автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование конструкции сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками

084602231

На правах рукописи

Балашов Евгений Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ СО СКВОЗНЫМИ БАЛКАМИ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 май 2010

Новосибирск - 2010

004602231

Работа выполнена на кафедре «Мосты и сооружения на дорогах» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет (ТГАСУ)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Картопольцев Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ефимов Павел Петрович кандидат технических наук, доцент Таюкин Геннадий Иванович

Ведущая организация: ГОУВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)», г.Хабаровск

Защита состоится 2 июня 2010 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при ГОУВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. ДусиКовальчук, 191, ауд. 224, тел. (383)328-04-02, факс: (383) 225-94-17, e-mail: lys@stu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан 27 апреля 2010 года.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью в 2-х экземплярах, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук., доц.

Л.Ю. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Технический уровень существующих автомобильных дорог и искусственных сооружений в Российской Федерации, в том числе в Республике Алтай, особенно в Улаганском и Усть-Коксинском районах, не соответствует современным, а тем более перспективным требованиям: из 2871 км территориальных дорог республики, дороги III категории составляют 7% (203 км), IV - 22% (651 км), V - 51% (1458 км), вне категорий - 20% (559 км). На территории республики эксплуатируется 384 моста длиною 8206,5 п.м, из них 58 % (221 мост) - деревянные. Более 25% мостов находится в аварийном или неудовлетворительном состоянии. Развитие сети автомобильных дорог, представляющих единственные пути сообщения в республике, является основой для самостоятельного становления Республики Алтай в условиях формирования рынка как субъекта в составе Российской Федерации.

Разработка и применение экономически оправданных и технически эффективных конструкций мостов является одним из актуальных путей улучшения транспортного состояния Республики Алтай и районов России с малоразвитой сетью автомобильных дорог. Повышение эффективности использования металла в работе изгибаемых элементов привело к решению разрезать по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом стенку прокатного двутавра и затем обе половины балки соединить сваркой в совмещенных между собой выступах стенки. Изменение высоты исходного сечения в полтора раза повышает момент сопротивления и почти вдвое - момент инерции, с учетом применения сталей различной прочности.

Расход металла в таких балках на 20-30 % меньше по отношению к прокатным балкам при одновременном снижении стоимости на 10-18 %, причем затраты труда на разрезку и сварку исходного проката в сравнении со сварными составными двутаврами на 25-35 % эффективнее за счет сокращения трудоемкости операций. В сравнении с железобетонными пролетными строениями по показателю транспортных расходов, сталежелезобетонные балочные мосты со сквозной стенкой эффективнее на 25-30 %.

Дополнительный экономический эффект при использовании пролетного строения, в котором сквозные балки объединены с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне, получен за

счет сокращения сроков строительства. С точки зрения эксплуатационных характеристик, исследуемая конструкция пролетного строения эффективна тем, что монтаж такого пролетного строения ведется в любое время года и сразу может быть открыта ограниченная временная эксплуатация по деревянному настилу, до наступления температур, допускающих укладку бетона.

Действующие нормативные документы не содержат расчета указанных конструкций, где в качестве главных балок применяются сквозные балки. Таким образом, актуальность исследования сталеже-лезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками обусловлена необходимостью совершенствования конструкции и исследования напряженно-деформированного состояния сквозных балок на основе численного моделирования и экспериментальных испытаний моделей в натуральную величину.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - пролетные строения мостов со сквозными моностальными и бистальными балками, объединенными с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне. Предмет исследования - совершенствование конструкций и напряженно-деформируемого состояния объектов исследования.

Целью работы является совершенствование конструкций стале-железобетонных пролетных строений со сквозными балками на основе изучения особенностей совместной работы балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи исследований:

1. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния сквозных моностальных и бистальных балок, объединенных с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне;

2. Проведены комплексные экспериментальные исследования пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками;

3. Сопоставлены результаты численных исследований с данными натурных экспериментальных испытаний объектов исследований, и на их основе оптимизирована расчетная модель;

4. Получены критерии повышения несущей способности сталеже-лезобетонных пролетных строений мостов на основе оптимального раскроя прокатных двутавров, для изготовления сквозных балок, и их упруго-пластической работы.

Методы исследования. В работе использованы положения теории упругого и упруго-пластического состояния сквозных моностальных и бистальных балок, линейного и нелинейного законов деформирования различных материалов, включая создание адекватных расчетных моделей, а также численное моделирование конкретных задач методом конечных элементов. Экспериментальные методы включали многопозиционные измерения амплитудных значений относительных прогибов и возникающих напряжений в пролетных строениях, а также методы математической статистики при обработке результатов измерений.

Научная новизна работы:

На основе расчетной модели численного моделирования и результатов комплексных экспериментальных исследований выявлены критерии увеличения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками двутаврового сечения.

Конкретные научные результаты состоят в следующем:

1. Выполнены и проанализированы комплексные экспериментальные исследования натурных моделей пролетных строений, состоящих из сквозных моностальных и бистальных балок.

2. Выявлены локальные зоны перехода объектов исследования в упруго-пластическую стадию и стадию разрушения.

3. Установлено, что смещение горизонтальной оси гексагональных отверстий в стенках главных балок вверх относительно горизонтальной оси главных балок приводит к увеличению на 17% несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками.

4. Несущая способность сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками увеличивается на 4% при размещении поперечных ребер жесткости над верхними углами отверстий в зонах максимальных локальных напряжений в балках и при их жестком креплении непосредственно к верхним полкам.

5. Рассчитан диапазон оптимальных коэффициентов раскроя прокатных двутавров, для изготовления сквозных балок пролетных строений мостов, который находится в пределах 1,4+1,5.

6. Установлено, что минимальное расстояние между отверстиями в сквозных балках, изготовленных путем раскроя прокатных двутавров, не должно быть меньше 80-400 мм.

Достоверность полученных результатов подтверждена:

- использованием сертифицированных аппаратно-программных средств, а в качестве регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов;

- тщательной методической проработкой вопроса регистрации и обработки значений относительных прогибов и деформаций первичными датчиками и регистрирующим оборудованием, а также учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

- тестированием созданных расчетных систем на известных задачах близкой топологии и имеющих аналитические решения, выполненные другими авторами и получившие всеобщее признание.

Практическая значимость результатов работы:

1. Выявлены дополнительные резервы повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

2. В численном эксперименте создана расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сквозных балок.

3. Разработаны рекомендации по критериям оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении моностальных и бистальных сквозных балок.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению Барнаульским филиалом ОАО «ГипродорНИИ», ЗАО «Горно-Алтайдорпроект» и другими организациями. Исследования, приведенные в диссертационной работе, для совершенствования конструкций пролетных строений малых и средних мостов, являются основанием для внесения дополнений и изменений в существующие нормы проектирования сталежелезобетонных конструкций.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов», Йошкар-Ола, 2004;

- Всероссийской научно-практической конференции «Инновации,

качество, образование - перспектива развития дорожного комплекса России», Барнаул, 2007;

- 65-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2008;

- юбилейной Международной научной конференции VSU'2008, Болгария, София, 2008;

- семинаре кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» ТГАСУ, Томск, 2009;

- объединенном семинаре кафедр СГУПС, Новосибирск, 2010,

По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей и 3 - патента.

На защиту выносятся:

1. Результаты численных и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками и железобетонной плитой на металлическом поддоне.

2. Расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности балок со сквозной стенкой.

3. Критерии оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении сквозных моностальных и бистальных балок.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, актов использования результатов работы, приложения. Объем основного текста - 143 страницы, включая 81 рисунок, 12 таблиц. Объем приложения - 129 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен исторический обзор состояния данного вопроса в нашей стране и за рубежом.

Рассмотрены технологии изготовления и примеры использования сквозных балок в транспортном строительстве. Представлено технико-экономическое сравнение различных конструкций балок пролетных строений мостов. Дана оценка результатов проведенных исследований с точки зрения обоснования методического подхода к изучению напряженно-деформированного состояния балок со сквозной стенкой.

