автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Обоснование возможности уширения решетчатых сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов

СИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЛВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫП ИНСТИТУТ ИМ. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

КУРЕПИН Валерий Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УШИРЕНИЯ РЕШЕТЧАТЫХ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Специальность 05.23.15 — Мосты п транспортные тоннели-

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск—1991

' 1 ' /" /; / ) Л \;>

Работа выполнена б Сибирском ордэна Трудового Краонс Знамени автомозильно-дороаном институте им. В.В.Куйбышева КЕФедре "Моохы".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических нау доцент П.П.Ефимов.

доктор технических наук, профессор П.М.Саламахин;

кандидат технических нау: доцент С.А.Матвеев.

ЩШпроектстальконструкш им. Н.П.Мельникова, г.Москва.

Зашта СОСТОИТСЯ " 1В » марта 1991г. в ю часов I заседании специализированного совета К.063.25.01 по присувдеш ученой степени кандидата технических наук в Сибирском орде! Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте ил Ь.В.Куйбышева по адресу:

644080, Оыск-80, проспект Мира, 5, СибАДИ.

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученог секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " ^ "Ф-евеала 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

В. С. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^1Хальность_иссл§йований. Эффективное функционирование народного хозяйства страны невозможно Оез наличия хорошо разь-ггой транспортной сети, в значительной степени определяемой количеством и качеством автомобильных дорог. .• Развитие парка автомобильного транспорта идет как в сторону его количественного , роста, так и'в сторону увеличения массы отдельных транспортных единиц. Следовательно,'постоянно изменяются требования к' дороге как по пропускной способности, так и несущей способности ее элементов, что влечет за собой необходимость не только нового .строительства, но и проведения реконструкции ра^еэ- построенных дгрог, в перую. очередь их уширение и усиление. Естественно, все выше сказанное относится и к мостам, являющимися неотъемлемой частью дорожной сети. Приведение эксплуатируемых мостов в . соответствие с растущими ' требованиями бесперебойного и безопасного пропуска автомобильной нагрузки являе-ся слскной технической, экономической и организационной задачей.

В настоящее время уке проведена исследования и частично внедрены некоторые решения по ' уширению и • . усилении гелезобетонных ребристых и плитных пролетных строений. Исследован ряд проблем для сталеаелезобатонных спловностенчатих пролетных строений. Вопросы уширегшя решетчатых сталеягелэзо-Сетоншх пролетних строений • до настоящего времени не рассматривались.

Ц|ль_и_зайачи_исследования. Целью . исследования является обоснование возможности повышения эксплуатационных качеств решетчатых СТЖБ пролетных строений с ездой поверху (на примере пролетных строений'' Укргипродортранса выпуска 1954 года). Повышение эксплуатационных качеств в первую очередь означает увеличение габарита мостов при условии обеспечения их грузоподъемности в соответствии с современными требованиями. Достижение этой цели сопряжено с решением следующих задач.

Во-первых, следует оценить фактическую несущую способность пролетных строений. Это должно базироваться на применении более точных методов расчета с учетом различных факторов. Правомерность принятых методов расчета должна быть доказана путем проведения натурных экспериментальных исследований и сравнения их результатов .с результатами теоретических расчетов.

Во-вторых, для тех факторов,' которые устанавливаются с '•натуры и, следовательно, могут иметь определенную погрешность

(например, модуль упругости бетона или положение нейтральной оси верхнего СТЖБ пояса к т.п.), или параметров, которые ЕО'бще установить практически невозможно (например.жесткость узлов), необходимо провести численное исследование на предмет их влияния на несущую способность конструкции.

В-третьих, необходимо найти технически и экономически обоснованные методы уширения и усиления пролетных строений.

йаучная_новизна. Доказана высокая эффективность решетчатых сталежелезобетонных пролетных строений •' с ездой поверху. Научно обоснована и доказана возможность уширения решетчатых сталекелззобетокных пролетных строений с ездой поверху с максимальным использованием существующих конструкций. Получен эффективный алгоритм стадийного статического расчета решетчатых пространственных конструкций. Разработана методика учета податливости сопряжения' железобетонной плиты с металлическим верхним поясом пролетного строения. Исследовано влияние податливости прикрепления стоек к поясам на напряженное состояние верхнего пояса пролетного строения. Выявлено влияние различных факторов на напрякенно-деформированное состояние решетчатого сталекелезобетонного пролетного строения. Новизна технических'решений подтвервдается авторским свидетельством на изобретение.

