автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование оценки грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов на основе автоматизации расчетов

На правах рукописи

РАЩЕПКИН АРТЕМ АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЦЕНКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТОВ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск — 2006

Работа выполнена на кафедре «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Бокарев Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Казарновский Вадим Соломонович, кандидат технических наук, доцент Смышляев Борис Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии» (НИИ мостов)

Защита состоится «21» декабря 2006 г. в /О часов на заседании диссертационного совета Д 218.012.01 при Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 226, тел. (383) 228-73-3 I, факс (383) 228-74-9I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщения.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «17» ноября 2006 г.

Ученый секретарь д 11 с с е рта I и I о 1111 о го с о в ета д-р техн. наук, профессор

Попов А.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На сети железных дорог России эксплуатируется более 9 тыс. металлических пролетных строений суммарной длиной свыше 337 км, что составляет 16,5 % от общего количества всех пролетных строений и 46,7 % - от их суммарной длины. На дорогах имеются пролетные строения старых (до 1907 г.) норм проектирования (13 %), неразрезные (2 %), проектировки ПСК, а также с дефектами, изменяющими статическую схему работы конструкции (2,7 %). Элементы таких пролетных строений зачастую имеют сложное (нетреугольное) очертание линии влияния усилия.

Грузоподъемность пролетных строений железнодорожных мостов определяют методом классификации, который позволяет с минимальным объемом расчетов установить возможность и условие пропуска (ограничение скорости движения) поездов по мосту, исходя из сравнения классов элементов и классов нагрузки. Однако исходные предпосылки (допущения), заложенные в основу метода (приведение сложных (нетреугольных) линий влияния усилий в элементах к треугольной форме; выражение местного давления посредством равномерно распределенной нагрузки; приведение совместного воздействия изгибающих моментов, продольных и поперечных сил к одному силовому фактору и др.), предопределяют отклонения до 40 % в сравнении с «точными» (прямыми) расчетами. Следует отметить, что не всегда эти отклонения идут в запас прочности.

Внедрение в промышленную эксплуатацию на сети железных дорог России «Автоматизированной информационно-аналитической системы управления техническим состоянием искусственных сооружений» (АСУ ИССО) позволяет перейти от «ручного» (как правило, упрощенного) расчета грузоподъемности к применению пакетов программ, в алгоритм которых заложены методы, основанные на уточненных расчетных схемах и предпосылках.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является усовершенствование метода оценки грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов. Исходя из анализа конструкций и технического состояния эксплуатируемых металлических пролетных строений, существующих методов расчета, уровня развития и внедрения на сети железных дорог информационных технологий, для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать способ определения грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов, позволяющий учитывать особенности работы элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии влияния усилия, работающих на местную нагрузку или находящихся под одновременным воздействием изгибающих моментов, продольных и поперечных сил.

2. Разработать программное обеспечение (программу) для автоматизированных расчетов грузоподъемности металлических пролетных строений

железнодорожных мостов. В основу программы заложить метод классификации и, в дополнение, указанный способ. Для обеспечения совместной работы программного обеспечения с АСУ ИССО - создать базу данных для расчетов типовых и типичных проектов металлических пролетных строений.

3. Выполнить обследования и испытания мостов и установить соответствие результатов, полученных предлагаемым способом (в том числе при использовании уточняющих расчет моделей пролетного строения), действительной работе конструкции.

4. Для обеспечения автоматизации процессов содержания, связанных с определением возможности и условия пропуска поездной нагрузки по искусственным сооружениям, а также с оценкой их технического состояния по грузоподъемности, - внедрить разработанное программное обеспечение на сети железных дорог России.

Научную новизну работы составляют:

1. Способ определения грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов, учитывающий особенности работы элементов этих конструкций и основанный на автоматизации расчетов.

2. Зависимость, уточняющая значение временной допускаемой нагрузки в расчетах на местную устойчивость стенки балки при учете величины и длины распределения сосредоточенного давления от колес подвижного состава.

3. Структура базы исходных данных для расчета грузоподъемности, объектная модель металлического пролетного строения и программное обеспечение «Автоматизация расчетов грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов» («АргоМ у.З»).

4. Результаты специализированных обследований и испытаний металлических пролетных строений, подтверждающие эффективность предложенного способа.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением методов исследования и математических моделей, широко используемых в науке и практике проектирования, расчетов и испытаний мостовых конструкций.

Практическая ценность п внедрение. Разработанный и реализованный на ЭВМ способ определения грузоподъемности металлических пролетных строений позволяет существенно уточнять результаты расчетов для элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии влияния усилия или находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии. Решение ¡адачи автоматизированного определения грузоподъемности металлических мостов осуществлено в рамках АСУ ИССО, что позволяет использовать результаты расчетов в широком круге других задач (определение условий пропуска поездных нагрузок по сооружениям, оценка технического состояния конструкции по грузоподъемности и др.).

Разработанная программа «АргоМ \.3» зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ ОАО «РЖД» в составе «Программного обес-

печения определения условий пропуска нагрузки по грузоподъемности» (свидетельство № 166 в ОФАП ОАО «РЖД» от 31.05.2006 г.). Программа «АргоМ у.З» внедрена и применяется в дистанциях пути, во всех мостоиспытательных станциях «Центра обследования и диагностики инженерных сооружений» ОАО «РЖД» и в отделах ИССО железных дорог.

Программа «АргоМ у.З» используются в учебном процессе кафедры «Мосты» Московского государственного университета путей сообщения и кафедры «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

• научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» в СГУПСе (Новосибирск, октябрь 2004 г.);

• 4-й Научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» в СГУПСе (Новосибирск, октябрь 2005 г.);

• 66-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в ДИИТе (Днепропетровск, май 2006 г.);

• 1-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы проектирования и эксплуатации транспортных сооружений» в СибАДИ (Омск, май 2006 г.);

• 7-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» в МИИТе (Москва, октябрь 2006 г.);

• объединенном научном семинаре семи кафедр СГУПСа (Новосибирск, октябрь 2006 г.).

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

На защиту выносятся:

1. Способ определения грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов, учитывающий особенности работы элементов этих конструкций и основанный на автоматизации расчетов.

2. Зависимость, уточняющая значение допускаемой нагрузки метода классификации в расчетах на местную устойчивость стенки балки при учете величины и длины распределения сосредоточенного давления от оси подвижного состава.

3. Структура базы исходных данных для расчета грузоподъемности, объектная модель металлического пролетного строения и программное обеспечение автоматизированной системы определения грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 124 страницах и содержит 39 рисунков и 15 таблиц.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации дан обзор конструкций и анализ технического состояния металлических пролетных строений мостов, расположенных на железных дорогах России. Приведены сведения о методах оценки технического состояния мостов и существующих автоматизированных информационно-справочных системах, используемых в управлении содержанием искусственных сооружений.

Проблемами эксплуатации металлических пролетных строений занимались ведущие специалисты нашей страны. Исследования, внесшие существенный вклад в решение этих проблем, нашли отражение в работах H.H. Богданова, Н.Г. Бондаря, А.Л. Брика, Ю.Г. Козьмина, Б.Ф. Лесохина, В.О. Оси-пова, A.A. Петропавловского и др.