Начало целенаправленных исследований сквозных балок приходится на рубеж 50-60-х годов прошлого столетия и связано в нашей стране с работами В.В. Козлякова, В.В. Холопцева, М.Т. Беседина,

В.М. Бондаренко и ряда зарубежных авторов, среди которых J.E. Gibson, F.I. Faltas, М.М. Hrabok, Z.M. Shoukxy.

Академик Н.П. Мельников показал, что балки со сквозной стенкой являются перспективными конструктивными формами и требуют основательной научно-технической разработки. Основной вклад в изучение напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных пролетных строений внес H.H. Стрелецкий.

Повышение эффективности, поиски скрытых резервов несущей способности таких конструкций связанны с работами В.В. Бирюлева, В.М. Добрачева, М.М. Копытова, В.Н Ворожбянова, B.C. Данкова. Вопросы надежности искусственных сооружений и строительных конструкций отражены в работах С. А. Бокарева, В.М. Картопольцева, A.B. Картопольцева, П.П. Ефимова, Л.И. Иосилевского, А.Г. Боровикова, К.Б. Бобылева, В.И. Кулиша, A.B. Смирнова и др.

Конструктивная форма и особенности работы балок со сквозной стенкой предопределили три основные расчетные модели:

1. Тонкостенную балку, содержащую систему регулярно расположенных отверстий. Модель приближенно описывает работу сквозной балки и используется для приближенных расчетов. В исследованиях многих авторов отсутствует связь между компонентами напря-женно-деформировандаго состояния и геометрическими параметрами перфорации.

2. Составную балку с дискретными связями поясов. Оценка напряженно-деформированного состояния сквозной балки представлена по теории Ржаницына в виде составного стержня с дискретными связями поясов.

3. Безраскосную ферму типа Виренделя. Исследователями разработана методика расчета сквозных балок. Численная реализация этой расчетной модели достигается методами строительной механики и теории упругости на основе метода сеток или метода конечных элементов.

На основании ретроспективного анализа и проведенного обзора литературы, свидетельствующих об экономической эффективности и целесообразности применения балок со сквозной стенкой в современной строительной практике, можно сделать вывод, что практически не рассмотрены вопросы совместной работы сквозных балок с другими элементами конструкций, прежде всего с плитой проезжей части пролетных строений мостов.

Во второй главе приведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния моностальных и бистальных балок. Рассмотрены основные положения и законы линейной и нелинейной теории изгиба, предельные состояния стальных балок со сквозной стенкой, освещены упругопластические геометрические характеристики приведенного сечения и прогибы от нагрузки.

При исследовании упруго-пластического изгиба моностальных и бистальных балок экспериментальными исследованиями установлено, что остаточные деформации появляются при напряжениях, превышающих предел текучести при осевом растяжении на 1(Н20%.

Эффект задержки деформаций в бисталежелезобетонных сквозных балках проявляется в большей мере, чем в моносталежелезобетонных. Пластические деформации начинают развиваться в крайних фибрах сквозных балок, но в бистальных балках образованию пластических деформаций в крайних волокнах стенки препятствуют - упругое ядро стенки и упругое состояние поясов.

Одним из факторов, определяющих прочность конструкций, является способность материалов к упруго-пластическому деформированию. Зависимость этого процесса представлена графиком с (б).

Так как расчет бистальных балок производится по критерию максимальной пластической

деформации е""* = 0,0025, то необходимо рассматривать диаграмму <7-8 в интервале

е. зону 2

(рис. 1).

При упругой работе нижнего пояса бистальных балок несимметричного сечения:

кст = кст -Щ-, (1)

т уп.пя / ту ст \2

6>75 (Куп.т )

При упруго-пластической работе нижнего пояса:

Г = я Г + —-г'

6,75 (Д")2

где [{"Ц - расчетное сопротивление стали стенки; Нс™ - предел

текучести стали стенки; - расчетное сопротивление стали пояса;

Анализ приведенных теоретических исследований показал, что для проведения расчетов конструкций, в составе которых применяются бистальные сквозные балки, объединенные с железобетонной плитой, воспользоваться результатами известных научных исследований не представляется возможным, поскольку такие исследования в достаточной полноте и законченности не проводились. С целью выявления закономерностей в поведении диаграммы деформирования и уточнения локализации областей упрочнения сквозных балок в упругой и упруго-пластической стадиях работы необходимо в численном эксперименте смоделировать адекватную расчетную модель.

Третья глава посвящена вопросам создания расчетной схемы и численному моделированию работы балок со сквозной стенкой с железобетонной плитой на металлическом поддоне. Обоснован подход в дискретизации расчетных моделей пролетных строений и число пластинчатых конечных элементов, необходимых для получения приемлемой точности расчета.

Поскольку интерес расчетной задачи сконцентрирован на наиболее деформируемых элементах модели, то для получения максимально возможной точности расчетов главные балки, металлический поддон и железобетонная плита были разбиты на пластины, а поперечные связи и опорные ребра жесткости представлены в виде стержней.

На первом этапе

моделирования была сгенерирована расчетная схема стержневой структуры (элементы длиной 5-10см) с размерами, аналогичными экспериментальным моделям (рис.2).

Рис. 2. Расчетная схема стержневой структуры

По первой группе предельных состояний процент использования сечения по нормальным напряжениям, при нагрузке на модель 12 т для балок, из стали С-255 остается в пределах допустимого. В то же время прогиб составил 19 мм, что превышает нормативное значение.

Для перехода к пластинчатой расчетной схеме была смоделирована геометрия соединения верхней и нижней полок балок со стенкой. Численными расчетами получено её имитирующее сечение с размерами пластины, равными 8* 8мм, при котором величины прогибов равны значениям прогибов, полученным для балки БЗО-1 стандартного сортамента. Результат позволил перейти к созданию расчетной схемы с балками, выполненными из пластин.

Для этих целей сквозные балки были разбиты на пластины с размерами 6*6см, между собой балки соединялись связями - тремя стержнями (рис.3).

Рис. 3. Расчетная схема пластинчатого типа

При нагрузке на модель 12 т нормальные напряжения в верхнем и нижнем поясах балок симметричны относительно оси балки и достигают своего максимального значения (141 МПа) в середине балок.

Для дальнейшего анализа были выполнены расчеты для модели со сквозными балками, но без поддона (рис. 4). В этой конструкции, как и в представленных ниже «металлической» и «сталежелезобетонной»

моделях, наиболее

напряженный участок - левый нижний угол чевертого от края балки отверстия (134 МПа). В нижней полке балки нормальные продоль-ные напряжения не превысили ПОМПа.

Рис. 4. Расчетная схема модели без поддона

По сравнению с моделью, выполненной из стандартных балок БЗО-1, модель из пластин со сквозными балками обладает меньшими прогибами: от собственного веса - на 18 %, от нагрузки - на 22 %.

Далее созданы расчетные схемы моделей, первая из которых в описании эксперимента имеет название «металлическая модель». Модель состоит из модели, показанной на рис. 4, с дополненным металлическим поддоном из листа толщиной 5 мм и опорными ребрами жесткости, выполненными из уголка 63x63x5 мм (рис.5).

Продольные напряжения больше, чем в предыдущем случае, и достигают своего максимального значения - 140 МПа.

Рис. 5. Вид расчетной модели с поддоном

По сравнению с моделью, состоящей из сквозных балок без поддона, модель с поддоном имеет на 60% больший прогиб от собственного веса и меньший прогиб от нагрузки - на 46%.

Заключительный этап создания расчетной модели - заполнение поддона бетоном («сталежелезобетонная модель»). Для этой цели была сгенерирована плита толщиной 10 см из прямоугольных пластин. В бетонную плиту сгенерирована противоусадочная сетка из арматуры диаметром 6 мм с размером ячейки 20x20 см (рис. 6).

Продольные напряжения меньше, чем в предыдущем случае и составили 115 МПа.

Рис. 6. Вид расчетной модели с поддоном и бетоном

Расчеты показали, что грузоподъемность модели с металлическим поддоном возрастает на 45 % по сравнению с моделью без поддона, а

грузоподъемность «сталежелезобетонной модели» на 82 % выше, чем для модели без поддона.

