Обоснование разработки и применения программ экспресс-оценки автодорожных мостов при пропуске по ним тяжеловесных транспортных средств

Полный текст

Введение В результате проведенных исследований в [1; 2] предложен и опубликован способ быстрого определения возможности безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств по автодорожным мостовым сооружениям с учетом их фактического эксплуатационного состояния по измеряемому углу поворота их опорных сечений. Для применения этого способа разработаны два варианта программ с использованием: 1) макета тяжеловесного транспортного средства с его реальной полной массой и распределением ее по осям той же колесной формулы; 2) эталона транспортного средства существенно меньшей массы и иной колесной формулы с базой менее 6 м. Создание двух вариантов программ обусловлено необходимостью обеспечения, с одной стороны, безопасности водителя транспортного средства и мостового сооружения; с другой стороны - гарантии безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств, как по условиям несущей способности пролетных строений, так и несущей способности опор автодорожных мостов с учетом их фактического эксплуатационного состояния. Теоретические предпосылки для обоснования разработки двух программ экспресс-оценки автодорожных мостов В [1] получена строгая зависимость прогиба f в середине пролетов от величины пролетов l и тангенса угла наклона их исходных опорных сечений от воздействия пропускаемых нагрузок для случаев загружения любой произвольной нагрузкой в следующем виде: (1) где f - прогиб пролетного строения в середине пролета, м; θ - угол наклонения опорного сечения от пропускаемого транспортного средства; l - длина пролетного строения моста, м. Зависимость напряжения в середине пролета балочного пролетного строения от любой подвижной нагрузки от относительного прогиба, относительной высоты пролетного строения и модуля упругости материала пролетного строения получена по фундаментальной связи профессора П.М. Саламахина между тремя безразмерными параметрами в [1], а коэффициент α в [2]: (2) где α - коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения пролетного строения; ρ - коэффициент, зависящий от схемы его загружения ; Е - модуль упругости, МПа; h - высота балок пролетного строения моста, м. Коэффициент α, зависящий от формы и материала поперечного сечения, требует уточнения. Для стальных и клееных деревянных пролетных строений с учетом особенностей их формы поперечных сечений и учета работы верхнего пояса на общее и местное действие временной нагрузки эти коэффициенты приняты 0,625 и 0,5 соответственно [3-5]. Для пролетных строений из комбинации бетона с арматурой или сталью определение коэффициентов требует специального решения. Рассмотрим решение данной задачи применительно к железобетонным пролетным строениям с ненапрягаемой и напрягаемой арматурой. Эти две группы пролетных строений имеют одинаковое свойство: изгибающий момент в середине их пролетов воспринимается парой сил на некотором плече Z между равнодействующими в металле или арматуре в нижнем поясе и равнодействующей в бетоне в верхнем поясе поперечного сечения. Учтем, что по физической сущности статического момента площадей, сжатой и растянутой зон рассматриваемого поперечного сечения относительно нейтральной оси [6] в рассматриваемых случаях должно выполняться следующее условие: (3) где Fбет - площадь бетона, активно включающаяся на сжатие в сжатой зоне с центром тяжести, удаленном от нейтральной оси на расстояние ; Fарм - площадь арматуры, активно включающаяся на растяжение в растянутой зоне с центром тяжести, удаленном от нейтральной оси на расстояние . Учтем также, что по условию прочности бетона при этом должно соблюдаться условие (4) Из него получаем (5) Подставим (5) в (3) и получим (6) После сокращения на Fбет и Z получаем (7) Таким образом, для определения строгого значения α, только по физико-механическим характеристикам материалов пролетного строения, без наличия данных об их размерах, имеем (8) В [1] получена формула для определения реальной изгибной жесткости EI пролетного строения в середине пролета по известным значениям изгибающего момента от временной нагрузки в середине пролета, величине пролета и прогибу в середине пролета: (9) Вычисленная жесткость представляет собой характеристику поперечного сечения пролетного строения с учетом его фактического эксплуатационного состояния. Используя жесткость пролетного строения