51§0®нь_о0дсндватдсти_и_йостдверности. Научные результаты и основные положения диссертации, ее выводы и рекомендации базируются на современных методах теоретических и экспериментальных исследований и строительной механики. Достоверность полученных результатов обеспечена необходимым объемом экспериментальных исследований, подтвердивших корректность принятых допущений, использованием современных измерительных приборов, обеспечивающих необходимую точность полученных результатов (доверительный интервал по результатам статистической обработки при вероятности 0.95 не более 8% ). Достоверность теоретических предпосылок подтвервдается достаточной степенью сходимости экспериментальных. и теоретических значений контролируемых параметров (расхождение нэ более 1% от среднего статистического).

02§ШН§ская_уешость^аботы. Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния решетчатых пространственных конструкций при определении та грузоподъемности. Даны

рекомендации по учету отдельных факторов, влияющих на несущую спосойюсть реиетчатых сталежелезобетонных пролетных строения. Разработан программный комплекс, позволяющий эффективно решать широкий класс задач строительной механики. Для реальных объектов разработаны проектные решения ушрения и усиления пролетных строений 21.6 и 31.8 метра по типовому проекту Укргипродортранса вып.1954 года. ■

Ебал1зация_резхльтатов_2а0оти. Результаты работа представлены в Биде отдельной главы в "Руководстве по реконструкции сталежелезобетонных пролетных строений", разработанном в ЦНМИпроектстальконструкции Москва) и СиСАДИ по плану • НИР Улнавтсдора РСФСР.

_АпроСация_раСота. Основные положения работы докла-

дывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СибАЛИ (1Э86-198ЭГГ.). ЛИСИ (Ленинград, 1987г.), ПАДИ (Москва, 1938г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, получено одно авторское свидетельство на изобретение. •

_Ооъем_работыл Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 160 страниц машинописного текста, в том числе 14 страниц с таблицами, 30 страниц с рисунками и 27 страницы приложений. Список литературы содержит 4° наименований.

Осповще_полокешя, которые выносятся на защиту:

1. Техническая возможность и экономическая целесообразность упмрения решетчатых сталежелезобетонных пролетных строений Укргипродортранса вып. 1954 года.

2. Математическая модель пространственного статического расчета решетчатого сталежелезобетонного пролетного строен/ч в матричной форме (вариант МКЭ).

3. Методики учета различных факторов, влияющих на напря-кенно-деформированное состояние решетчатых пролетных строений.

4. Технические решения уширения и усиления решетчатых сталежелезобетонных пролетных строений (на примере пролетных строений Укргипродортранса вып. 1954 года)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ " раскрывается актуальность темы, ее соответстЕ задачам ускорения научно-технического развития в оОлас совершенствования транспортной сети.

ё_ШЕ1ой_главе рассматривается объект исследования - реше чатые-сталежелезобетонные пролетные строения с ездой пове{ проектировки Укргипродортранса вып.1954 г. (фермы Скугаревг получившие наибольшее распространение среди пролетных строе! этого класса и возводившиеся в период с начала 50-х до нач£ 60-х годов (см. рис.1).

■ Пролетное строение Укргипродортранса выпуск 1954 года

•Рис.1.

По данным отдела искусственных сооружений Миндорстроя у< на дорогах республики сейчас находится в эксплуатации более мостов с применением таких пролетных строений. Болы количество пролетных строений Укргипродортранса применено мостах на автодорогах РСФСР. По неполным дан информационно-поисковой системы "МОСТ". Ыинавтодора -РСФСР -та

мосты имеются в Рязанской, Псковской, Костромской, Волгоградской областях, в Алтайском и Хабаровском гфаях. Общая протяженность этих мостов составляет около 3 км. По сведениям кафедры мостов Сибирского автомобильно-дорокного института такие пролетные •строения имеются также в Оренбургской, Омской, Новосибирской и Челябинской областях. Предположительное количество пролетных строений Укргипродортранса в мостах, дорожной сети СССР может достигать нескольких сотен. Главным их недостатком на данном этапе является недостаточная пропускная способность, что приводит к значительным транспортным потерям и снижении безопасности

Д. ЛЖОНИЯ.

Более чем четвертьвековая история эксплуатации этих пролетных строений показала их Еысокув устойчивость к физическому . износу. В первую очередь это связано с самой конструктивной формой, то есть решетчатой структурой при расположении уровня проезда по верхним поясам, а также- большая открытость и продуваемость элементов и узлов. Физическое сост-'яние пролетных строений Укргипродортранса, 'при их значительном моральном износе, признается удовлетворительным." Особенно это . касается металлоконструкций, крчество которых еще довольно высокое и вполне пригодное для дальнейшего использования. Выявлено, что характеристики материалов и конструкция пролетных строений в основном не . противоречат требованиям • современных норм. Несоответствие нормативных временных нагрузок от подвикного состава, под которые проектировались пролетные строения, и современных нагрузок в'размере 15 % может быть компенсировано* за счет резервов конструкции, а также ее усиления.