Конструктивные, технические и технологические решения, реализованные при сооружении металлических пролетных строений железнодорожных мостов России, отличаются значительным многообразием. Пролетные строения запроектированы по различным нормам под нагрузки 1884 г., 1896 г., 1907 г., 1925 г., Н7, Н8 и С14. Средний срок эксплуатации таких конструкций составляет 44 года, диапазон перекрываемых ими пролетов - от 2,7 до 154 м. Соединения элементов в основном клепаные (53,1 % от общего количества пролетных строений) и болтосварные (31,3 %), мостовое полотно, как правило, с ездой на деревянных поперечинах (76,4 %) или по железобетонным плитам (15,2%).

Анализ технического состояния пролетных строений по дефектности выявил 22,6 % сооружений с дефектами, влияющими на несущую способность и требующими учета в расчетах по «Руководству по определению грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов» (коррозия, выколы, искривления основных несущих элементов и др.). Выделено также 2,7 % пролетных строений с дефектами, изменяющими статическую схему работы конструкции (упирание свободного торца пролетного строения в соседнее или в устой, заклинивание опорных частей, перекос узлов опирания и др.). Оценка их влияния на грузоподъемность конструкции действующим Руководством не предусмотрена, потому что это требует использования пространственных расчетных моделей пролетных строений.

Основные положения метода классификации, вошедшие в Российские нормы по расчету эксплуатируемых мостов, разработаны в 1930-х гг. (Н.Ф. Косорез, Н.Б. Лялин, Н.М. Колоколов, М.Е. Писицын и др.). Последняя редакция «Руководства по определению грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов» действует с 1987 г. В ее создании принимал участие большой коллектив авторов из ЛИИЖТа (Ю.Г. Козь-мин, В.В. Кондратов, В.И. Клопотовский, Ю.И. Козырев, А.Н. Лазарев, Р.З. Манилова, А.Н. Немзер, И.В. Рупасова, В.Н. Савельев, О.Б. Суровцева, С.К. Терлецкий, В.М. Фиш, В.И. Ярохно), МИИТа (В.О. Осипов, Е.К. Феоктисто-

ва), НИИЖТа (К.Б. Бобылев), проектного института - Гипротранспуть (Ю.Н. Иванов, К.Д. Савин, В.А. Смородин), от ЦП МПС - О.С. Шебякин. Вопросами уточнения оценки грузоподъемности металлических мостов также занимались специалисты различных учебных и научно-исследовательских организаций: В.К. Блохин, A.B. Мещеряков, A.B. Носарев, A.M. Сперанский, A.C. Ткач (МИИТ); B.JI. Зозуля, Б.Н. Смышляев (ДВГУПС); Я.А. Березин, Г.И. Богданов, A.JI. Брик, А.Г. Доильницын, В.Г. Захаров, Е.Д. Максарев, М.С. Подбелло, И.И. Рыбина, О.Д. Тананайко (ЛИИЖТ); Б.И. Боршов, A.C. Пом-лик, К.И. Солдатов, В.П. Тарасенко (ДИИТ) и др.

В действующем Руководстве учтены опыт эксплуатации мостов и результаты научных исследований, позволившие достаточно полно учесть особенности работы конструкции. Однако в процессе практического применения действующего нормативного документа были выявлены его недостатки, обусловленные особенностями метода классификации, в котором в качестве показателя грузоподъемности использована равномерно распределенная нагрузка, определяемая для треугольных линий влияния. Эти недостатки ощутимо сказываются в расчетах элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии влияния усилия, работающих на местную нагрузку или находящихся под одновременным воздействием изгибающих моментов, продольных и поперечных сил.

Пример линии влияния усилия сложного («зубчатого») очертания для раскоса пролетного строения ПСК приведен на рис. 1, а. Пример схемы за-гружения в расчетах отсека балки на местную нагрузку при совместном действии изгибающих моментов, поперченных сил и давления от непосредственного опирания мостового бруса приведен на рис. 1, б.

а) б) И

1 1 Зоеружемив 2 (От ох, М) ^

................. ..........

Рис. 1. Примеры расчетов с допусками метода классификации: а - раскос пролетного строения ПСК; б - стенка балки в расчете на местную устойчивость

В методе классификации «зубчатое» очертание линии влияния приводится к треугольному (случай а). Для случая б интенсивность допускаемой временной распределенной нагрузки определяют исходя из того, что максимальные изгибающий момент, поперечная сила и давление от колеса поезда воздействуют на конструкцию одновременно. Кроме того, величина местного

давления от колес подвижного состава поставлена в зависимость от интенсивности эквивалентной равномерно распределенной нагрузки по схеме HI.

До недавнего времени приходилось мириться с этими допущениями, поскольку расчеты выполнялись в основном «вручную». Расширить область достоверной оценки грузоподъемности элементов металлических пролетных строений можно только при отступлении от некоторых положений метода классификации по грузоподъемности и при использовании специально разработанных автоматизированных расчетных комплексов - пакетов прикладных программ.

Разработкой автоматизированных информационно-справочных систем, связанных с эксплуатацией ИССО, занимались А.Х. Астрахан, Н.М. Седова, И.Г. Становая (НИИ мостов); Л.И. Иосилевский, A.C. Улупов (МИИТ), С.А. Бокарев, С.С. Прибытков (СГУПС); Н.М. Быкова (ИрГУПС); Ю.В. Дмитриев, Н.М. Боровик (ДВГУПС) и др. В настоящее время на сети железных дорог России внедрена и успешно эксплуатируется разработанная в СГУПСе «Автоматизированная информационно-аналитическая система управления техническим состоянием искусственных сооружений» (АСУ ИССО v.3, авторы: С.А. Бокарев, Ю.Н. Мурованный, С.С. Прибытков, A.M. Усольцев, Д.Н. Цветков, А.Н. Яшнов).

Автоматизацией расчетов грузоподъемности различных элементов конструкций железнодорожных мостов в России занимались С.А. Бокарев, Д.Е. Гусев, A.A. Кирста, В.М. Лобода, Д.Н. Мартынов, Ю.Н. Мурованный, Ю.В. Рыбалов, A.B. Синицын, A.C. Ткач и др. Их разработки фактически явились начальным этапом автоматизации расчетов мостов, а также легли в основу создания более совершенных программных комплексов.

Совершенствование оценки грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов на основе учета особенностей их работы и автоматизации расчетов является целью настоящего исследования.

Во второй главе изложены основные положения способа определения грузоподъемности элементов пролетных строений, основанного на «прокатке» схемы поездной нагрузки по линии влияния усилия элемента. Способ непосредственной «прокатки» может быть эффективно использован в дополнение к методу классификации при определении грузоподъемности элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии (линий) влияния усилия, работающих на местную нагрузку или находящихся в сложном напряженном состоянии. Количественной характеристикой грузоподъемности элемента в предлагаемом способе является коэффициент условий пропуска по грузоподъемности, отражающий величину запаса несущей способности элемента, для выбранной подвижной нагрузки.

Рассмотрим условие предельного состояния элемента конструкции:

N <Ф, (1)

где Ф - несущая способность, Ф =/(т, Я, С/), т.е. является функцией коэффициентов однородности и условий работы (т), расчетного сопротивления материала (К), геометрической характеристики элемента (С).

N - внешнее воздействие, N = g(у, (1+Цо)> <7, о), т.е. является функцией коэффициентов надежности к нагрузке (у), динамического коэффициента (1+Цо), величин внешних нагрузок (д) и параметра напряженного состояния конструкции (со).

В методе классификации в качестве параметра ш используется площадь линии влияния усилия О, а в качестве внешнего воздействия <7 - равномерно распределенные постоянная р и временная к нагрузки.

Используя принцип независимости действия сил, применим для решения задачи аппарат линий влияния. Рассмотрим принципиальную схему определения внешнего воздействия от подвижной нагрузки N на элемент с . произвольным очертанием линий влияния компонент напряженного состояния аь <у2, сг3 (рис. 2).