с учетом его фактического эксплуатационного состояния, представляется возможность определить момент инерции: (10) Зная момент инерции и используя коэффициент α, возможно определить момент сопротивления для нижней (11) и верхней (12) кромок пролетного строения: (11) (12) Быстрое определение погонной нагрузки gсв от собственного веса пролетного строения предложено в [2] на основе формул для частоты собственных колебаний балочных пролетных строений [7]: (13) где λi - частота, соответствующая i-той форме колебаний, Гц; EJ - жесткость пролетного строения; γi - корни характеристического уравнения; g - ускорение свободного падения. Предложенный способ является оперативным и может давать погрешности. Практика показывает, что частоты собственных колебаний имеют значительный разброс даже для железобетонных пролетных строений, изготовленных по одному типовому проекту [8]. Например, в [9] показано насколько сильно собственные частоты колебаний зависят от температуры. Однако ввиду простоты и доступности метода вибродиагностики по низшим формам колебаний исследования в этом направлении продолжаются [10-12]. За рубежом методы вибродиагностики также находят применение [13-15]. Изгибающий момент от собственного веса и временной нагрузки определяется с учетом коэффициента неразрезности предложенного в [2]: (14) (15) где β - коэффициент неразрезности; qсв - погонный вес пролетного строения, кг/м; ΩМ - площадь линии влияния изгибающего момента, м2. Его численное значение получено при сопоставлении ординат линий влияния изгибающих моментов в середине разрезных пролетов, в средних пролетах неразрезных многопролетных строениях при их шарнирном опирании на соответствующие опоры без защемления на них. Сопоставим линии влияния изгибающего момента в середине пролета для разрезного пролетного строения с пролетом 24, 33, 42 м и неразрезного для середины первого (крайнего) и второго (среднего) пролета с соответствующими пролетами (рисунок). Линии влияния изгибающего момента в разрезных и неразрезных пролетных строениях Influence lines of bending moment in simple and continuous superstructures Результаты сравнения максимальных ординат позволили получить коэффициенты неразрезности (таблица). Таким образом, значение коэффициента неразрезности β с погрешностью не более 3 % принимаем: - для разрезных пролетных строений - 1; - неразрезных на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,84; - неразрезных на двух опорах (средний пролет) - 0,68. Таблица Значения максимальных ординат изгибающего момента и коэффициента неразрезности № п/п Исследуемый фактор (схема моста) Пролет, м Значение расчетного фактора Разрезное ПС Неразрезные пролетные строения 3 пролета 4 пролета 5 пролетов 1-й 2-й 1-й 2-й 1-й 2-й 3-й 1 Максимальная ордината изгибающего момента, м (24 + 33 … + 24) 24 6 5,05 5,06 5,06 33 8,25 5,47 5,55 5,55 5,62 2 Коэффициент неразрезности β (24 + 33 … + 24) 1 0,84 0,66 0,84 0,67 0,84 0,67 0,68 3 Максимальная ордината изгибающего момента, м (33 + 42 … + 33) 33 8,25 6,9 6,91 6,91 42 10,5 7,06 7,11 7,11 7,16 4 Коэффициент неразрезности β (33 + 42 … + 33) 1 0,84 0,67 0,84 0,68 0,84 0,68 0,68 Table The values of the maximum bending moment ordinates and the continuity coefficient No The factor under study (bridge diagram) Span, m The value of the calculation factor Split superstructure Continuous superstructures 3 spans 4 spans 5 spans 1st 2nd 1st 2nd 1st 2nd 3rd 1 Maximum bending moment ordinate, m (24 + 33 … + 24) 24 6 5.05 5.06 5.06 33 8.25 5.47 5.55 5.55 5.62 2 The coefficient of continuity β (24 + 33 … + 24) 1 0.84 0.66 0.84 0.67 0.84 0.67 0.68 3 Maximum bending moment ordinate, m (33 + 42 … + 33) 33 8.25 6.9 6.91 6.91 42 10.5 7.06 7.11 7.11 7.16 4 The coefficient of continuity β (33 + 42 … + 33) 1 0.84 0.67 0.84 0.68 0.84 0.68 0.68 Для упрощения расчета нагрузка от макета тяжеловесного транспортного средства или эталона приводится к равномерной эквивалентной погонной нагрузке q, с длиной базы s и удалении равнодействующей нагрузки от первой его оси с0. (16) (17) (18) где Pi - нагрузка на i-тую ось, кгс; s - расстояние от первой до последней оси транспортного средства, м; DPmn - расстояние между смежными осями транспортного средства, м; n - количество осей транспортного средства, шт. Приведенные теоретические предпосылки использованы для разработки экспериментально-аналитического метода оценки технического состояния автодорожных мостов по безотказности [16]. Метод реализован