В результате численных исследований получена адекватная расчетная модель, позволяющая обоснованно решать задачи моделирования в целях совершенствования конструкции сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами экспериментальных исследований в дальнейшем позволят сделать выводы об оптимальных геометрических характеристиках перфорации балок.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния пролетных строений со сквозными балками и железобетонной плитой проезжей части.

Рис. 7. Фрагмент модели пролетного строения

Модели выполнены из двух главных балок, объединенных металлическим поддоном толщиной 5мм. Балки, расстояние между которыми 1,4 м, изготовлены путем развития двутавра БЗО-1 до высоты 0,48 м, коэффициент роспуска - 1,6. Полная длина моделей 6,12 м. Отверстия перфорации шестиугольные. Поверх поддона, поперек плиты, приварены ребра жесткости из уголка 63*63><5мм для обеспечения поперечной жесткости и объединения железобетонной плиты, шаг ребер принят 0,375м. В опорных сечениях и в середине пролета сквозные балки объединены поперечными связями из швеллера № 20 (рис. 7).

13

Две модели пролетного строения были выполнены в моностальном варианте: при изготовлении одной модели использовалась сталь марки 09Г2С-12 (С-345), при изготовлении второй - ВСтЗпс5 (С-255). Третья модель выполнена в бистальном варианте из тех же марок сталей.

Рис. 8. Общий вид модели, подготовленной к испытанию

Испытания проводились на площадях экспериментального центра ТГАСУ. На стенки сквозных балок и металлический поддон в середине и четверти пролета, на опорных участках, а также по углам перфораций балок в виде розеток наклеивались тензорезисторы (рис. 8). Измерения деформаций фиксировались тегоометрической станцией на базе ИВК MIC 400.

На первом этапе испытаний исследовалось напряженно-деформированное состояние сквозных балок «металлической модели» с приложением нагрузки на расстоянии 0,65 м в каждую сторону от середины пролета балки. В продольном направлении нагрузка прикладывалась по осям главных балок.

Рис. 9. Общий вид «металлической» и «сталежелезобетонной» модели пролетного строения

На втором этапе исследовалась «сталежелезобетонная модель», когда поверх ребер жесткости, приваренных к поддону, укладывалась арматурная сетка из проволоки сечением 6 мм, и производилось бетонирование плиты проезжей части бетоном класса В35 (рис. 9). Схема загружения - аналогична первому этапу испытаний.

В ходе проведения исследований выполнены измерения относительных прогибов и деформаций моделей при действии статических нагрузок. Для равномерного увеличения прикладываемой нагрузки на модели пролетных строений использовалась насосная станция НС-400 и домкраты типа ДГ-100. Шаг нагрузки принят равным 3 тонны.

Модель пролетного строения, выполненная в бистальном варианте, при проведении испытаний была доведена до разрушения.

На графике (рис. 10) нелинейный участок зависимостей начинается при нагрузке 12 т на одну балку. Причем ход зависимостей для 1 и 2 циклов существенно отличаются на участке от 18 до 25 т, что связано с явлением упрочнения металла в локальных участках испытуемых балок за первый цикл измерений. При нагрузке более 25 т на балку во время проведения второго цикла измерений произошло разрушение модели.

Рис. 10. Зависимость относительного прогиба от нагрузки в середине (сплошные линии) и в четверти (пунктирные линии) балок: 1 - цикл измерений без разрушения модели, 2 - цикл измерений с разрушением модели.

>§ 15

ч

- 1 / /

, г

9 12 15 18 нэфузка на балку, т

Экспериментальные комплексные исследования выявили характерные особенности работы натурных моделей пролетных строений. Полученные результаты подтвердили расчетные параметры, характеризующие напряженно-деформируемое состояние сквозных балок с железобетонной плитой на металлическом поддоне. Изменение конструктивных особенностей расчетной модели в численном моделировании

позволяет определить дополнительные резервы повышения несущей способности балок со сквозной стенкой.

В пятой главе сопоставлены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования, приведены критерии оптимального раскроя балок пролетных строений.

Сопоставительный анализ результатов экспериментальных исследований и численного моделирования показывает, что отклонения расчетных и экспериментальных данных соответствует границам статистически оцененных доверительных интервалов: по прогибам в пределах ±5%, по напряжениям в пределах ±15%.

Дальнейшее развитие идеи численного моделирования связано с поиском оптимальных геометрических характеристик гексагональных отверстий в балке и оптимального смещения оси этих отверстий относительно оси балки.

На графике (рис. 11) приведены результаты численных расчетов прогиба главных балок расчетных моделей, которые указывают на значительное увеличение жесткости моделей из балок со сквозной стенкой по сравнению с моделью из балок со сплошной стенкой. Причем запас по нормативному прогибу сталежелезобетонной модели настолько высок, что не позволяет использовать этот критерий в качестве оценки допустимой предельной нагрузки для такой конструкции.

2 -4

ю" £

о.-6

-10

1с ¿с Зс I.

2

1

Рис. 11. Линии прогиба нижней полки балок расчетных моделей от нагрузки 6 т на балку (1-3) и от собственного веса (1с-3с).

1, 1с - модель без поддона;

2, 2с - металлическая модель; 3, Зс - сталежелезобе-тонная модель.

3

X, м

Изополя напряжений в стенке балки при нагрузке 6 т на балку (рис. 12) показаны для половины балки, поскольку изополя симметричны относительно середины балки. Для модели без поддона (рис. 12, Ь) локальные напряжения сосредоточены по диагоналям вокруг гекса-

тональных отверстий, верхний и нижний пояса балок загружены симметрично, но с противоположными знаками.

Причем для варианта сталежелезобетонной модели (рис. 12, с) верхний пояс балки значительно разгружен по сравнению с нижним поясом за счет включения в работу железобетонной плиты. Вместе с тем неоднородность локальных напряжений в стенке балки более значительна по сравнению с распределением напряжений в нижней полке и достигает пиковых значений в 115 МПа (рис.13). Достижение предела текучести в нижнем поясе стенки балки должно возникнуть при нагрузке 15 т, что согласуется с экспериментальным результатом, представленным на рис. 10. Именно с возникновением этих напряжений связана неустойчивость конструкции в целом.

•Ml Iii -М IB -47 23 -I« 14 а « ?» ** И/ »4» .ы» ■»■*»■*■» -и ч я « к К W Ш

Рис. 12. Изополя продольных нормальных напряжений (в МПа) в Уг-стенке балки моделей при нагрузке 6 т на балку: а) балка Б30-1, Ь) модель без поддона, с) сталежелезобетонная модель, ф модель численного моделирования

Повысить несущую способность пролетного строения, состоящего из сквозных балок, объединенных с железобетонной плитой на металлическом поддоне, можно, разгрузив нижний пояс балок, за счет смещения оси отверстий вплотную к верхнему поясу. Такая модель в комплексном эксперименте не исследовалась, но была смоделирована на основе уже созданной адекватной расчетной модели.

На рис. 12, (1 и рис. 13 приведены результаты расчета модели численного моделирования. В этом случае локальные напряжения в стен-

ке сквозной балки снизились на 17% и уменьшилась общая неоднородность распределения напряжений в пределах стенки.

Рис. 13. Линии продольных нормальных напряжений в нижнем поясе стенки балок расчетных моделей от нагрузки 6 т на балку (1-3) и от собственного веса (1с-Зс): 1, 1с - модель без поддона; 2, 2с - сталежелезо-бетонная модель; 3, Зс - модель численного моделирования

Развитие этой идеи позволило смоделировать оптимальное размещение поперечных ребер жесткости - когда часть ребер жесткости размещается над верхними углами отверстий. Такое дополнение увеличивает несущую способность конструкции на 4 %, в случае когда выполнено условие смещения оси отверстий вверх.

Руководствуясь принципом выравнивания нормальных напряжений, выполнено численное исследование сквозных балок с железобетонной плитой и установлено, что оптимальный коэффициент раскроя прокатных двутавров находится в диапазоне 1,4-И,5.

Заключительным этапом был поиск оптимального расстояния между отверстиями. Критерием служил принцип выравнивания напряжений в средних углах отверстий балки. В результате установлено, что расстояние между отверстиями в балках, изготовленных путем раскроя двутавров, не должно быть меньше 80+100 мм.