Используем в качестве параметра со не площадь произвольной линии влияния О, а массивы ее абсцисс XI и ординат у„ состоящие из необходимого - для обеспечения заданной точности - числа элементов (см. рис. 2). Используем в качестве внешнего вертикального воздействия от поезда не равномерно распределенную нагрузку к, а массив сосредоточенных сил отстоящих друг от друга на расстоянии а,. Величины Р, и а, соответствуют схеме реальной поездной нагрузки. Их, а также динамический коэффициент (1+Цо) определяют по справочным данным «Руководства по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам». Массивы х и у формируют на основании расчетов элементов пролетных строений на «единичную» нагрузку.

Обозначим через коэффициент условий пропуска нагрузки по грузоподъемности отношение

= (2)

N

Коэффициент условий пропуска С вычисляется согласно выбранной теории прочности, а также в соответствии с функциями/и g. Минимальная величина С вычисляется в наиболее невыгодном положении нагрузки на про-

21

-Р;

У 1---------- /1 -1 / 1 —___ X

■Л. 6.(7,

Л. б. су, Л. д. о\

Рис. 2. Схема для определения воздействия подвижной нагрузки

летном строении, которое определяется последовательной «прокаткой» ее схемы по линиям влияния. Возможность пропуска подвижного состава, в отличие от метода классификации, определяется напрямую, т.е. без вычисления интенсивности допускаемой временной нагрузки и класса. Такой способ «прокатки» будем называть способом непосредственных загружений.

Способ непосредственных загружений в итоге сводится к сравнению максимальных усилий (напряжений, эквивалентных напряжений и т.д.), возникающих при прокатке схемы подвижного состава по линиям влияния, с предельно допустимыми усилиями (напряжениями), вычисленными с учетом постоянных нагрузок и ветра.

Для большинства случаев расчета элементов металлических пролетных строений (кроме расчетов на совместное действие нескольких усилий) формулу (2) удобно записать в виде:

г =-^__ГЗ")

где $„ - «полезная» расчетная несущая способность, вычисляемая как разность несущей способности Ф и усилий от постоянных нагрузок (с учетом ветра);

- усилие от временной нагрузки (с учетом торможения и центробежных сил) с коэффициентом надежности, который определяется согласно действующему Руководству;

(1+Мо) - динамический коэффициент к соответствующей нагрузке.

Нагрузку можно пропускать по мосту, если коэффициент С для всех элементов пролетного строения будет больше единицы. Если С < 1,0, определяют величину ограничения скорости движения, учитывая в расчетах пониженный динамический коэффициент (1+Мо)- Максимальная скорость поезда может быть определена из условия С — 1,0.

Особый интерес представляет расчет местной устойчивости стенки балки, которая работает на совместное действие изгибающего момента, поперечной силы и местного сосредоточенного давления от колеса подвижного состава (рис. 3). В действующем Руководстве отношение величины эквивалентной нагрузки для произвольного подвижного состава (&0) к его давлению на ось (Р0) зависит от соответствующего отношения схемы Н1. Это приводит к ошибкам при определении возможности и условия пропуска, причем величины ошибок возрастают для нагрузок с невысокой эквивалентной интенсивностью. Появле-

ние. 3. Схема к определению коэффициента л,,

ние погрешностей предопределено самим методом классификации, потому что на стадии определения класса элемента неизвестен тип подвижного состава, для которого будут определяться возможность и условие пропуска.

Предположим, что на стадии вычисления класса тип подвижного состава известен. Тогда определим интенсивность распределенной допускаемой нагрузки к'у с учетом заданного в явном виде сосредоточенного давления от оси поезда. В диссертации предложено вычислять местное воздействие при определении допускаемой нагрузки с учетом коэффициента Формула, учитывающая длину распределения сосредоточенного давления, а также отношение частных осевых и эквивалентных нагрузок схемы Н1 и схемы реального поезда, имеет вид:

5 _ ро(к»£Л +-*,/»)• У» ^

где Р0 ,Р„- нагрузка на ось в подвижном составе и в схеме Н1 (см. рис. 3);

ко, к„ — интенсивности эквивалентных нагрузок реального подвижного состава и схемы Н1 для аиХ, соответствующих случаю расчета; ек, £р - доли временной и постоянной нагрузки на одну балку; р — интенсивность постоянной нагрузки;

4/;о, hf.ii - длина распределения осевой нагрузи подвижного состава и соответствующая длина, принятая в Руководстве. В частном случае при ек - £р, 4/;0 = 1ф,:

3 - рЛк„"к + Р) (5л

Формула для определения интенсивности допускаемой нагрузки с учетом Эр имеет вид:

к\=-

а.А

рпи

0.9П?

(6)

^врТо <*р$-Ро) Л8-К.Т«

Определенная таким образом допускаемая нагрузка ку' позволяет более точно, чем при использовании Руководства, вычислять класс стенки балки К' и сравнить его с классом нагрузки К0, не прибегая к расчетам с использованием непосредственных загружений. Однако понятие класса элемента в этом случае становится неоднозначным, поскольку величина К1 может быть использована лишь для определения возможности и условия пропуска той нагрузки, для которой был определен поправочный коэффициент зр.

Недостаток метода классификации, связанный с неучетом величины и длины распределения сосредоточенного давления, в способе непосредственных загружений отсутствует, потому что в соответствующее уравнение предельного состояния значения Р и 4/ входят в явном виде:

где (0\ - коэффициент, характеризующий напряженное состояние стенки в зависимости от положения нейтральной оси;

сГу,<7> сгКсг. Гу.сг_ критические напряжения, соответствующие нормальным • продольным, нормальным поперечным и касательным.

о\., тХу — компоненты напряженно-деформированного состояния, линии влияния которых могут быть определены по результатам пространственных расчетов или при использовании формул сопротивления материалов:

'»'т^гь- (8)

где М, 01 - средние значения изгибающего момента и поперечной силы в пределах отсека;

Р - сосредоточенная сила (половина давления на ось поезда); /,, ,,. - момент инерции сечения относительно нейтральной оси;

~ статический момент отсеченной части сечения относительно нейтральной оси;

у - расстояние от точки до нейтральной оси балки; Ь - толщина стенки балки;

4/ - условная длина распределения местного давления. Основное достоинство способа непосредственных загружений в том, что его использование при любом очертании линий влияния не предполагает дополнительных допущений, связанных с ее приведением к треугольной форме. При совместном действии в проверяемом сечении изгибающих моментов, продольных и поперечных сил коэффициент условий пропуска С определяется при одновременном загружении соответствующих линий влияния, также без допусков и упрощений метода классификации. Использование рассматриваемого подхода открывает возможности для выполнения расчетов с использованием сложных пространственных расчетных схем, созданных с применением конечно-элементных вычислительных комплексов. Эта возможность была реализована в диссертации при разработке программного обеспечения «АргоМ у.З».

Особенность способа непосредственных загружений заключается в том, что коэффициент условий пропуска С необходимо определять для каждой подвижной нагрузки. Это сопряжено со значительным объемом производимых вычислений, однако при использовании ЭВМ данная негативная особенность незначима.

Третья глава содержит описание программы «АргоМ у.З», базы исходных данных для расчетов грузоподъемности, а также описание способа взаи-

модействия «АргоМ v.3» с АСУ ИССО. В работе осуществлен комплекс мер по автоматизации процессов определения грузоподъемности металлических пролетных строений на основе метода классификации и, в дополнение, на основе способа, предложенного во второй главе. Для решения этой задачи разработаны объектная модель пролетного строения и библиотеки интерфейсов, которые реализованы на ЭВМ. Также осуществлено взаимодействие программы по расчету пролетных строений с системой АСУ ИССО.