Во второй главе рассматриваются вопросы обоснования математической модели и метода расчета для исследуемой конструкции. Пролетное строение представляет собой пространственную стержневую конструкцию, объединенную в верхних узлах с плитой. Конструкция рассматривается как геометрически линейная. Оценка напряженно-деформированного состояния элементов проводится в пределах упругой работы материалов (физическая линейность). Также предполагается справедливой (за исключением особо оговоренных далее случаев) гипотеза Бернулли. В рамках указанных представлений о пролетном строении и принятых предпосылок математическую модель целесообразно представить системой линейных алгебраических уравнений вида

Ах = В

Наиболее рационально здесь применить метод перемещения,реализуемый в матричной форме, и являющийся вариантом метода конечного элемента (МКЭ) в стержневой аппроксимации. Для сохранения преимущества (компактность и универсальность) этого метода применительно к данной задаче целесообразно представить континуальную железобетонную плиту проезжей -части системой продольных и поперечных горизонтальных стер -жней. На рис.2 приведен фрагмент расчетной схемы пролетного строения.

Фрагмент расчетной схемы решетчатого пролетного строения.

Рис.ч2.' .

Использование -такой расчетной схемы, то 'есть разбиение ■непрерывной плиты на стержневые элементы, приводит к несколько повышенной податливости модели пролетного строения по отношению к реальной конструкции. Это создает некоторый запас конструкции как по усилиям, так и по перемещениям. Разрешающие уравнения метода перемещений, записанные в общей системе координат т,

о

представлены в матричной форме:

RZ + F = О

где к - матрица гэсткости всей конструкции;

Z - вектор неизвестных перемещений узлов конструкции;

F - вектор внешней нагрузки,- приложенной в узлах.

Глобальная матрица жесткости R формируется путем суммирования МЖ отдельных стершей, записанных в общей системе координат. Матрица R по своей природе является симметричной, а при соответствующей нумерации узлов и ленточной. Этот факт позволяет сэкономить оперативную память и время счета на ЭВМ. Для успешного формирования глобальной МЛ обычно используется вспомогательная матрица, содержащая информацию о наличии связей меяду узлами. По. аналогии с терминами, используемыми в теории графов такую матрицу называют "матрице ищшденций" ("структурная матрица"). В данной работе использована модифицированная форма структурной матрицы. Она является портретом глобальной МЖ, записанной в виде верхней полуленты и содержит в себе помимо информации о наличии связей мезду узлами еще и сведения о типе этих сзязей. Таквя идентификация элементов позволяет сократить количество процедур по обработке информации для конкретного элемент.*1 и, следовательно, время счета. Для учета опорных' закреплений используется способ, заключающийся в задании главному элементу, отвечавшему устог: шекому перемещению, очень большого

РП

значения (более 10 ). Этот способ очень прост и дает результат с хорошей точностью, однако в отдельных случаях может привести к исчезновение порядка ("машинный нуль") при решении системы линейных уравнений.

Вектор нагрузок' формируется с учетом внеузлоЕых сил от временной нагрузки, приложенных к плите. Сосредоточенна., сила распределяется только между ближайшими окружающими точку приложения силы узлами. Внеузловая сила Р^ заменяется системой эквивалентных ей узловых нагрузок s^, приложенных в окружающих узлах с помощью базисных функций,•описанных многочленами Эрмита:

■si = pd3i(z,z)* Для решения системы разрешающих уравнений применяется метод исключения Гаусса, модифицированный для случая симметричной матрицы ленточной структуры на любое количество загружений.

На основе изложенного в этой главе алгоритма автором была составлена программа "KIEV" для статического расчета решетчатого

СТНБ пролетного строения проектировки Укргипродортранса 1954 года с длиной расчетного пролета 21,6 и 31,8 метра. В результате на выходе получаются перемещения узлов, концевые усилия и напряжения от совместного действия продольной силы и изгибающего момента (в плоскости Х'О'У'). Для верхних поясов приводятся также усилкя и аапряжения. Программа реализована на ЭВМ класса " ¿с на алгоритмическом языке'гсжтнли IV. Время счета в зависимости от количества загружена® на ЭВМ ЕС-1036 составляет 3...5 мин. Объем используемой оперативной-памяти около 1,2 Мбайт. При ограниченной оперативной памяти (не более 512 Кбайт) программа может быть разделена на три части с пролежуточным вводом-выводом на НМД.