Дальнейшее численное исследование работы сталежелезобетон-ной модели пролетного строения связано с воздействием нормативных нагрузок. В соответствии с геометрическими характеристиками были построены две расчетные модели: первая - двухмодульная на автомобильную нагрузку АК, вторая - трехмодульная на тяжелую одиночную колесную нагрузку НК. Нагрузки размещались симметрично относительно середины пролетных строений.

Результаты выполненных расчетов прогибов двухмодулыюй и трехмодульной моделей пролетного строения мостов с учетом собст-

венного веса конструкции, веса одной двухосной тележки и веса нагрузки, равномерно распределенной по колее вдоль пролета, показаны на рис. 14, 15 (площадки, воспринимающие давление от колес тележки, показаны красным цветом).

а).........

—- ■ ч I I I 1 I -1

-в.109 -6.817 -5.46Э -4.090 -2.727 -1.Э8Э -0.002 0.002 0.164

Рис. 14. Изополя прогибов двухмодульной (а) и трехмодульной (б) модели при воздействии автомобильных колесных нагрузок АК, мм

Максимальные прогибы наиболее нагруженных внутренних балок двухмодульной и трехмодульной моделей при воздействии нагрузки АК не превышают нормативный, что представлено на рис. 14.

Максимальные продольные напряжения в двухмодульной модели (продольные в стенке балки) не превышают 182 МПа и локально сосредоточены в углах крайнего левого отверстия. Продольные напряжения, создаваемые только собственным весом конструкции, составили 31 МПа. В целом, при использовании сквозных балок, выполненных из стали С-255, двухмодульная модель выдерживает нормативную автомобильную колесную нагрузку АК.

Максимальные продольные напряжения, локализованные в нижних углах четвертого слева отверстия третьей и четвертой балок трехмодульной модели, для нагрузки АК составили 213 МПа, что меньше расчетного сопротивления для стали С-255. Трехмодульная модель также выдерживает нормативную нагрузку АК.

Рис. 15. Изополя прогибов трехмодульной модели при воздействии тяжелой одиночной автомобильной нагрузки НК, мм

Прогибы трехмодульной модели пролетного строения при воздействии нагрузки НК (рис. 15) не превышают нормативный - 15 мм. Вместе с тем максимальные продольные напряжения в стенке второй и пятой балок модели при воздействии тяжелой автомобильной нагрузки

НК составили 268 МПа, что больше расчетного сопротивления для стали С-255 (рис16). Перегрузка составила 14%. 1 | ,| , , I I I I , —и Рис. 16. Изополя

-ai.009 -223 092 -179.473 -133.65! -99.237 -44.819 -2.W7 2.607 44.819 В8.237 1ЭЗЛ55 179.473 223JJ92 «7.979

продольных напряжений в Vi-балки (2 и

^ ___5-я балки) трех-

Jwt<\ W'v' a модульной модели

{щ^ЁУ?!) jxfy \ ^ при воздействии наг-

^^ÙtmsÊÊÈÊ^^ рузки НК, МПа

Путем численного моделирования оптимизированы балки пролетного строения. Смоделирована балка с 13-ю отверстиями, каждое высотой 270 мм, коэффициент раскроя двутавра Б30-1 - 1,45, причем ось отверстий смещена к верхнему поясу, а часть поперечных ребер жесткости размещена над верхними углами отверстий.

Рис. 17. Изополя продольных напряжений в /4-балки (2 и 5-я балки) трех-модульной оптимизированной модели при воздействии нагрузки НК, МПа

В результате выполненных расчетов максимальные прогибы оптимизированной конструкции, как и раньше, не превысили нормативного значения для обоих ввдов нагрузки. А сопоставление изополей (рис. 16, 17) показывает, что результирующие напряжения для воздействующей нагрузки АК снизились на 45 % (147 МПа и 213 МПа), для нагрузки НК на 22 % (220 МПа и 268 МПа), что свидетельствует о достаточной несущей способности трехмодульной модели пролетного строения.

Эффект уменьшения продольных напряжений достигнут в усовершенствованной модели за счет перераспределения этих напряжений на поперечные и касательные без каких-либо дополнительных затрат металла на изготовление.

Приведенные в настоящей работе численные и экспериментальные исследования позволяют наметить пути оптимизации и экономической эффективности конструкций пролетных строений мостов с точки зрения получения новых конструктивных решений.

Заключение

1. На основе выполненного численного моделирования получена адекватная расчетная модель, позволяющая определить основные критерии повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками.

2. Экспериментальные комплексные исследования подтвердили расчетные параметры, характеризующие напряженно-деформируемое состояние сквозных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

3. Результаты проведенных численных и натурных экспериментальных исследований согласуются в пределах доверительных интер- валов: по прогибам в пределах ±5%, по напряжениям в пределах ±15%,

т.е. соответствуют границам статистически оцененных доверительных интервалов измерений.

4. Разработанные критерии оптимального раскроя прокатных двутавров позволяют повысить несущую способность пролетных строений на 17%, а жесткость на 37% при исходной металлоемкости конструкции.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Балашов, Е.В. К вопросу исследования напряженно-деформированного состояния совместной работы сквозных балок с железобетонной плитой на металлическом поддоне / В.М. Картопольцев, Е.В. Балашов // Вестник ТГАСУ. - 2004. - № 1. - С. 169-178.

2. Балашов, Е.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сквозных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне / Е.В. Балашов, М.В. Пиряев // Вестник ТГАСУ. - 2006. - № 1. - С. 107-111.

3. Балашов, Е.В. Экспериментальные исследования колебательного процесса модели бисталежелезобетонного пролетного строения при работе материала в упругой и упруго-пластических стадиях /

А.В. Картопольцев, Е.В. Балашов, М.В. Пиряев, Н.Н. Бочкарев // Вестник ТГАСУ. - 2007. -№ 1. - С. 228-235.

4. Балашов, Е.В. К вопросу экспериментального исследования сквозных моностальных и бистальных балок пролетных строений мостов с железобетонной плитой на металлическом поддоне / Е.В. Балашов // Дороги и Мосты. - Москва, 2006. - № 15/1. - С. 99105.

5. Балашов, Е.В. Применение стальных балок со сквозной стенкой в пролетных строениях автодорожных мостов / Е.В. Балашов, М.В. Пиряев И Пътаща (Болгария). - 2004. - № 3. - С. 20-25.

6. Балашов, Е.В. Качественный подход к исследованию напряженно-деформированного состояния сквозных моностальных и бистальных балок пролетных строений мостов с железобетонной плитой на металлическом поддоне / Е.В. Балашов // Инновации, качество, образование - перспектива развития дорожного комплекса России: материалы Всероссийской науч.-практич. конф. 2-5 апр. 2007 г., г. Барнаул. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2007. - Ч. 1. С. 141-148.

7. Балашов, Е.В. Моделирование работы сквозных балок пролетных строений с железобетонной плитой на металлическом поддоне / Е.В. Балашов, Н.Н. Бочкарев // Актуальные проблемы строительной отрасли : материалы Всероссийской 65-ой науч.-технич. конф. НГАСУ (Сибстрин). 2008 г., г. Новосибирск. - Новосибирск : Изд-во НГАСУ, 2008. - С. 174-175.

8. Пат. 56411 Российская Федерация МПК 7Е01Д1/00. Пролетное строение моста / А.Г. Боровиков, В.М. Картопольцев, Е.В. Балашов, М.В. Пиряев. - №2006111828 ; заявл. 10.04.06 ; опубл. 10.10.06, Бюл. №11- Зс.

9. Пат. 69875 Российская Федерация МПК 7Е01Д1/00. Пролетное строение моста / Е.В. Балашов, Н.Н. Бочкарев. - №2007134671 ; заявл. 17.09.07 ; опубл. 10.01.08, Бюл. №1 - 3 с.

10. Evgenii V. Balashov. Investígatíon is intense-deformed status of through monosteel and hybrid steel girders the bridge superstructuras with a ferro-concrete píate on the metal pallet / Evgenii V. Balashov, Nikolai N. Bochkarev // International Conference VSU\ 29-30 may 2008., Sofía, Bulgaria. - Sofía : «L. Karavelov» Civil Engineering Higher School Sofía, 2008. - P.II-126-II-132.