Объектная модель является программируемой на ЭВМ моделью целостной информационной системы «пролетное строение». Она содержит необходимые для расчета грузоподъемности данные и функции для их обработки, т.е. для расчета. С ее помощью моделируется взаимодействие элементов всей конструкции и поведение каждого отдельного звена внутри пролетного строения. Предложенная модель реализована в среде разработки «Borland Delphi 5 Enterprise» на объектно-ориентированном языке Object Pascal.

В отличие от более ранних версий программы, в «АргоМ v.3» реализован диалог ввода исходных данных для расчета при помощи файлов динамических библиотек. Эти библиотеки универсальны, они могут быть использованы в других программах, связанных с расчетами грузоподъемности металлических пролетных строений.

Программное обеспечение «АргоМ v.3» разработано на основе анализа операций, связанных с классификацией пролетного строения по грузоподъемности в рамках задачи АСУ ИССО по определению условий пропуска. К числу таких операций относятся: а) анализ и систематизация вводимой информации; б) назначение основных данных для расчета; в) составление расчетной схемы конструкции; г) назначение характеристик для элементов и сечений; д) назначение рассчитываемых элементов или сечений; е) получение результатов; ж)

анализ результатов; Рис 4% Взаимодействие программ АСУ ИССО, и) составление «АргоМ v.3» и «Проводник АргоМ»

Проводим« AproM • АСУ ИССО (ArgoM Guide)

отчета. Все эти операции алгоритмизированы и реализованы на ЭВМ.

Преимущество реализованного подхода перед иными разработками, связанными с расчетом мостов, состоит в том, что программа «АргоМ v.3» функционирует в рамках Автоматизированной системы АСУ ИССО, решая ее задачи на уровне управления содержанием ИССО железной дороги. Для выполнения классификации сооружений непосредственно из АСУ ИССО разработана программа «Проводник АргоМ» («ArgoM Guide») (см. рис. 4). Программы «АргоМ v.3» и «Проводник АргоМ» внедрены на сети железных дорог РФ, проведено обучение работе с ними специалистов по искусственным сооружениям, получены положительные отзывы из мостоиспытательных станций и расчетных организаций Новосибирска, Москвы, Саратова, Иркутска, Хабаровска и др.

Ключевым элементом в функционировании системы автоматизированного определения грузоподъемности является база исходных данных для расчета конструкций типовых и типичных (повторного применения) пролетных строений. За десятки лет изучения технического состояния мостов сотрудниками лаборатории «Мосты» СГУПСа была накоплена, систематизирована и каталогизирована обширная информация по металлическим конструкциям мостов. В рамках диссертационного исследования разработана структура базы данных, которая входит в состав БД АСУ ИССО и, в свою очередь, является составной частью БД АСУ ПХ. Редактирование информации в «БД АРГО М» осуществляют при помощи «Проводника АргоМ» (рис. 5).

В БД АСУ ИССО имеется элек-Рис. 5. База исходных данных «БД АРГО М» тронный каталог

поездных нагрузок (свыше 100 схем) и подвижного состава (около 400 схем). Информация представлена наименованием нагрузки, схемой поезда в осях и нагрузками на ось. Наличие в БД АСУ ИССО необходимой для расчета грузоподъемности информации и каталога обращающихся поездных нагрузок позволяет автоматизировать определение грузоподъемности и условий пропуска, открывает потенциальные возможности для реализации способа непосредственных загружений на заданную эксплуатационную нагрузку в расчетах элементов металлических конструкций.

Программа подготовки

ДАМММ* Н р&СлШТ» "1>УЗОПОДЪв»*«ОСТМ (АргоМ V.J)

База данных А р.'г. м а БД ИССО содержит:

• Данные для условий пропуска нагрузок по сооружению;

• *он£тру«имм пропет мы х строений;

• Вазу тнгтчных конструктивов

Вышеизложенные программные средства ввода, хранения исходных данных и расчета позволили создать модуль автоматизированной оценки грузоподъемности на основании способа непосредственных загружений. Программа осуществляет последовательную «прокатку» нагрузки по участкам линии влияния, вычисляя при этом создаваемое поездом усилие или напряжение, а также коэффициент условий пропуска, минимальное значение которого определяет наиболее невыгодное положение состава. Несущая способность пролетного строения вычисляется с помощью соответствующих свойств его объектной модели. На рис. 6 приведены результаты расчетов: графики усилий от прохождения нагрузки и их максимальные значения (см. рис. 6, а), а также обратный график коэффициента условий пропуска по грузоподъемности С при расчете местной устойчивости стенки балки (см. (7), рис. 6, б).

q\ рШШШжМШМЩШРМрйШм

Рис. 6. Результаты работы программы «прокатки»: а - графики напряжений от прохождения нагрузки; б - обратный график коэффициента условий пропуска по грузоподъемности при расчете местной устойчивости стенки балки

В рамках диссертационного исследования разработаны и включены в «АргоМ v.3» программные модули для определения коэффициента условий пропуска: а) элементов главных ферм неразрезных пролетных строений; б) элементов пролетных строений с главными фермами, имеющими нетреугольную решетку (ПСК и др.); в) элементов, расчет которых необходимо выполнять с учетом пространственной работы конструкции; г) продольных балок проезжей части с учетом опирания на упругоподатливые опоры; д) стенки балки из условия расчета на местную устойчивость. Все эти случаи объединяет наличие сложного (нетреугольного) очертания линий влияния усилия.

Четвертая глава. С целью выявления эффективности способа непосредственных загружений по сравнению с методом классификации были рассчитаны более 30 типов конструкций, в том числе 4 пролетных строения с использованием уточняющих результаты пространственных моделей. Полученные результаты были подтверждены натурными испытаниями металлических пролетных строений.

В качестве примера рассмотрим результаты расчета пролетного строения с главными фермами (Lp = 16 х х 9,05 = 144,8 м, H = 23,0 м) проектировки Гипротранса (Н8, 1931 г.) и с главными балками (Lp - 23,0 м, hBJI = 2,54 м) также проектировки Гипротранса (Н8, 1931 г.). Пространственная модель пролетного строения с главными фермами (рис. 7, а) составлена в конечно-элементной среде «M ID AS/Civil Ver. 6.3.0» («MIDAS Information Technology Co., Ldt»). В модели учтена совместная работа элементов решетки ферм с балками проезжей части и связями. Модель пролетного строения с главными балками (рис. 7, б) составлена в среде «COSMOSM 2.85» (Structural Research and Analysis Corporation - «SRAC», CILIA).

6)

"Единичная" нагружа

4

1

Шарнирно-под-шбкняя опора

Шлрннрно- кг подвижная опора

Рис. 7. Модели пролетных строений: а — с главными фермами; б — с главными балками

В обоих случаях выполнены расчеты грузоподъемности, вычислены коэффициенты условий пропуска С для элементов пролетных строений на основе плоских и пространственных расчетных схем.

В пролетном строении с главными фермами были рассчитаны элементы нижних и верхних поясов, раскосы и стойки. В пролетном строении с главными балками детально рассмотрена работа стенки на местную устойчивость. В качестве внешней «единичной» нагрузки для определения массивов линий влияния х и у были использованы сосредоточенные силы, которые последовательно «прокатывались» по узлам продольных балок (см. рис. 7, а) или рельсов (см. рис. 7, б).