В третьей главе изложены результаты натурного эксперимента и проверка адекватности принятой математической модели реальному пролетному строению под действием статической нагрузки, а также численные исследования различных факторов и параметров, которые не могут быть определены путем непосредственного измерения (например, модуль упругости бетона, жесткость узлов, степень включения железобетонной плиты проезжей части в работу. СТЖБ верхнего пояса и т.п.) . г ,

Экспериментальные исследования проводились на натурном объекте (пролетное строение Укрглпродортранса 31.8 метра эксплуатируемого моста). Загружение осуществлялось 4-кратным заездом испытательной нагрузки в пролет (объем Выборга измере-рений равен 8). После исключения грубых погрешностей измерений, вызванных различными факторами измеренные • величины были обработаны с помощью разновидности нормального распределения -распределением Стыадента, учитывающим малый объем выборки. Погрешность измерения при надежности 0.95 составила для прогибов ±3...7%, для кривизну верхних цоясов в средней панели ±1...95, для деформаций нижних поясов ±2...4Я, что можно считать удовлетворительным.

После теоретического расчета исследуемого пролетного строения на действие испытательной нагрузки (более 15 вариантов) установлено, что наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние пролетного строения оказывает распор, возникающий за счет ограниченной подвижности опорных частей. Изменение же других внешних факторов не оказывает столь ощутимого влияния. Отклонения теоретических значений контролируемых факторов от средних статистических экспериментальных значений одновременно минимальны

для варианта, когда к оперши узлам приложено суммарное усилив распора 250 кН и находятся в пределах ±3..Л% для прогибов и ±4...&% для деформаций нижних поясов.

На основании' полученных при сравнении дашшх был сделан вывод о том, что принятая математическая модель достаточно близко описывает напряженно-деформированное состояние реального пролетного строения и может быть рекомендована для численного исследования пролетного строения и расчета §го грузоподъемности.

На основе проведения численного исследования сделана оценка влияния на несущую способность конструкции таких факторов' как: эксцентриситет прикрепления раскосов к верхнему поясу; изгибная жесткость верхнего пояса, зависящая в свою очередь от модуля упругости бетона плиты проезжей части; качества сцепления бетона со стальным поясом, геометрических размеров плиты проезжей части; жесткости заклепочных узловых соединен!®. В результате было установлено следующее.

При погрешности определения эксцентриситета ± 0,03 метра погрешность в определении экстремальных напряжений в раскосах пр.* жестких узлах может достигать ±7...10 % от уровня напряжений, определенных при отсутствии эксцентриситета. Для верхнего пояса при тех же условиях погрешность в напряжениях достигает ±4 %.

Ошибка при определении толщины железобетонной плиты на 0,01 м дает погрешность в определении значения момента инерции

Деформация сдвига (податливости) ед по контакту между железобетонной плитой и стальным верхним поясом (при изгибе верхнего пояса в пределах панели), зафиксированная при натурных исследованиях существенно влияет на величину момента инерции СТЖБ верхнего пояса, но в то же время зависит от 'напряженного состояния сечения пояса. . Поэтому учет податливости необходимо производить в итерационном режиме расчета. Величину вд следует определять экспериментально. При отсутствии экспериментальных данных величину ед рекомендуется принимать равной ДхЮ-3.

Для элементов решетки наличие шарнира в узле играет положительную роль. Для верхнего пояса, интенсивно работающего на изгиб, это приводит к перераспределению изгибающих моментов. Расчетом установлено, что в сечениях верхнего пояса, близких к узлам, происходит снижение изгибающего момента примерно на £%, ъ в сечениях вблизи середины панели - увеличение до 2%. Псйзолия-усилия практически не изменяются (менее 0,3").

Наличие люфтов в узле прикрепления стойки в вертикальном направлении приводит к непредусмотренной проектом деформации участка верхнего пояса и появлению в нем дополнительного изгибавшего момента. Снижение жесткости стойки более чем на 20» от проектной уже • существенно изменяет напряженное состояние верхнего пояса. Поэтому в 'случае обнаружения признаков податливости узлов кпепления стоек к поясам рекомендуется учесть это в расчете путем соответствующего уменьшения площади поперечного сечения стоек.

В четвертой главе приводится обзор, анализ и выбор путей и методов реконструкции пролетных строений, е также результаты численного расчета уширенных пролетных строений 21.6 и 31.8 метре Укргипродортрапса,

Проблеме реконструкции строительных сооружений, в частности металлических пролетных строений мостов, уделяется довольно большое внимание. Одну из первых можно отметить работу Н.А.Белелюбского по замене деревянных мостов на металлические на кельлшх.дорогах (70-е годы 19 .века). Впоследствие вопросами реконструкции (усиления) металлических мостов занимались Е.О.Патон, Н.Б.Лялин, Г.К.Евграфов, Е.О.Осипов. В области промышленного строительства вопросами усиления эксплуатируемых Металлических конструкций под нагрузкой занимались Е.И.Беленя, И.С.Ребров, М.Н.Лащенко и др.. Вопросы усиления железобетонных конструкций рассматриваются в работах Н.М.Онуфриева.

