подтверждения теоретических исследований Для подтверждения достоверности получаемого прогиба в середине пролетного строения от угла наклона исходного опорного сечения с учетом полученного коэффициента проведен эксперимент на неразрезном металлическом автодорожном путепроводе через МЖД на км. 8 + 783 на обходе Калуги (участок Анненки - Жерело) со схемой моста: 62 + 69 + 69 + 52 + 50 (рис. 6). Каждое пролетное строение загружалось испытательной нагрузкой, представляющей собой колонну четырехосных груженных автомобильных самосвалов фирм Scania P8X400 и Volvo FM-TRUCK 8x4 по 45 т каждый (рис. 7). Рис. 6. Путепровод через МЖД на км. 8 + 783 на обходе Калуги (фото Е.А. Луговцева) Figure 6. Overpass through the Moscow Railway at km. 8 + 783 on the bypass of Kaluga (photo by E.A. Lugovtsev) Угол наклона опорного сечения пролетного строения измерялся с использованием инклинометра ИН-Д3 720 (рис. 8). Прогиб в середине пролетного строения измерялся с использованием прогибомеров ПСК-МГ4, установленных в подмостовом пространстве (рис. 9). Рис. 7. Испытательная нагрузка (фото Е.А. Луговцева) Figure 7. Test load (photo by E.A. Lugovtsev) Изображение выглядит как текст, ноутбук, в помещении, компьютер Автоматически созданное описание Рис. 8. Инклинометр ИН-Д3 720 с программным обеспечением (фото К.Н. Уталиева) Figure 8. Inclinometer IN-D3 720 with software (photo by K.N. Utaliev) Изображение выглядит как на открытом воздухе, земля, путь, дорога Автоматически созданное описание Рис. 9. Прогибомеры ПСК-МГ4 (фото Е.А. Луговцева) Figure 9. Deflection meters of PSK-MG4 (photo by E.A. Lugovtsev) В результате проведенного натурного эксперимента установлено, что прогиб в середине неразрезных пролетных строений, полученный через угол наклона исходного опорного сечения, с учетом коэффициента угла поворота соответствует прогибу в середине пролетного строения, измеренного с использованием прогибомеров ПСК-МГ4, сходимость значений составила 92 %. Представленные теоретические предпосылки позволили провести усовершенствование программы[21], заключающееся в том, что измерение углов поворота опорного сечения и последующий расчет жесткости пролетного строения с учетом его фактического эксплуатационного состояния, производится принимая во внимание коэффициент угла поворота и выполняется только один раз при установке эталонной нагрузки в самое невыгодное положение, определяемое автоматически с помощью программы. При этом путем сопоставления полученного прогиба в середине пролетного строения, изгибающих моментов от эталонной нагрузки и реального тяжеловесного транспортного средства рассчитывается прогиб, а также максимальные значения изгибающего момента и поперечной силы от собственного веса пролетного строения. Затем от совместного действия тяжеловесного транспортного средства и собственного веса пролетного строения вычисляются напряжения в кромках балок пролетного строения и производится их сравнение с возможными значениями. Расчетные сопротивления материала пролетного строения определяются по СП 35.13330.2011[22]. Допустимые значения поперечной силы для железобетонных пролетных строений определяются по ОДМ 218.4.025-2016[23]. Если условия прочности хотя бы по одному предельному состоянию не выполняются, то программное обеспечение сообщит о невозможности пропуска тяжеловесного транспортного средства. Заключение Разработанное программное обеспечение для оперативного определения возможности безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств по автодорожным мостовым сооружениям с учетом их фактического эксплуатационного состояния реализовано с использованием персонального компьютера. Программное обеспечение обеспечивает оценку возможности пропуска тяжеловесных транспортных средств с любыми по длине пролетами разрезных и неразрезных систем, но только по условиям прочности пролетных строений автодорожных мостов, с учетом их фактического эксплуатационного состояния, позволяя при этом безопасно использовать любую подвижную нагрузку в виде эталонной.

About the authors

Evgeny A. Lugovtsev

Military Training and Research Center of the Ground Forces “Combined Arms Order of Zhukov Academy of the Armed Forces of the Russian Federation”

Author for correspondence.
Email: Lugovea@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0133-1269
SPIN-code: 8843-6213

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Engineering Support, Military Institute (Engineering Troops)

4 Proezd Devichego Polya, Moscow, 119121, Russian Federation

Karim N. Utaliev

Military Training and Research Center of the Ground Forces “Combined Arms Order of Zhukov Academy of the Armed Forces of the Russian Federation”

Email: utalievkarim@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-8512-792X
SPIN-code: 2623-9491

Adjunct, Military Institute (Engineering Troops)

4 Proezd Devichego Polya, Moscow, 119121, Russian Federation

Konstantin A. Chutkov

Novosibirsk Higher Military Command School of the Order of Zhukov

Email: kchutkov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-2071-186X
SPIN-code: 7809-9660

Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Operation and Repair of Weapons and Military Equipment

49 Ivanova St, Akademgorodok microdistrict, Novosibirsk, 630117, Russian Federation

References

Supplementary files