При расчете пролетного строения с главными фермами максимальное усилие в элементах от реальной поездной нагрузки (сплотки тепловозов, электровозов, одиночные транспортеры и др.) определялось путем «прокатки» ее схемы по соответствующей линии влияния. В результате получены коэффициенты условий пропуска по формуле (3) для плоской (С) и пространственной (С^"7) расчетных схем и выполнено сравнение с соответствующими коэффициентами метода классификации Ск, (Ск — ЛУЛГо, где К - класс элемента, К0 - класс нагрузки). Сравнение показало (табл. 1):

1. Результаты расчета элементов с треугольным очертанием линии влияния усилия по методу классификации и способу непосредственных загружений совпадают (для элементов Н1-2, В6-7', РО-Г значения Ск и С равны между собой).

2. Величины коэффициентов условий пропуска С для элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии влияния (НЗ-4, Н5-6, Н6-7, С8-8"), отклоняются от аналогичных величин Ск- Отклонения до 40 % в сторону запаса прочности обусловлены неточностями при определении эквивалентной эталонной нагрузки по правилам Руководства.

3. Учет совместной работы проезжей части с элементами главных ферм в пространственной расчетной схеме дает отклонения при определении коэффициента условий пропуска в сторону запаса прочности до 49 % для элементов нижнего пояса и 24 % для подвески С7-7". При этом завышенное значение грузоподъемности, вычисленной по Руководству, для отдельных элементов достигает 8 %.

В расчетах пролетного строения с главными балками на местную устойчивость стенки при использовании способа непосредственных загружений было учтено местное давление от колес поезда и длина его распределения.

Таблица 1

Сравнение результатов расчета

Элемент Доля(С от Ск), % Доля (С*"" от С), %

Н1-2 0 47...49

НЗ-4 0...4 42...44

Н5-6 0...40 32...44

Н6^7 0...18 36...38

В6'-7' 0...1 -1...0

РО-Г 0 -1...0

РГ-2 -1...0 -6...6

Р4'-5" 0 -1...10

Р5"-6 0 -5...11

С7-7" 0 15...24

С8-8" -1...9 -8...-2

Был определен коэффициент условий пропуска С по (7) для различных длин распределения сосредоточенного давления. Кроме того, вычислены классы К' и соответствующие коэффициенты Ск• при использовании в (6) коэффициента определенного по (4). Результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение результатов метода классификации и способа

непосредственных загружений при расчете стенки балки на устойчивость

Наименование нагрузки ки Ск т т/м S,, К' С/с- С Св С6* С"

i.Сплотки электровозов ВЛ80 3,38 2,564 23,25 6,07 2,67 5,650 1,672 1,840 1,420 2,228 2,136

2. Сплотки тепловозов 2ТЭ10Л(у) 4,48 1,934 21,7 8,05 1,97 6,628 1,479 1,673 1,337 2,009 1,912

3. Транспортер 32-осн. г/п 500 т (22 т/ось) 8,73 0,993 22,0 15,7 1,10 8,406 0,963 1,112 0,958 1,267 1,230

4. Транспортер 20-осн. г/п 220 т (23,75 т/ось) 7,27 1,192 23,75 13,07 1,40 7,697 1,059 1,234 1,025 1,427 1,359

5. Транспортер 20-осн. г/п 300 т (22,40 т/ось) 7,30 1,187 22,4 13,12 1,32 7,884 1,080 1,257 1,052 1,446 1,372

6. ВЛ60 + груж. хоппер + порожный хоппер 4,13 2,098 23,0 7,43 2,24 6,220 1,506 1,694 1,334 2,064 1,946

7. BJI60 (одиночный) 3,71 2,336 23,0 6,67 2,45 5,930 1,598 1,760 1,374 2,161 2,023

8. Сплотки •электровозов ЭП1 3,64 2,380 22,0 6,54 2,38 6,022 1,654 1,811 1,420 2,216 2,092

9. ВЛ80 + груз, вагоны 3,94 2,199 23,25 7,09 2,35 6,058 1,538 1,720 1,347 2,106 1,981

К). BJ160 + 1 груз, вагон 4,14 2,093 23,25 7,38 2,27 6,168 1,490 1,697 1,336 2,068 1,950

11. ВЛ60 + пас. вагоны 3,80 2,280 23,0 6,77 2,42 5,972 1,571 1,752 1,369 2,149 2,013

12. Электровоз ЭР1 2,24 3,868 16,25 3,99 2,56 5,740 2,562 2,598 2,011 3,220 3,004

Примечание. В состав транспортеров входит головной электровоз ВЛ80.

Величина С определена с учетом длины распределения местной нагрузки /,.,. вычисленной по рекомендациям СНиП 2.05.03-84. Длина распределения в расчетах С1, и С1' принята по исследованиям Б.М. Броуде1, причем в первом случае податливость соединения «рельс — мостовой брус — пояс балки» принята нулевой (трение между элементами соединения отсутствует), а во втором — абсолютной (элементы соединения не сдвигаются относительно друг друга). Величина С* м определена по линиям влияния модели балки, созданной в конечно-элементной среде «СОБМОБМ 2.85».

Сравнивая коэффициенты условий пропуска С для различных случаев расчета, можно сделать следующие выводы:

I. Значение Ск недостаточно точно характеризует грузоподъемность стенки балки для нагрузок с невысокой эквивалентной интенсивностью. Оно также недостаточно точно оценивает воздействие транспортеров № 4 и № 5 с обратным отношением эквивалентной и осевой нагрузок, потому что в расче-

1 Броуде Б.М. Распределение сосредоточенного давления в металлических балках. М.: СтроГшздат, 1950. 84 с.

тах на местную устойчивость стенки определяющим в значительной степени является давление на ось.

2. Значения С ¡с точнее характеризуют грузоподъемность стенки балки, чем Ск (по отношению к С), для нагрузки с невысокой эквивалентной интенсивностью. Для транспортеров величина также не содержит противоречий, связанных с преимущественным влиянием осевой нагрузки (значение Слг,№4 < Ог-№5). Величина Ск• во всех случаях определено с запасом относительно С, поэтому Ск• > 1,0 разрешает пропуск нагрузки, а Ск- < 1,0 дает основание для проведения расчета способом непосредственных загружений.

3. Значения коэффициента условий пропуска содержат запасы до 13 % относительно С. Запасы связаны с особенностями расчетной модели, в которой принято, что в соединении «рельс — мостовой брус - пояс балки» отсутствует податливость. Поэтому на возрастание величины влияет как увеличение длины распределения местной нагрузки 1ф так и снижение нормальных напряжений ох, образуемых вследствие включения в совместную работу элементов мостового полотна. Податливость указанного соединения должна быть учтена в дальнейшем при составлении расчетных моделей пролетных строений с главными балками.

С целью выявления степени соответствия результатов, полученных способом непосредственных загружений, и действительной работы пролетных строений, был выполнен анализ результатов обследований и испытаний ряда конструкций, проведенных с участием автора. В том числе результаты обследований более 20 типов металлических пролетных строений на железных дорогах России и Казахстана, а также результаты испытаний семи пролетных строений.

В диссертации приведены подробные данные по результатам испытаний двух рассчитанных ранее пролетных строений (см. рис. 7).

Испытания пролетного строения с главными фермами позволили определить конструктивные коэффициенты элементов для плоской (Ли,) и пространственной (АГпр) расчетных схем (табл. 3), которые указывают на лучшее соответствие принятой пространственной модели, нежели плоской. Это свидетельствует о необходимости внедрения расчетов с использованием непосредственных загружений, в первую очередь при определении грузоподъемности элементов, для которых линия влияния усилия построена с использованием пространственных расчетных моделей.