Вопросы уширения автодорожных мостов освещены значительно меньше, что связано с относительной новизной проблемы. Главным образом это публикации трудов научно-исследовательских, проектных организаций и высших учебных заведений (Гипродорнии, Белдоршп, Укрремдорпроект, ЩИИпроектсталькогструкция, МАЛИ, КАДИ, СибАДИ, ЛПК и др.). Практически все работы посвящены исследованию возможности уширения железобетонных плитных и балочных пролетных строений. В области уширения СТЖБ балочных пролетных строений известны работы ШИИпроьктстальконструкции, Гипродорнии и СибАДИ.

Реконструкция цри увеличении габарита проезжей части может быть осуществлена по одному из следующих путей:

1) строительство нового моста на месте старого;

2) строительство нового моста рядом со старым с переключением на него движения одного направления;

3) замена пролетных строений на новые;

4) реконструкция с использованием старых пролетных строений.

Наибольший интерес для исследователей представляет

реконструкция с использованием старых пр летных строений. Это позволило бы сократить расход ' вновь используемых материалов, снизить трудоемкость, стоимость и сроки работ по реконструкции. Физический износ пролетных строений как правило значительно меньше, чем моральный, то есть было бы целесообразным использовать материал пролетных строений при реконструкции. Здесь могут быть применены следующие методы:

- утирание плиты проезжей части (наращивание консолей б одном уровне с существующей плитой или накладная плита поверх старой); ' * ' -

- приставные несущие элементы;

- комбинация уширения плиты с приставными элементами.

Усиление пролетных строений может производиться различными

методами . Традиционно различают общее усиление и местное (частичное). Однозначно разделить известные методы усиления ня эти две группы очень сложно, так как на практике часто бывает, что тот или иной метод может быть отнесен .как к группе общего усиления, так и к группе местного усиления. Например, при усилении железобетонной плиты проезжей части на действие местной нагрузки увеличение толщины плиты выполняет функцию общего усиления, так как при этом повышается несущая способность вс*го СТЖВ пролетного строения. Наиболее приемлемыми методами для усиления решетчатых пролетных строений могут быть:

- подведение новых конструкций;

- постановка дополнительных элементов;

- усиление соединений элементов;

- увеличение сечений элементов;

- изменение конструктивной схемы.

К перечисленным методам можно отнести специальные мероприятия пп выявлению неучтенных запасов прочности, перерасчет конструкции и испытание материалов.

При изучении вопроса о возможности уширения решетчатых СТЖЕ пролетных строений на основе накопленного по этой проблеме материала к рассмотрению были приняты методы накладной плиты и приставных элементов в сочетании с накладной плитой. При этом усиление может осуществляться за счет увеличения толщины плиты проезжей части, приставных элементов и преднапряженннх затяжек.

П

Уширвние до габарита Г-Ю может быть осуществлено с помощью приставных элементов в комбинации с накладной плитой. При этом консольная часть накладной плиты может быть выполнена монолитной, сборно-монолитной, сборной из железобетона или в вид§ металлической ортотропной плиты. На рис.3 приведены >р5т возможных варианта' уширения пролетных строений.

Первый вариант предусматривает установку ■ дополнительных наклонных ферм, нижние пояса которых объединяются в совместную работу с нижними поясами существующих ферм. Для восприятия горизонтального поперечного усилия, передающегося с приставных ферм, под нижними поясами параллельно с существующими распорками продольных связей устраиваются дополнительные усиляющие распорки, через которые и обеспечивается связь новых поясов со старыми. Раскосы и стойки приставных ферм располагаются в одной плоскости с соответствующими раскосами и стойками существующих Фарм, Центрирование стоек и раскосов в нижних узлах осуществляется на центр тяжести сечения объединенного низшего пояса. Особенностью этого варианта является размещение поперечной балки двутаврового или таврового сечения непосредственно на существующей плите. При этом толщина накладной плиты оказывается больше, чем это необходимо для обеспечения несущей способности. Для снижения расхода бетона и облегчения конструкции в промежутки между поперечными балками укладываются пустотообразователи (например из полиэтиленовых труб).Верхний пояс приставной наклонной фермы может быть выполнен в виде чисто железобетонной плиты (вариант 1,э) или с использованием металлического'прогона (вариант 1,6) по аналогии с существующими фермами.