Подписано в печать 22.04.2010. 1,5 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 2196 Отпечатано с готового оригинала-макета в издательстве ТГАСУ. 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ СО СКВОЗНЫМИ ВАЛЬСАМИ

1.1. Исторический обзор литературы и состояние вопроса.

1.2. Существующее разнообразие балок со сквозной стенкой, технология их изготовления и применение в транспортном строительстве.

1.3. Анализ исследований напряженно-деформированного состояния сквозных балок.

1.4. Краткие выводы.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СКВОЗНЫХ МОНОСТАЛЬНЫХ И БИСТАЛЬНЫХ БАЛОК.

2.1. Основные положения теории упругого и упруго-пластического изгиба.

2.2. Предельные состояния балок со сквозной стенкой, работающих совместно с железобетонной плитой.

2.3. Упруго-пластическая работа сквозных балок.

2.4. Упругопластические геометрические характеристики приведенного сечения.

2.5. Определение прогибов балок приведенного сечения.

2.6. Краткие выводы.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СТАЛЕЖЕЛЕ

ЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ СО СКВОЗНЫМИ БАЛКАМИ.

3.1. Численный метод моделирования расчетных моделей.

3.2. Стадии численного исследования.

3.2.1. Обоснование расчетной схемы численного исследования.

3.2.2. Численное исследование сквозных балок, объединенных с железобетонной плитой на металлическом поддоне.

3.3. Численное исследование напряжений в характерных сечениях расчетных моделей.

3.4. Краткие выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕ-ЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ СО СКВОЗНЫМИ БАЛКАМИ.

4.1. Цели и задачи исследования.

4.2. Методика экспериментальных исследований.

4.2.1. Моделирование и назначение размеров основных элементов балок.

4.2.2. Планирование эксперимента.

4.2.3. Параметры опытных конструкций-моделей.

4.2.4. Этапы экспериментальных исследований, приборы и их размещение.

4.3. Оценка случайной погрешности измерений прогибов.

4.4. Оценка случайной погрешности измерений деформаций.

4.5. Результаты экспериментальных исследований.

4.6. Краткие выводы.

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ.

5.1.Сравнительный анализ результатов численных и экспериментальных исследований.

5.2.Оптимизация геометрических характеристик перфорации балок сталежелезобетонных пролетных строений мостов.

5.3.Численное исследование работы сталежелезобетонной модели пролетного строения при воздействии нормативных нагрузок. 125 5.4. Краткие выводы.

Состояние научной проблемы и актуальность темы

Технический уровень существующих автомобильных дорог и искусственных сооружений в Российской Федерации, в том числе в Республике Алтай, особенно в Улаганском и Усть-Коксинском районах, не соответствует современным, а тем более перспективным требованиям: из 2871 км территориальных дорог республики, дороги III категории составляют 7% (203 км), IV - 22% (651 км), V - 51% (1458 км), вне категорий - 20% (559 км). На территории республики эксплуатируется 384 моста длиною 8206,5 п.м, из них 58 % (221 мост) — деревянные. Более 25% мостов находится в аварийном или неудовлетворительном состоянии. Развитие сети автомобильных дорог, представляющих единственные пути сообщения в республике, является основой для самостоятельного становления Республики Алтай в условиях формирования рынка как субъекта в составе Российской Федерации.

Разработка и применение экономически оправданных и технически эффективных конструкций мостов является одним из актуальных путей улучшения транспортного состояния Республики Алтай и районов России с малоразвитой сетью автомобильных дорог.

Повышение эффективности использования металла в работе изгибаемых элементов, еще в первых десятилетиях XX века привело к оригинальной идее, позволяющей расширить диапазон использования проката. Стенка прокатного двутавра разрезается по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом с помощью газовой резки или на мощных прессах, и затем обе половины разрезанной балки соединяются сваркой в совмещенных между собой выступах стенки. Конечный результат приводит к увеличению высоты балки и позволяет перераспределить материал сечения, концентрируя его ближе к периферийным волокнам — полкам, и, существенно повышая такие геометрические характеристики сечения, как момент инерции и момент сопротивления. Образуется своеобразная конструктивная форма — балка с перфорированной стенкой (балка Фалтуса).

Изменение высоты исходного сечения в полтора раза, повышает примерно во столько же, его момент сопротивления, и почти вдвое — момент инерции, с учетом применения сталей различной прочности. Малоиспользуе-мая часть сечения стенки в центральной зоне как бы изымается на 35-ь40 % материала стенки, что для балок не представляет какой-либо опасности. Расход металла в таких балках на 20+-30 % меньше, чем в обычных прокатных балках, при одновременном снижении стоимости на 10-48 %. Дополнительные затраты труда на разрезку и сварку исходного проката невелики, и в сравнении со сварными двутаврами по трудоемкости изготовления, сквозные балки на 25-К35% эффективнее за счет сокращения объема сварки и меньшей трудоемкости операций обработки. В сравнении с железобетонными пролетными строениями по показателю транспортных расходов, сталежелезобетон-ные балочные мосты со сквозной стенкой эффективнее на 25-30 %.

Дополнительный экономический эффект при использовании пролетного строения, в котором сквозные балки объединены с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне получен за счет сокращения сроков строительства. С точки зрения эксплуатационных характеристик, исследуемая конструкция пролетного строения эффективна тем, что монтаж такого пролетного строения ведется в любое время года и сразу может быть открыта ограниченная временная эксплуатация по деревянному настилу, до наступления температур, допускающих укладку бетона.

Разработка новых конструкций сквозных балок предъявляет к ним повышенные требования. В настоящее время проектирование не удовлетворяет в полной мере возросшим требованиям к созданию оптимальных металлических конструкций, например минимальному весу и повышению показателей надежности, что особенно заметно на примере балок с перфорированной стенкой (сквозные балки), показатели качества которой, начиная с начала 70х годов прошлого столетия, по существу, не улучшались. Ситуация осложняется отсутствием единого научно-обоснованного подхода к проектированию и учету совместной работы сквозных балок с другими конструкциями. Существующие методы расчета стальных стержневых элементов на прочность и устойчивость недостаточно полно отражают действительные условия работы сквозных балок в составе комбинированных конструкций, поэтому совершенствование методов их расчета становится актуальной задачей.

Появление компьютеров и автоматизация метода конечных элементов позволяют выявить напряженно-деформированное состояние балок со сквозной стенкой, в том числе при их работе в составе комбинированных конструкций, реализовав расчетную модель в форме непрерывной сетки плоских прямоугольных и треугольных конечных элементов.

Однако большинство теоретических и численных модельных исследований, выполненных в прошлом веке, базируется на упрощенных расчетных моделях, позволяющих раскрыть скорее качественные и в меньшей степени количественные характеристики напряженно-деформированного состояния балок со сквозной стенкой, что затрудняет использование полученных результатов для практических целей. При изучении работы комбинированных балок в составе пролетных строений мостов игнорируется многосвязность систем и вытекающая отсюда неоднозначность интерпретации напряженно-деформированного состояния конструкции в целом.

Особенностью комбинированных сталежелезобетонных конструкций с применением сквозных балок, например, конструкции перекрытий с железобетонными плитами, или мостовых конструкции состоит в том, что в этих случаях в работу верхнего пояса балок включается железобетонная плита.

Действующие нормативные документы не содержат расчета указанных конструкций, где в качестве главных балок применяются сквозные балки. Таким образом, актуальность исследования сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками обусловлена необходимостью совершенствования конструкции и исследования напряженно-деформированного состояния сквозных балок на основе численного моделирования и экспериментальных испытаний моделей в натуральную величину.

В диссертационной работе представлены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния при статическом на-гружении пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бис-тальными балками. Проведено сопоставление результатов численного моделирования методом конечных элементов с экспериментальными данными. Обсуждаются особенности прочности, устойчивости и практической конструктивной оптимизации балок исследованных моделей.

Объект и предмет исследования

Объект исследования — пролетные строения мостов со сквозными моностальными и бистальными балками, объединенными с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

Предмет исследования - совершенствование конструкций и напряженно-деформируемого состояния объектов исследования.