Конструктивные коэффициенты _ элементов ферм_

Элемент Конструктивный коэффициент

■^пл о.

Н6—7 0,68...0,72 0,95... 1,00

РГ-2 0,65...1,15 0,64... 1,12

Р4'-5" 0,84... 1,03 0,84... 1,03

Р5"-6 0,85... 1,08 0,84... 1,05

С8-8" 1,03...1,15 1,00. ..1,10

D1

D2

960

[-03 60

240

D4

1917

01,03,04—датчики деформаций 02— датчик перемещений

Рис. 8. Схема расстановки датчиков

При проведении испытания пролетного строения с главными балками электротензомет-рические датчики системы «ТензорМ» (разработана в СГУПСе) были расставлены в среднем отсеке главной балки (рис. 8). Результаты расчета длины распределения местной нагрузки и грузоподъемности стенки балки на местную ус-

тойчивость, а также экспериментальные данные приведены в табл. 4.

Анализ результатов испытаний пролетного строения с главными балками позволил заключить, что при оценке грузоподъемности на устойчивость стенки

Таблица 4

Сравнение теоретических и экспериментальных данных

необходимо использовать соответствующие формулы СНиПа «Мосты и трубы» в сочетании со способом непосредственных загруже-ний. В перспективе в них желательно внести уточнения,

касающиеся длины распределения сосредоточенного давления от колес подвижного состава.

Расчет Напряжения, МПа Коэф. условий пропуска С

ax <yv *x y

Руководство (Г=A7À"(1) - - - 2,098

СМмП, 1,г = 1.02 м -34,2 -8,95 4,18 1,694

Б.M. Броуде l,f = 0,626 м -15,0 1,334

lef= 1,90 m -4,95 2,064

Cosmos/M, lL.f = 1,38 м -30,4 -7,43 5,06 1,946

Эксперимент, /,./• = 0,89 м -27,2 -10,5 - 1,699

Основные выводы и результаты

1. Метод классификации не позволяет учесть резервы несущей способности (до 40 %) при оценке грузоподъемности элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии влияния, работающих на местную нагрузку или находящихся под одновременным воздействием изгибающих моментов, продольных и поперечных сил. Определять возможность и условие пропуска поездной нагрузки для таких элементов целесообразно способом непосредственных загружений, основанным на «прокатке» схемы реальной нагрузки по линии влияния. Количественной характеристикой грузоподъемности при этом необходимо считать коэффициент условий пропуска.

2. Предложенная формула для определения поправочного коэффициента (л1/,) к местному воздействию позволяет точнее определить допускаемую нагрузку и класс стенки балки в расчетах на местную устойчивость.

3. Разработанное программное обеспечение для автоматизированных расчетов грузоподъемности металлических пролетных строений «АргоМ у.З»

согласно действующему Руководству также позволяет рассчитывать элементы с произвольным очертанием линии влияния усилия н стенку балки на местную устойчивость по предлагаемому способу. Программа зарегистрирована в ОФАП ОАО «РЖД», она получила широкое внедрение в дистанциях пути, мостоиспытательных станцнях и в отделах ИССО железных дорог.

4. Использование способа непосредственных загружении в расчетах пролетных строений позволило выявить его высокую эффективность при оценке грузоподъемности элементов со сложным очертанием линии влияния усилия, а также в расчетах местной устойчивости стенки балки. Результаты расчетов хорошо согласуются с данными экспериментов.

Диссертационное исследование позволило актуализировать ряд вопросов и выявить проблемы, требующие дальнейшего исследования:

1. В расчетах с использованием способа непосредственных загружении коэффициенты надежности по нагрузке необходимо дифференцировать по типу подвижного состава. Это требует привлечения и систематизации соответствующих научных данных, а также проведения дополнительных исследований по определению отклонений величин нагрузок на ось от их паспортных (справочных) значений.

2. В диссертации разработаны программные модули по определению коэффициента условия пропуска по грузоподъемности для нескольких расчетных случаев. В дальнейшем требуется разработать аналогичные программные модули и для остальных случаев расчета металлических пролетных строении.

3. Необходимо проведение дополнительных испытаний и теоретических разработок, направленных на изучение работы соединения «рельс - мостовой брус - пояс балки». Цель - выявление действительной длины распределения сосредоточенного давления от колеса поезда в расчетах стенки металлической балки на местную устойчивость при непосредственном опирании поперечин на верхний пояс.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ращепкин A.A. Перспективы и особенности классификации металлических пролетных строений мостов в рамках АСУ ИССО 3.0 // Наука и молодежь XXI века: Материалы науч.-техн. конф. (г. Новосибирск, 29 окт. 2004 г.). - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2005. С. 48-49.

2. Ращепкин A.A. Задача классификации металлических пролетных строений мостов в рамках АСУ ИССО 3.0 // Наука и молодежь XXI века: Материалы IV науч.-техн. конф. Ч. 1. Технические науки (г. Новосибирск, 27-28 окт. 2005 г.). - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. С. 56-58.

3. Устинов В.П., Ращепкин A.A. Конструкция и техническое состояние металлических пролетных строений, эксплуатируемых на железных дорогах России // Вестник СГУПСа. Вып. 14. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. С. 191-201.

4. Ращепкин A.A. Автоматизированная система расчета грузоподъемности эксплуатируемых металлических пролетных строений железнодорожных мостов // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы LXVI Международной науч.-практ. конф. - Днепропетровск: ДИИТ, 2006. С. 270-271.

5. Ращепкин A.A. Пути усовершенствования методики оценки грузоподъемности мостов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений: Материалы I Всероссийской науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-26 мая 2006 г. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. - Кн. 1.С. 188-195.

6. Ращепкин A.A. Автоматизированная система расчета эксплуатируемых металлических пролетных строений железнодорожных мостов // Вестник СГУПСа. Вып. 13. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. С. 133-146.

7. Бокарев С.А., Ращепкин A.A. Совершенствование методики оценки грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов // Вестник ТГАСУ № 2. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2006. С. 170-175.

8. Бокарев С.А., Ращепкин A.A. Новый подход к оценке несущей способности металлических пролетных строений железнодорожных мостов // Путь и путевое хозяйство. 2006. № U.C. 26-27.

9. Бокарев С.А., Мурованный Ю.Н., Ращепкин A.A., Рыболов Ю.В., Никитин Д.А., Мартынов Д.Н. Программное обеспечение определения условий пропуска нагрузки по грузоподъемности в составе: АРГО_М, АРГО_Н и АРГО_бп. Свидетельство № 166 в ОФАП ОАО «РЖД» от 31.05.2006.

РАЩЕПКИН Артем Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЦЕНКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ

РАСЧЕТОВ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелеП

Сдано в набор 15.11.2006 Подписано к печати 16.11.2006

Формат 60x90 1/16 Объем 1,5 печ. л.