Второй вариант отличается от первого тем, что поперечная балка размещается под верхними поясами существующих ферм, что позволяет уменьшить толщину накладной шшты, приметщть .более легкую металлическую ортотропную плиту на консольных участках.

Третий вариант заключается в добавлении с каждой стороны сплошностенчатых балок, на которые опираются поперечные балки. Увеличение ширины плиты производится теми же методами, что и в варианте 2.

Варианты I и 2 позволяют использовать легкое крановое оборудование для поэлементного монтажа. Варианты 2 и 3 дают возможность осуществлять пропуск временной нагрузки при проведении работ по одной полосе с минимальными перерывами.

Схемы уширения пролетных строений до гемрита г-10 Ц) а) накладная плитп д)

Озлаа.

наклоннЬя \ <рерт \

ч Л ! >< , _

©паепоока \

а) ф 6)

ортотропнав накладная \ плита \ плита

ортотропнав

тша.

\нак/ггтднаа плита

усиливающий нижний пояс

У/;///^///?////////// 222223

Схепр рагметекия поперечных Палок 6 узлах

XX XX Л Л- л. X X .X_ X X X

А, /ч А |/\

Рис.з 13

Большое преимущество варианта 3'заключается в возможности достаточно простой разгрузки существующих ферм путем регулирования усилий. В вариантах I и 2 это сделать значительно сложнее, хотя тоже возможно.

• Результаты статического, расчета уширенных до габарита" Г-10 пролетных строений Укргипродортранса показывают, что ,1а несущая способность при выполнении некоторых мероприятий достаточна для ппопуска современных нормативных нагрузок А-11 и НК-80. Сравнение расчетных усилий н с предельными для перегруженных элементов приведены в таблицах 1...3. Под предельным усилием понимается минимальная несущая способность элемента по прочности, устойчивости или прикреплению в узле:

Ицрвд = ^ (Н'! '

НГ" Е Ап1/1«2 :

11 = И А. ф т,

2 ЬгТ

где к - расчетное сопротивление материала;

Ап1, аЬг- площади поперечного сечения нетто и брутто; 1-2 - коэффициент.принятый по экспериментальным

данным и учитывающий изгиб от жесткости узла; ш - коэффициент условий работы; Ф - коэффициент продольного изгиба; кэ - несущая способность по прикрепления в узле. Несущая способность нэ .прикрепления элемента в узле (стыке) принимается наименьшей из условий среза и смятия, заклепок или основного металла. Нумерация элементов в таблицах 1...3 принята в соответствии с рис.1.

Как видно из таблиц 1...3, необходимость усиления диктуется в первую очередь малой прочностью заклепочных соединений крайних раскосов и нижнего пояса, особенно в пролетном строении 31,8 мэтра. Стык нижнего пояса усиливается путем замены заклепок на зысокопрочкые болты и добавлением накладок. Являются• усилением дополнительная наклонная форма, нижний пояс которой объединяется с нижним поясом крайней существующей фермы, с' также уотановка дополнительной распорки ветровых связей. Разгрузка перенапряженных элементов и узлов при ушрении по варианту 3,а осуществляется за счет передачи .части постоянной нагрузки с существующего пролетного строения на приставные' сшюшностенчатые балки. Верхние пояса и. железобетонная плита проезжей части усиляются путем устройства накладной плиты. Продельные и

Таблица I

Сравнение расчетных и предельных усилий в элементах пролетного строения 31,8 мэтра, уширенного по варианту 1,а .

Предельное усилие, кН Ир Ир К Кр Кт1.г>

N1 N2 Кв N Ш1П

1-3 2215 1719 893 -1386 1.55 1480 0.94

3-4 1520 - 694 930 1.34 1505 0.62

4-6 1520 1347 694 -717 1.03 1505 0.53

7-10* 2114 - 139В 1975 1 .41 2240 0.93

Таблица 2 Сравнение расчетных л предельных усилий в элементах пролетного строения 31/8 мэтра, уширецного по варианту 3,а

Элемент Предельное усилие, кН Но Кр Л Цт V г>

н» № N8 N т! п

1-3 2215 1719 893 -1243 1 .з* -877 0.98

3-4 1520 - 694 895 . 1.29 694 1 .00

4-6 1520 1347 694' -769 1.11 587 0.85

7-10 2114 - 1398 _ 1919 1.3Г 1406 1 .01

Таблица 3* Сравнение расчетных и предельных усилий в элементах пролетного строения 21,6 метра, уширенного по варианту 3,а

Элемент Предельное усилие, кН Ир НУР Нтт

N1 М* Из' N го»- п

1-3 955 -974 796 -878 . 1 .10 -727 0.91

3-4 697 - 595 722 1 .21 568 0.95

4-6. 697 -715 595 -617 1.04 -473 0.79

7-10 1607 - - 1600 1 .00 • 1328 0.83

Примечание: и* - несущая способность узла после усиления.