Целью работы является совершенствование конструкций сталежелезо-бетонных пролетных строений со сквозными балками на основе изучения особенностей совместной работы балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи исследований:

1. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния сквозных моностальных и бистальных балок, объединенных с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне;

2. Проведены комплексные экспериментальные исследования пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками;

3. Сопоставлены результаты численных исследований с данными натурных экспериментальных испытаний объектов исследований, и на их основе оптимизирована расчетная модель;

4. Получены критерии повышения несущей способности сталежелезобе-тонных пролетных строений мостов на основе оптимального раскроя прокатных двутавров, для изготовления сквозных балок, и их упруго-пластической работы.

Методы исследования

В работе использованы положения теории упругого и упругопластиче-ского состояния сквозных моностальных и бистальных балок, линейного и нелинейного законов деформирования различных материалов, включая создание адекватных расчетных моделей, а также численное моделирование конкретных задач методом конечных элементов. Экспериментальные методы включали многопозиционные измерения амплитудных значений относительных прогибов, и возникающих напряжений в пролетных строениях, а таюке методы математической статистики при обработке результатов измерений.

Научная новизна работы

На основе расчетной модели численного моделирования и результатов комплексных экспериментальных исследований выявлены критерии увеличения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками двутаврового сечения.

Конкретные научные результаты состоят в следующем:

1. Выполнены и проанализированы комплексные экспериментальные исследования натурных моделей пролетных строений, состоящих из сквозных моностальных и бистальных балок.

2. Выявлены локальные зоны перехода объектов исследования в упруго-пластическую стадию и стадию разрушения.

3. Установлено, что смещение горизонтальной оси гексагональных отверстий в стенках главных балок вверх относительно горизонтальной оси главных балок приводит к увеличению на 17% несущей способности стале-железобетонных пролетных строений со сквозными балками.

4. Несущая способность сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками увеличивается на 4% при размещении поперечных ребер жесткости над верхними углами отверстий в зонах максимальных локальных напряжений в балках и при их жестком креплении непосредственно к верхним полкам.

5. Рассчитан диапазон оптимальных коэффициентов раскроя прокатных двутавров, для изготовления сквозных балок пролетных строений мостов, который находится в пределах 1,4-4,5.

6. Установлено, что минимальное расстояние между отверстиями в сквозных балках, изготовленных путем раскроя прокатных двутавров, не должно быть меньше 80-400 мм.

На защиту выносятся

1. Результаты численных и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками и железобетонной плитой на металлическом поддоне.

2. Расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

3. Критерии оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении сквозных моностальных и бистальных балок.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается:

1. Обоснованностью физических и теоретических предпосылок, использованных для определения напряженно-деформированного состояния сквозных балок, которые характеризуют процесс их работы в составе пролетного строения с железобетонной плитой на металлическом поддоне.

2. Тщательной методической проработкой вопроса регистрации и обработки амплитудных значений относительных прогибов и деформаций датчиками, регистрирующим оборудованием и программными средствами, а также учетом возможных методических и экспериментальных ошибок.

3. Использованием сертифицированных аппаратно-программных средств, а в качестве регистрирующего оборудования — метрологически поверенных приборов.

4. Статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и хорошим соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.

5. Сравнением выводов, следующих из экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния пролетного строения, как единой конструкции.

6. В численном моделировании и расчетах - тестированием созданных расчетных пластинчато-стержневых систем на известных задачах близкой топологии и имеющих аналитические решения, выполненные другими авторами и получившие всеобщее признание.

Практическая значимость результатов работы:

1. Выявлены дополнительные резервы повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

2. В численном эксперименте создана расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сквозных балок.

3. Разработаны рекомендации по критериям оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении моностальных и бистальных сквозных балок.

Внедрение результатов

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению Барнаульским филиалом ОАО «Гипродорнии», ЗАО «Горно-Алтайдорпроект» и другими организациями. Исследования, приведенные в диссертационной работе, для совершенствования сквозных балок пролетных строений малых и средних мостов, являются основанием для внесения дополнений и изменений в существующие нормы проектирования сталежелезобетонных конструкций.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблеме совершенствования конструкций и исследований напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками, выполненных в период с 2002 г. по настоящее время на кафедре «Мосты и сооружения на дорогах» Томского государственного архитектурно-строительного университета (зав. кафедры, профессор, д.т.н. Картопольцев В.М.). Личный вклад автора состоит в следующем:

- проведен обзор литературы, свидетельствующий об экономической эффективности применении балок со сквозной стенкой в современной строительной практике;

- создана адекватная расчетная модель, позволяющая моделировать численные эксперименты в целях сопоставления их результатов с результатами экспериментальных исследований, а также обоснованно решать задачи моделирования в целях совершенствования сквозных балок;

- проведены комплексные экспериментальные исследования натурных пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками.

- выявлены локальные зоны перехода изгибаемых перфорированных двутавров в упруго-пластическую стадию и стадию разрушения при их совместной работе с железобетонной плитой на металлическом поддоне.

- сопоставлены результаты численного моделирования и результаты экспериментальных исследований.

- смоделирована расчетная модель, позволяющая определить критерии повышения несущей способности сквозных балок.

- выявлены дополнительные резервы повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками.

- разработаны рекомендации по критериям оптимального раскроя прокатных двутавров при изготовлении моностальных и бистальных сквозных балок.

Опубликованные по теме диссертации работы выполнены по инициативе и при непосредственном участии автора.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на: международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов», Йошкар-Ола, 2004; всероссийской научно-практической конференции «Инновации, качество, образование — перспектива развития дорожного комплекса России», Барнаул, 2007; 65-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2008; юбилейной Международной научной конференции У811'2008, Болгария, София, 2008; на семинаре кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» ТГАСУ, Томск, 2009; на объединенном семинаре кафедр СГУПС, Новосибирск, 2010.

По теме диссертационной работы опубликовано: 10 статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках; 6 тезисов докладов на отечественных и международных конференциях и семинарах; получено 3 патента.

Структура и объем диссертации: введение, пять глав, заключение, список литературы, акты использования и внедрения результатов работы, приложение. Объем основного текста (без приложений) - 143 страницы, включая 81 рисунок, 12 таблиц. Список использованных источников - 88 наименований. Объем приложения (отдельная книга) - 129 страниц.

Краткое содержание диссертации

Во введении содержится краткий анализ состояния проблемы. Сформулированы цели и задачи работы, обосновывается ее актуальность, раскрывается научная новизна и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе представлен исторический обзор состояния данного вопроса в нашей стране и за рубежом. Рассмотрены технологии изготовления и примеры использования сквозных балок в транспортном строительстве. •Представлено технико-экономическое сравнение различных конструкций балок пролетных строений мостов. Дана оценка результатов проведенных исследований с точки зрения обоснования методического подхода к изучению напряженно-деформированного состояния балок со сквозной стенкой.

Во второй главе приведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными моностальными и бистальными балками при совместной работе с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне. Последовательно рассмотрены следующие вопросы: основные положения и законы линейной и нелинейной теории изгиба; предельные состояния стальных балок со сквозной стенкой; коэффициенты, учитывающие упругопластическую работу бис-тальных сквозных балок; определение упругопластических геометрических характеристик приведенного сечения; определение прогибов от нагрузки.

Третья глава посвящена вопросам создания расчетной схемы и численному моделированию методом конечных элементов работы сквозных балок пролетных строений мостов с железобетонной плитой на металлическом поддоне. Приводится обоснование методического подхода в дискретизации расчетных моделей пролетных строений на ограниченное и достаточное для получения приемлемой точности расчета число пластинчатых треугольных и прямоугольных конечных элементов, необходимых для получения приемлемой точности расчета.

Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния пролетных строений мостов со сквозными балками и железобетонной плитой проезжей части приводятся в четвертой главе. Подробно рассмотрены методические вопросы постановки эксперимента с моделями, изготовленными в натуральную величину. Особое внимание уделено описанию приборной базы экспериментов и оценке случайной погрешности измерений. Основная часть результатов экспериментальных исследований, включая численный и графический материал измерения относительных прогибов и деформаций в различных сечениях экспериментальных моделей пролетных строений приводится в отдельной книге — Приложении к диссертационной работе.