Заказ 1659_Тираж 100_

Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. Тел./факс: (383) 228-73-81. E-mail: prss@stu.ru

ВВЕДЕНИЕ

1 ВОПРОСЫ ОЦЕНКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

1.1 Краткая характеристика металлических пролетных строении железнодорожных мостов

1.1.1 Конструкция металлических пролетных строений

1.1.2 Условия эксплуатации пролетных строений

1.1.3 Техническое состояние металлических пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов

1.2 Способы опенки 1ехппческого состояния меккчлнческнх мостов

1.2.1 Способы оценки техническою состояния искусственных сооружении по нормативным документам

1.2.2 Некоторые существующие методы расчетов мостов

1.2.3 Метод классификации как способ оценки ф)зоподъемности. Определение условий проп>ска поездной нагрузки

1.3 Информационные кчиоло! ни в оценке технического состояния искусственных сооружении

1.3.1 Автоматизированная система управления содержанием искусственных сооружений

1.3.2 Автоматизация расчета металлических пролетных строений 33 1.3 3 Автоматизация расчетов грузоподъемности металлических пролетных строении в рамках АСУ ИССО

1.4 Выводы но нервом) разделу. Цель и задачи исследования

2 СПОСОБ НЕПОСРЕДСТВЕННЫХ ЗАГРУЖЕН НИ ПРИ ОЦЕНКЕ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

2.1 Общие положения способа нспосрсдс! венных з:и р}женин

2.1.1 Условие обеспечения надежности в расчетах эксплуатируемых конструкции

2.1.2 Назначение параметров расчетной модели конструкции

2.1.3 Предельное состояние, определение допускаемых значений напряжений и усилий

2.1.4 Взаимосвязь метода классификации и способа непосредственных загружений

2.2 Расчет элементов с произвольным очертанием линии влияния усилия

2.2.1 Расчет элементов конструкций сложных статических схем

2.2.2 Расчет элементов пролетных строений по уточняющим расчетным схемам

2.3 Расчс! элементов, рабо1ающн\ в сложном напряженном состоянии

2.3.1 Стенка балки в расчете на местную устойчивость

2.3.2 11родольные и поперечные балки в «этажной» проезжей части

2.3.3 Продольные балки пролетных строений с учетом совместного действия моментов и продольных сил

2.4 Выводы по второму раздел} 69 3 АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

3.1 Основные принципы разработки «АрюМ \.3»

3.1.1 11азначение прог раммного обеспечения

3.1.2 Объектная модель пролетного строения 72 3.1 3 Библиотеки интерфейсов 76 3 1.4 Схема включения объектной модели и библиотек интерфейсов в программные разработки

3.2 Ф)пкппоиальпые возможное!п «АргоМ у.З»

3.3 Внсдрспне программного обеспечения «АргоМ у.З» н енс1сму управления содержанием искусственных сооружении АСУ ИССО

3.3.1 Принципы создания программы «Проводник АргоМ»

3.3.2 Технология доступа к базе данных ИССО

3.3.3 Формирование данных для определения условий пропуска поездной нагрузки по пролетному строению

3.3.4 Корректировка данных и ввод дефектов

3.3.5 Банк данных «АргоМ у.З»

3.4 Программная реализанпя способа непосредственных загружепнн для оценки грузоподъемности

3.5 Выводы по третьему разделу 93 4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАБОТЫ КОНСТРУКЦИЙ

4.1 Численные модели металлических пролетных строении

4.1.1 Пространственная модель пролетного строения с главными фермами пролетом 144,8 м

4.1.2 Пространственная модель балочного пролетного строения пролетом 23,0 м

4.2 Натурные исследования меккчлпчеекпх пролетных строении

4.2.1 Испытание металлического пролетного строения с главными фермами пролетом 144,8 м

4.2.2 Испытание пролетного строения с главными балками пролетом 23,0 м

4.3 Выводы по четвертому разделу 115 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

На железных дорсмач России экспл>атпруется более 9 тыс. металлических пролетных строении суммарной длиной свыше 337 км, что составляет 16,5 % от общего количества всеч пролетных строений и 46,7 % - от их суммарной длины (по данным базы АСУ ИССО [17]). В составе железнодорожных мостов конструкциями с решетчатыми фермами перекрывают пролеты до 158 м. Балками со сплошной стенкой перекрывают пролеты от 2,7 до 55,0 м. Конструкции металлических пролетных строений были запроектированы в разное время и под различные нагрузки, их отличает многообразие конструктивных форм, технических и технологических решений. Среди них имеются пролетные строения старых (до 1907 г.) норм проектирования (13 % от общего количества), неразрезные (2 %), проектировки Г1СК, а также с дефектами, изменяющими стагическ>ю схему работы конструкции (2,7 %). Элементы таких пролетныч строений зачастую имеют сложное (нетреугольное) очертание линии влияния усилия.

Существующие способы оценки несущей способности пролетных строений тесно связаны с методом классификации по гр>зогюдъемности, основные положения которою разработаны еще в 1930-х годах прошлого века. Он позволяет с минимальным объемом расчетов >становить возможность и условия пропуска поездов по мосту из сравнения классов элементов и классов нагр)$ки. Однако исчодные предпосылки (допущения), заложенные в основ) метода (приведение сложных (нетреугольныч) линий влияния \силий в элементах к тре>гольной форме; выражение местною давления посредством равномерно распределенной нагр)зки; приведение совместного воздействия изгибающич моментов, продольныч и поперечныч сил к одном} силовому фактор} и др.) предопределяют отклонения до 40 % в сравнении с «точными» (прямыми) расчеыми. След}ет отметить, что не всегда зги отклонения ид\ г в запас прочности.

1:ще одно основание для возрастания интереса к сфере оценки Ф)зоподъемностн пролетных строении мостов - внедрение в промышленную эксплуатацию на сети железных дорог России Автоматизированной системы управления техническим содержанием искусственных сооружений (АСУ ИССО), выполненного в рамках реформирования всею путевою комплекса. Внедрение позволяет перейти от «ручного» расчета грузоподъемности к применению пакетов программ, в алгоритм которых заложены методы, основанные на уточненных расчетных схемах и предпосылках.

В качестве объекта исследования рассматриваются металлические пролетные строения эксплуатируемых железнодорожных мостов. Предметом исследования является способ оценки их грузоподъемности при определении возможности и назначении условий пропуска поездной нафузки, а также при оценке техническою состояния в рамках соответствующей задачи Автоматизированной информационно-аналитическои системы управления искусственными сооружениями АСУ ИССО.

Цепью исследования является усовершенствование метода оценки грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 94 наименований. Работа изложена на 124 страницах стандартною компьютерною набора и содержит 39 рисунков и 15 таблиц

4.3 Выводы но чстверюму разделу

В рамках диссертационного исследования проведены обследования 20 и испытания семи пролетных строений железнодорожных мостов. Выполнено сравнение результатов расчета способом непосредственного загружения, (в том числе при использовании уточняющих расчет моделей пролетного строения) с полученными экспериментальными данными.

В качестве примеров в диссертации были приведены данные по результатам испытаний двух пролетных строений с главными фермами и главными балками. В первом учтена совместная работа элементов решетки ферм с балками проезжей части и связями, во втором рассмотрены особенности расчета отсека балки на местную устойчивость. Использование способа непосредственных загружений в расчетах пролетных строений позволило выявить его высокую эффективность при оценке грузоподъемности элементов со сложным очертанием линии влияния усилия, а также в расчетах местной устойчивости стенки балки В обоих случаях результаты расчетов удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов.

При рассмотрении конечно-элементной модели балки с позиций расчета на местную устойчивость стенки становится очевидным, что на напряженно-деформированное состояния отсека балки существенно влияет распределение местной нагрузи и, следовательно, степень податливости соединения «рельс - мостовой брус - пояс балки» Представ гяется необходимым проведение дополнительных испытаний и теоретических разработок, направленных на и зу чение работы указанного соединение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Метод классификации не позволяет учесть резервы несущей способности (до 40 %) при оценке г р)30подъемности элементов со сложным (нетреугольным) очертанием линии влияния, работающих на местную нагрузку или находящихся под одновременным воздействием изгибающих моментов, продольных и поперечных сил. Определять возможность и условие пропуска поездной нагрузки для таких элементов целесообразно способом непосредственных загружений, основанным на «прокатке» схемы реальной нагрузки по линии влияния. Количественной характеристикой грузоподъемности при этом необходимо считать коэффициент условий пропуска

Предложенная формула для определения поправочного коэффициента (я,,) к местном) воздействию позволяет точнее определить допускаемую нагрузку и класс стенки балки в расчетах на местную устойчивость.