11* - расчетное усилие в элементе после регулирования усилий. * - усилия приведены для старой зетви.

поперечные связи в усилении не нуждаются. Такта; образом, можно считать доказанным, что утирание решетчатых ОТБ пролетных строения Укргипродортранса до Г-10 технически возможно.. •*

8_0А1ой_глав9 рассматриваются вопросы технико-экономического обоснования целесообразности уширения мостов с *решетчатыми сталежелезобетонными пролетными строениями Укргипродортранса. В качестве основного показателя для оценки экономической эедекчивности проведения работ по ушрению мостов используется понятие приведенных затрат, складывающихся из единовременных капитальных вложений К, отнесенных к расчетному. . периоду окупаемости Т, и ежегодных эксплуатационных затрат Э :

С = К/Т + Э .

Из нескольких вариантов реконструкций должен быть выбран вариант с минимальными приведенными затратами. Вместо периода-эксплуатации Т, нормативное значение которого принимается равным Тд = 8,3 года, часто используется обратная величина -коэффициент экономической эффективности капитальных вложений Ед, принимаемый равным 0,12. Определение оптимальной фактической экономической эффективности капитальных вложений в ■ ушрение мостов производят по формуле:

ЕФ-

Кр- 2

" 1а»

1С

дк ,г, •«■ 1

где дЭ1 - величина снижения текущих транспортно-эксплуатационных затрат в 1;-ый год эксплуатации моста в результате его * .уширения;

- коэффициент, учитывающий отдаленность затрат во времени;

- срок службы моста, считая с момента его уширения;

затраты на реконструкцию моста;

- величина высвобождающихся капитальных вложений в автомобильный транспорт в 1;-ый год эксплуатации моста в результате его уширения. 1

Ушрение моста Судет считаться экономически целесообразным, если Фактическая эффективность Б^ будет не меньше нормативной "эффективности Ед = 0,12. Однако' б данной работе сравнение ■ различных вариантов может Оыть осуществлено лишь путем сопоставления величин затрат нр реконструкцию Кр в денежном или натуральном выражении. ■ ..'-.■

По методике Гипродорнии Минавтодора • РСОСР для ориентировочной оценки эффективности капвложений реконструкция считается целесообразной при условии

где К_ - капитальные вложения в I м* уширения'моста, . снижение годовых транспортно-эксплуатационных

затрат после реконструкции моста.

Например, для. моста,.имевшего габарит Г-7 и уширенного до-габарита Г-10, при интенсивности движения 2000 авт./сутки, снижение годовых транспортно-эксплуатационных затрат на 10-й год эксплуатации составит около 530 руб/м*. То есть реконструкция будет считаться эффективной, если капитальные вложения К^ не превысят 530/0,12 = 4417 руб/м* или в целом на одно пролетное строение 31,8 м - 421350 руб. Расчеты показали, что затраты на реконструкции решетчатых пролетных строений Укргипродортранса на порядок меньше . снижения потерь ' за 10 лет эксплуатации уширенного пролетного строения. То есть, затраты на уширение пролетных . строений могут окупиться всего через 2-3 года практически при любом методе уширения.

Для получения наиболее полного экономического эффекта необходимо выяснить какие из вариантов реконструкции могут оыть применены с минимальными- затратами. . Для этого было проведено технико-экономическое сравнение вариантов .увирения' с Оьзобкм вариантом, предполагающим полную замену .пролетных строений на существующих опорах.■ В 'качестве заменяющих были * рассмотрены пролетные строения ШИИпроектстальконструкции . проектировки 1977-78 годов . с пролетами 24 и 33 м, изготовляемые для труднодоступных районов.Базовый вариант требует уширения спор (ригеля).

Сравнение проводилось по основным показателям: стоимость конструкции'в деле; трудоемкость; расход основных материалов -

сталь, бетон, арматура. Показатели базового варианта.принималиа за 100%. Показатели остальных вариантов брались в % от базового, Определение стоимости и трудоемкости работ и материале! проводилось на основании действующих сметных норм по ддичо! методике. Расчеты проводились без каких-либо поправок 1 коэффициентов (на местные условия, зарплату и т.п.). Сравнен™ приведено в таблицах <1 и 5. ' •

Как видно иг. таблиц все варианты уширения с использований старых конструкций и .¿о расходу материалов, и по стоимости, и п трудоемкости оказывгуотся значительнно эффективная полной замен пролетных строений (причем без учета дополнительны* затрат н уширение опор ; базовом варианта). Таким образом можн заключить, что уширение решетчатых СТЖБ пролетных строени Укрпшродортранса с использованием старых конструкций в случаях когда пропускная способность моста ниже требуемой, экономичйск оказывается наиболее эффективным мероприятием.