В пятой главе, на основе разработанной и описанной в третьей главе адекватной расчетной модели, проведено сопоставление результатов численного моделирования с результатами экспериментальных исследований, представленных в четвертой главе и приложении. Путем решения модельных задач, при вариации конструктивными особенностями и деталями расчетных схем пролетных строений, выявлены дополнительные резервы для повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений мостов со сквозными балками. А также установлены оптимальные для несущей способности пролетного строения геометрические характеристики перфорации балок гексагональными отверстиями. Решение поставленной задачи выполнено на основе сравнительного анализа концентрации напряжений около гексагональных отверстий и местной устойчивости сквозной стенки балки.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Акты использования и внедрения результатов работы (2 документа) приводятся перед списком использованных источников, который включает 88 наименований.

В приложении, оформленном отдельной книгой, приводятся табличные и графические данные экспериментальных исследований и результаты их статистической обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе выполненного численного моделирования получена адекватная расчетная модель, позволяющая определить основные критерии повышения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений со сквозными балками.

2. Экспериментальные комплексные исследования подтвердили расчетные параметры, характеризующие напряженно-деформируемое состояние сквозных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне.

3. Результаты проведенных численных и натурных экспериментальных исследований согласуются в пределах доверительных интервалов: по прогибам в пределах ±5%, по напряжениям в пределах ±15%, т.е. соответствуют границам статистически оцененных доверительных интервалов измерений.

4. Разработанные критерии оптимального раскроя прокатных двутавров позволяют повысить несущую способность пролетных строений на 17%, а жесткость на 37% при исходной металлоемкости конструкции.

1. Беседин, М.Т. Балки из развитых прокатных двутавров с отверстиями в стенке / М.Т. Беседин // Сборник статей / Харьковский инженерно-строительный институт. — Харьков, 1962.— Вып. 19.

2. Бирюлёв, В.В. Проектирование металлических конструкций: Спец. курс / A.B. Сильвестров, В.В. Бирюлев, И.И. Кошин. — Л. : Стройиздат, 1990.-432 с.

3. Бирюлёв, В.В. Стальные неразрезные балки из сквозных двутавров /

4. B.В. Бирюлев, В.М. Добрачев // Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1978. -№ 11.-С. 7-11.

5. Бондаренко, В.М. Расчет стальных балок из разрезных прокатных двутавров с отверстиями в стенке / A.A. Любимов, П.И. Зайцев // Сборник статей / Харьковский инженерно-строительный институт. -Харьков, 1963. Вып. 25.1. C.19-25.

6. Боровиков, А.Г. Деформативность бистальных и бисталежелезобетон-ных балок под действием сосредоточенных сил / А.Г. Боровиков, В.М. Картопольцев. — Усть-Каменогорск: Усть-Каменогорский стр.-дорож. инст., 1987.-20 с.

7. Балашов, Е.В. Применение стальных балок со сквозной стенкой в пролетных строениях автодорожных мостов / Е.В. Балашов, М.В. Пиряев // Пътища (Болгария). 2004. - № 3. - С. 20-25.

8. Балашов, Е.В. К вопросу исследования напряженно-деформированного состояния совместной работы сквозных балок с железобетонной плитой на металлическом поддоне / В.М. Картопольцев, Е.В. Балашов // Вестник ТГАСУ. -2004.-№ 1.-С. 169-178.

9. Балашов, Е.В. Рациональные конструкции ортотропных плит в мостах малых пролетов / Е.В. Балашов // Актуальные проблемы строительного и дорожоного комплексов : материалы междунар. науч.-практ. конф. / МарГТУ. Йошкар-Ола, 2004. - С. 135-140.

10. Балашов, Е.В. К вопросу экспериментального исследования сквозных моностальных и бистальных балок пролетных строений мостов с железобетонной плитой на металлическом поддоне / Е.В. Балашов // Дороги и Мосты. Москва, 2006.-№ 15/1.- С. 99-105.

11. Ю.Балашов, Е.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сквозных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне / Е.В. Балашов, М.В. Пиряев // Вестник ТГАСУ. 2006. — № 1.-С. 107-111.

12. Ворожбяиов, В.Н. Совершенствование конструкций балок с перфорированной стенкой и разработка их расчёта по критериям ограниченных пластических деформаций : автореф. дис. канд. техн. наук. М. : ЦНИИПроект-стальконструкция, 1985. - 24 с.

13. Горев, В.В, Металлические конструкции. Элементы стальных конструкций. /под общ. ред. В.В. Горева. — М. : Высшая школа, 1997. 527 с.

14. ГОСТ 19281-89. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия. -Введ. 1989-09-28. -М. : Гос. ком. СССР по стандартам- 1989. -28 с.

15. ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. -Введ. 2007-06-20. М. : Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии. - 2007. - 12 с.

16. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. Введ. 1992-01-01. - М. : НИИЖБ Госстроя СССР - 1992. - 25 с.

17. ГОСТ 23118-99. Конструкции стальные строительные. Общие технические условия. Введ. 2001-01-01. — М. : Госстрой России - 1998. -43 с.

18. ГОСТ Р52748-2007. Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения. -Введ. 2008-01-01. М. : Госстрой России - 2008. - 11с.

19. Данков, B.C. Рациональные конструкции металлических сквозных балок. /B.C. Данков, В.Н. Ворожбянов, М.Д. Корчак // Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1989. № 9. - С. 19-24.

20. Добрачев, В.М. Пути повышения эффективности стальных балок с перфорированной стенкой : дис. канд. техн. наук / В.М. Добрачев ; НИИЖТ. -Новосибирск, 1982. 165 с.

21. Дробязко, Л.Е. Лёгкие конструкции сельскохозяйственных зданий / Л.Е. Дробязко. Киев : Буд1вельник, 1985. - 136 с.

22. Иванов, В.Ф. Справочник по строительной механике. Т.2 / В.Ф. Иванов, Р.В. Никитин. Л. : Изд-во КУБУЧ, 1934. - 419 с.

23. Жербин, М.М. Особо лёгкие стальные конструкции для промышленных и сельскохозяйственных зданий / М.М. Жербин // Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1988. -№3.- С. 14-17.

24. Жербин, М.М. Стальные подкрановые балки эффективной конструкции / B.C. Чернолоз, М.М. Жербин // Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1985. № 10.-С. 11-16.

25. Калушин, В.М. Сравнительный анализ влияния связей (решеток, планок, перфорированных листов) на предельное состояние сжатых составных сквозных стержней : автореф. дис. канд. техн. наук. — М. : 1960. — 28 с.

26. Каплун, Я.А. Стальные конструкции из широкополочных двутавров и тавров /Я.А. Каплун. М. : Стройиздат, 1981. - 142 с.

27. Каплун, Я.А. Стальные конструкции производственных зданий из широкополочных двутавров / Я.А. Каплун // Промышленное строительство. 1976. — №2.-С. 35-38.

28. Каплун, Я.А. Прогоны из сквозных двутавров пролетом 12 м / Б.М. Вроно, В.В. Березин, Я.А. Каплун // Материалы по легким металлическим конструкциям. -М.: Стройиздат, 1975.

29. Картопольцев, В.М. Некоторые аспекты применения и экспериментального исследования сквозных балок / В.М. Картопольцев, B.C. Данков // Исследование транспортных сооружений Сибири / Изд-во ТГУ. Томск, 1987. - С. 12.

30. Картопольцев, В.М. К вопросу экспериментального исследования бистальных балок с применением регулирования напряжений / В.М. Картопольцев // Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1976. — №6. — С. 137 — 138.

31. Картопольцев, В.М. Металлические мосты с бистальными балками / В.М. Картопольцев. Томск: Изд-во ТГУ, 1992. - 248 с.

32. Картопольцев, В.М. Экспериментальные исследования бистальных балок с применением регулирования напряжений / В.М. Картопрольцев // Исследования по строительной механике и строительным конструкциям / ТГУ. Томск, 1976.-С. 224-226.

33. Козляков, В.В. О расчёте судовых балок с ослабленными стенками / В.В. Козляков // Сборник статей / НТО судостроительной промышленности. Ленинград, 1959. - Вып. 38.