в двух программах экспресс-оценки технического состояния автодорожных мостов разрезной и неразрезной системы, из дерева, металла, сталежелезобетона, железобетона с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой по измеряемому углу поворота их опорных сечений, с учетом их фактического эксплуатационного состояния. Особенности и условия применения разработанных программ Рассмотрим особенности и условия применения вариантов разработанных программ экспресс-оценки автодорожных мостов. Представленные теоретические предпосылки позволили разработать два варианта программы быстрого экспериментального определения возможности безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств по автодорожным мостовым сооружениям с учетом их фактического эксплуатационного состояния. Первый вариант программы - с использованием макета тяжеловесного транспортного средства с его реальными полной массой и распределением ее по осям, той же колесной формулы[3]. На каждом шаге движения макета реальной нагрузки определяется угол поворота опорного сечения от его воздействия, по которому вычисляется прогиб в середине пролета и сравнивается с допустимым по СП35.13330.2011. В зависимости от расположения нагрузки на пролетном строении определяются площадь линии влияния изгибающего момента в середине пролета под погонной равномерно распределенной нагрузкой от макета и вычисляются от него изгибающий момент и поперечная сила на каждом шаге движения макета. Также вычисляются максимальные значения изгибающего момента и поперечной силы от собственного веса пролетного строения. Затем от совместного действия макета и собственного веса пролетного строения вычисляются напряжения в кромках балок пролетного строения и производится их сравнение с возможными их значениями. Расчетные сопротивления материала пролетного строения определяются по ОДМ 218.4.025-2016. Допустимые значения поперечной силы для железобетонных пролетных строений определяются по ОДМ 218.4.026-2016. Если условия прочности по первому и второму предельному состоянию не выполняются на любом шаге движения макета, то подается команда на остановку макета транспортного средства. Второй вариант программы - с использованием эталона транспортного средства существенно меньшей массы и иной колесной формулы с базой менее 6 м[4]. Отличие в расчете в этом варианте программы от первого варианта заключается в том, что измерение углов поворота опорного сечения и последующий расчет жесткости пролетного строения, с учетом его фактического эксплуатационного состояния, выполняется только один раз при установке эталона транспортного средства в самое невыгодное положение. А проверка условий прочности выполняется аналитически только от воздействия реального тяжеловесного транспортного средства. Заключение Разработанные программы расчета реализованы автором с использованием персонального компьютера. Использование первого варианта программы позволяет гарантировать возможность безопасного пропуска тяжеловесных транспортных средств, как по условиям прочности пролетных строений, так и по несущей способности опор автодорожных мостов, с учетом их фактического эксплуатационного состояния. В качестве недостатков следует отметить необходимость использования макета тяжеловесного транспортного средства полной массы и одинаковой колесной формулы, что небезопасно, редко реализуемо и не всегда возможно при коротких пролетах мостовых сооружений. Второй вариант программы обеспечивает возможность пропуска тяжеловесных транспортных средств с любыми по длине пролетами, но только по условиям прочности пролетных строений автодорожных мостов, с учетом их фактического эксплуатационного состояния, позволяет безопасно использовать любую подвижную нагрузку в виде эталона с длиной не более 6 м. Данный вариант не позволяет оценить несущую способность опор пролетных строений. Разработанные программы будут использованы в составе модернизированного измерительного комплекса ИК-АМ, создаваемого на основе системы измерений СИ-ППМ [17] с добавлением новых компонентов.

Об авторах

Евгений Анатольевич Луговцев

Военный учебно-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая ордена Жукова академия Вооруженных Сил Российской Федерации»

Автор, ответственный за переписку.
Email: Lugovea@mail.ru
SPIN-код: 8843-6213

кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры дорог, мостов и переправ

Российская Федерация, 119121, Москва, пр-д Девичьего Поля, д. 4

Список литературы