основные наодн

1. Научно обоснована и доказана возможность ушрет решетчатых сталекелазобятонннх ттролетных строений о. ездой побр.] (на примере пролетных строений Укргипродортранса вып. Т95Д го; с максимальным использованием существующих'конструкция.

2. Составлена математическая модель пространстве™, статического .расчета решетчатого сталакелезобетонного пролети строения в матричной форме (вариант МКЗ), позволяющая с внел надежностью оценивать напряженно-деформированное состоя

, конструкции.

3. Адекватность принятой расчетная схемы пролети строения раальному объекту доказана результатами натурн эксперимента.

4. Предложены методики, учигываодие специфику сопрккэг стержневых элементов в узлах решетчатых конструкций, также сопряжение железобетонной плиты с металлическим верх? поясом пролетного строения.

5. Исследовано влияние податливости прикрепления стоек поясам на напряженное состояние верхнего пояса пролета строения.

6. Зафиксировано влияние ограниченной подвижности опор частей на напряженно-деформированное состояние решетчато:

Таблица 4

Технико-экономические показателе! вариантов уширания пролетного строения 31,8 мэтра.

Показатели Варианты уширения Базовый цкшпск

1,а,б 2,а 2,6 З.а 3,6

Стоимость а деле (руб) 25704 57% 30918 ' 69% 22698 50% 33642 75% 25422 56% 45027

Трудоемкость (чел.час) 3300 85% 2860 74% 3108 81% 3003 78% 3256 84% 3860

Расход материалов: - сталь (т) - бетон (м3) -арматура (т) 20,1 25% 51,5 63/0 22,7 28% 60,0 74$ 31,2 38% 81,5

42.4 58% 18,3 25« 35,0 48% 18,3 ог,« ¿,0/0 35.0 48% 72,7

8,3 2,8 5,0 2,8 5,0 13,5

4% 21% О 1 *> 21% 37%

Таблица и

Технико-экономические показатели вариантов уширения" пролетного строения 21,6 мэтра.

Показатели Варианты Базовый ЦНШПСК

З.а 3,0

Стоимость в деле (руб) 19075 62% 12890 42% 307Т4

Трудоемкость (чел.час) 1328 Пгуп» 1408 77% 1825

Расход материалов: - сталь (т) - бетон (м3). -арматура (т) 4!,Т 84% 22,3 46% 49

■ II,2 21% 23,8 45% 52,5

1,9 19% 3,4 34% 9,9

Примечание: 'показатели базового варианта приведены без уч=>тя затрат на ушрениэ опор;в знаменателе приветны процентные отношения к базовому варианту.

сталекелезобетонного пролетного строения.

7, Предложенные конструктивные решения уширения пролетных строений Укргипродортранса. использовались в качестве основных вариантов реконструкции реальных мостов.

■ 8. Доказана высокая эффективность решетчатых сталежелезо-оетонных пролетных строений с ездой поверху.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ефимов П.П., Курепин В.М. Влияние эксцентриситета прикрепления раскосов к поясам.. на напряженное- состояние элементов комбинированных ферм // Теоретические . и экспериментальные исследования мостов. - Омск: ОмШ, 1986. с.30-96. •

2. Ефимов П.П., Курепин В.М. Алгоритм- расчета комбинированного пролетного строения в виде металлических ферм, объединенных по верхним поясам с плитой проезжей части '/ Сиб. азтомсб.- дор. ин-т - Омск,. 1987.- II с. -. Деп. в ЦБНТИ Мпнавтодора РСфСР, Я140-ад.

3. Ефимов П.П.,.Курепин В.М. .Приведение внеузловой ' нагрузки к узлам при расчете плитно-стержневой конструкции пролетного строения методом конечного элемента// Теоретические и экспериментальные исследования мостов.' - .Омск: ОмПИ, 1987. с.30-36.

4. Курепин Б.Ч. Учет податливости шва объединения стали и бетона верхнего пояса СТЖБ фермы с ездой поверху при расчете ее методом перемещений.//Теоретические и экспериментальные исследования мостов.- Омск: ОмШ, 1988.с.49-55.

5. A.C. 1604885 СССР, М.кл5 E01D 7/02 Уширенное пролетное строение -моста с ездой поЕерху / ' Ефимов П.П., Данков B.C., Курепин В.М. (СССР). - JM6I7653/33; Заявлено 12.12.88 ;'' Опубл. 07.11.90.- •