34. Копытов, М.М. Перфорированные стержни / М.М. Копытов. — Томск. : Изд-во ТГУ, 1980.- 138 с.

35. Копытов, М.М. Исследование работы перфорированных стержней при осевом нагружении : дис. канд. техн. наук / М.М. Копытов ; Л, 1972. 193 с.

36. Копытов, М.М. Напряженное состояние перфорированной полосы при чистом изгибе / М.М. Копытов, Т.В. Липкина // Иссл. по строит, мех. и строит, конструкциям. Томск : ТГУ, 1983.

37. Лазарев, И.Б. Математические методы оптимального проектирования конструкций: учебное пособие / И.Б. Лазарев. — Новосибирск : НИИЖТ, 1974.- 192 с.

38. Мастеченко, В.Н. Надежность моделирования строительных конструкций / В.Н. Мастеченко. М.: Стройиздат, 1974. - 84 с.45 .Мельников, Н.П. Пути прогресса в области металлических конструкций / Н.П. Мельников. -М. : Изд-во ГСП, 1974. 136 с.

39. Мельников, Н.П. Металлические конструкции за рубежом / Н.П. Мельников. — М. : Стройиздат, 1971.

40. Мельников, Н П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития / Н.П. Мельников. — М. : Стройиздат, 1983. — 541 с.

41. Металлические конструкции. Справочник проектировщика: 2-е изд. пе-рераб. и доп. / Н.П. Мельников и др. ; под общ. ред. Н.П. Мельникова. М. : Стройиздат. - 1980. - 776 с.

42. Налепа, А.И. Стальная стропильная ферма с перфорированным верхним поясом переменной жесткости : автореф. дис. канд. техн. наук. Вильнюс, 1989.-24 с.

43. Оуэн, Д.Б. Сборник статистических таблиц / Д.Б. Оуэн. — М. : Вычислительный центр АН СССР, 1973. 586 с.

44. Папкович, П.Ф. Теория упругости / П.Ф. Папкович. — М. : Оборонгиз, 1939.

45. Перспективы развития и пути повышения эффективности применения легких и особо легких металлических конструкций // III Украинская республиканская научно-техническая конференция по металлическим конструкциям : Тезисы докладов. Киев, 1984. — 132 с.

46. Рекомендации по проектированию и применению балок с перфорированной стенкой —М. : ЦЬШИПроектстальконструкция, 1991. 76 с.

47. Рекомендации по изготовлению сквозных развитых по высоте балочных профилей для строительных конструкций М. : Минмонталсспецстрой СССР, 1976.-47 с.

48. Ржаницын, А.Р. Теория составных стержней строительных конструкций / А.Р. Ржаницын. М. : Стройиздат, 1948. - 192 с.

49. Стельмах, С.И. Теоретические основы моделирования балочных конструкций при экспериментах и проектировании / С.И. Стельмах // Исследования по расчету оболочек, стержневых и массивных конструкций. — М., 1963. — С. 139-149.

50. Строительные нормы и правила: СНиП П-23-81*. Стальные конструкции : -утв. 14.08.81. М. : Госстрой России, 1999.-96 с.

51. Строительные нормы и правила. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции : утв. 04.12.87. - М. : Госстрой России, 1987. - 198 с.

52. Строительные нормы и правила. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия : утв. 29.08.85. - М. : Стройиздат, 1987. - 84 с.

53. Строительные нормы и правила. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы : утв. 30.11.84. -М. : Гос. комитет СССР по делам строительства, - 1985. — 406 с.

54. Суворова, Ю.В. Запаздывание текучести в сталях (обзор экспериментальных работ) / Ю.В. Суворова. ЖПМ и ТР. 1968. - №3. - С.78.

55. Скляднев, А.Н. Конструктивные формы и методы расчета балок с перфорированной стенкой : автореф. дис. канд. техн. наук. М. : МИСИ, 1978. — 20 с.

56. Холопцев, В.В. К расчету балок из разрезных прокатных двутавров по теории составных стержней / В.В. Холопцев // Судостроение и судоремонт: сб. науч. трудов / Одесский институт инженеров морского флота. Одесса, 1968. -Вып. 2.-С. 17-27.

57. Холопцев, В.В. Метод расчета балок с отверстиями в стенке / В.В. Холопцев // Судостроение и судоремонт: сб. науч. трудов / Одесский институт инженеров морского флота. Одесса, 1958. - Вып. 16. - С. 112-130

58. Ясинский, Ф.С. Двутавровые балки. Русский нормальный метрический сортамент фасонного железа / Ф.С. Ясинский. — Ст.-Петербург, 1900. — 27-30 с.

59. Пат. 56411 Российская Федерация МПК 7Е01Д1/00. Пролетное строение моста / А.Г. Боровиков, В.М. Картопольцев, Е.В. Балашов, М.В. Пиряев. -№2006111828 ; заявл. 10.04.06 ; опубл. 10.10.06, Бюл. №11-3 с.

60. Пат. 56412 Российская Федерация МПК 7Е01Д1/00. Пролетное строение моста / А.Г. Боровиков, В.М. Картопольцев, Е.В. Балашов, М.В. Пиряев. -№2006110955 ; заявл. 04.04.06 ; опубл. 10.09.06, Бюл. №25 3 с.

61. Пат. 69875 Российская Федерация МПК 7Е01Д1/00. Пролетное строение моста/Е.В. Балашов, Н.Н. Бочкарев. №2007134671 ; заявл. 17.09.07 ; опубл. 10.01.08, Бюл. №1 - 3 с.

62. Blodgett O.W. Design of Welded Structures. Cleveland., 1966.73 .Bower, J.E. Design of Beams with web openings / J.E. Bower // Journal of the Struktural Division. ASCE, 1968. V. 97. NST3. - P. 783-807.

63. Calambos, A.R. Optimum Expansion Ratios of Castellated Steel Beams / A.R. Calambos, M.U. Hosain, W.G. Speirs //Engineerine, Optimization, Eiverpool, 1975. -V.№ 4.-P. 213-225.

64. Faltus, F. Contribution an calcul des pourtes a ames evidees / F. Faltus // Acier -Stahl. Steel, 1966. - № 5. P. 229-232.

65. Gibson, J.E. An investigation of the stress and deflections in castellated beams /

66. B.S. Jenkins, J.E.Gibson // Structural Engineer. London, 1957. - V. 35. № 12. - P. 467^179.

67. Hosain, M.V. Detlcience de pourtes metalliqu.es a ame evidee dul a la rupture de joints soudes / M.V. Hosain, W.G. Speires // Acier Stahl. - Steel, 1971. - № IS. -P. 34-40.

68. Hosain, M.V. Deflection analyses of expanded open-web steel beams / V.V. Neis, M.V. Hosain, W.K. Cheng // Computers and Structural. Steel, 1974. - V. 4. №2.-P. 327-336.

69. Hrabok, M.M. Castellated beams deflections using sub structuring / M.M. Hrabok, M.V. Hosain // Journal of the Structural Division. ASCE, 1977. V. 103. № l.-P. 265-269.

70. Kolosovsky, J. Stresses and Deflectionsin castellated beams / J. Kolosovsky // Structural Engineer. London, 1964. - V. 42. №1. - P. 19-24.

71. Mandel, J.A. Stress Distribution in Castellated Beams / B.A. Wasil, J.A. Mandel,

72. C.M. Antoni, P.J. Brennan // Journal of the Structural Division. ASCE, 1971. V. 97. N. 7.-P. 1947-1967.

73. Peine Salzgitter. Wabentrager (Katalog).

74. Shoukry, Z. Elastik Flexural Stress Distribution Webs of Castellated Steel Beams / Z. Shoukry // Welding Journal, 1965. V: 44. № 5.

75. Trager — handliste. Ilseder Hutte Peine, 1966.

76. Vierendeel, A. Teorie Generalt des ponts Vierendeel. / A. Vierendeel. -«Longerons en trailles et longerons a arcades". Paris, 1897.

77. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

78. ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ1. УНИВЕРСИТЕТ

79. Балашов Евгений Валерьевич

80. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