Разрабоганное программное обеспечение для автоматизированных расчетов гр)ЗОподъемности металлических пролетных строений «АргоМ \'.3» согласно действ) ющем) Р)ководств) также позволяет рассчитывать элементы с произвольным очертанием линии влияния \силия и стенку балки на местн\ю )сюйчивость по предлагаемому способ) Программа зарегистрирована в ОФАП ОАО «РЖД», она пол\чила широкое внедрение в дистанциях п)ти, мостоиспытательных станциях и в отделах ИССО железных дорог

Использование способа непосредственных загружений в расчетах пролетных строений позволило выявить его высокою эффективность при оценке гр\ зоподъемносги элементов со сложным очертанием линии влияния \силия, а также в расчетах местной остойчивости стенки балки. Рез\льгаты расчетов хорошо согласуются с данными экспериментов

Диссерг шионное исследование позволило акт\а ппировать ряд вопросов и выявигь греб\юшие детального рассмотрения задачи.

1. В диссертации разработаны программные модули но определению коэффициента условия пропуска по грузоподъемности для нескольких расчетных случаев (см. п. 3.4) В дальнейшем требуется разработать аналогичные программные модули и для остальных случаев расчета металлических пролетных строений.

2. Необходимо проведение дополнительных испытаний и теоретических разработок, направленных на изучение работы соединения «рельс - мостовой брус - пояс балки». Цель - выявление действительной длины распределения сосредоточенного давления от колеса поезда в расчетах стенки металлической балки на местную устойчивость при непосредственном опирании поперечин на верхний нояс.

3. В расчетах с использованием способа непосредственных загружений коэффициенты надежности по нагрузке необходимо дифференцировать по типу подвижного состава. Это требует привлечения и систематизации соответствующих научных данных, а также проведения дополнительных исследований но определению отклонений величин нагрузок на ось от их паспортных (справочных) значений.

1. Автоматизация расчетов транспортных сооружении / A.C. Городецкий, В.II. Заворицкий, А.И. Лантух-Лященко, А О. Рассказов. М.: Транспорт, 1989. 232 с.

2. Автоматизированная система управления содержанием искусственных сооружений. (АСУ ИССО v.2 win-dbf'). К» 664 в ОФАП МПС России от 23.05.02 г.

3. Анатз конструкций и дефектности железобетонных мостов: Отчет о НИР / СГУГ1С, руководитель С.А. Бокарев шифр работы по плану НИОКР МПС России 10.3.2.3.02.03.04 -11овосибирск, 2002. 27 с.

4. Архангечьекий А Я Delphi 5. Справочное пособие. М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2001 г. 768 с.

5. Астра\ан А X, Колов А В Оценка грузоподъемности эксплуатируемых мое i ов методом статистического моделирования // Повышение эксплуатационных качеств железнодорожных мостов. Л., 1989. С. 30-34.

6. Астра\аи АХ, Седова ИМ Основные принципы разрабатываемой автоматизированной системы "Искусственные сооружения на железных дорогах" // Повышение эксплуатационных качеств железнодорожных мостов. Л., 1989. С. 37-40.

7. Бюхин В К Исследование пространственной работы железнодорожного пролетного строения большого пролета // Исследования и метода расчета современных мостовых конструкций. М.: 1983. С. 43-53.

8. Бобьпев КБ, Вериго Б М, Шишкин Б А Некоторые закономерности расстройств заклепочных соединений мостов // Исследования работы искусственных сооружений. Новосибирск, 1971. С. 86-91.

9. Бобьпев КБ, Вериго Б М, Шишкин Б А Расстройства заклепочных соединений мостов// Исследования работы искусственных сооружений. Новосибирск, 1975. С. 60-67

10. Бобьпев КБ, Гробовской Р М, Шишкин Б А Усталостная долговечность образцов из литого железа // Исследования работы искусственных сооружений. Новосибирск, 1973. С. 94-100.

11. Бобьпев КБ, Кашрновский ВС, М\рованный 10II, Тырин ВП К вопросу об оценке остаточного ресурса сварных балок // Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта. Новосибирск. 1993 С 43-50

12. Бобьпев КБ Шишкин Б А Понятие эквивалентности цикла при описании режима нагруженное г и железнодорожных мостов //

13. Исследования работы искусственных сооружений. Новосибирск, 1970 С.145-149.

14. Бокарев С А Управление техническим состоянием искусственных сооружений железных дорог России на основе новых информационных технологий. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2002. 276 с.

15. Бокарев С. А, Бушин А В, Прибытков С С Внедрение новою информационного обеспечения в систему эксплуатации искусственных сооружений на сети железных дорог России // Путь и пулевое хозяйство. 2003. №2. С. 9.

16. Бокарев С А, Мурованный ЮН, Ращепкин А А, Рыбспов ЮВ, Никитин Д А , Мартынов ДII. Программное обеспечение определения условий пропуска нагрузки по грузоподъемности в составе: АРГОМ, ЛРГОН и АРГОбп. Свидетельство ЛЬ 166 в ОФАП ОАО «РЖД» от 31.05.2006.

17. Бокарев СА, Прибытков С С Информационно-справочная система по ИССО на новых программно-технических комплексах (АСУ ИССО v.3). Свидетельство № 664-2 в ОФЛ11 МПС России от 31.03.03 г.

18. Бокарев С А, Прибытков С С, Мочспкин ПС Основные принципы разработки АСУ ИССО третьего и четвертого поколений. Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу. Тезисы региональной научно-практической конференции. Новосибирск, 2002 г. С 160-161.

19. Бокарев С А, Ращепкин А А Новый подход к оценке несущей способности металлических пролетных строений железнодорожных мостов // Путь и путевое хозяйство. 2006. № 11. С. 26-27.

20. Боютин В В Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 446 с.

21. Брик АН, Седова IIМ Совершенствование методов содержания искусственных сооружений с использованием автоматизированной информационной системы // Повышение надежности железнодорожных мостов. C-116 , 1993. С. 12-16.

22. Броу де Б М 11редельпые состояния стальных балок. М., 1953. 216 с.

23. Броуде Б М Распределение сосредоточенного давления в металлических балках. М.: Стройиздат, 1950. 84 с.

24. Броуде БМ Устойчивость пластинок в элементах стальных конструкции. М : Машстройиздат, 1949. 240 с.

25. ГОСТ 27751-88 (С 1 СЭВ 384-87). Надежность строительных конструкций и оснований Основные положения по расчету / Госстрой СССР "м , 1988.7 с

26. Г\се< ДЕ Автоматизированное определение грузоподъемности железобетонных балочных разрезных пролетных строений мостов. Автореф дис . капд техн. наук М., 1992. 20 с

27. Допо1шш1С1Ы1ые напряжения моетовыч ферм от жесткости узлов и их практическое шачение / П.О. Патом, H.A. Клех, М II. Яцына и др. М., 1930.318 с.

28. Евграфов Г К, Лятн Л Б Расчеты мостов по предельным состояниям. М.: 'I рапсжелдориздат, 1962. 336 с.

29. Ефимов ПII Усиление и реконструкция мостов: Монография / СибАДИ Омск, 1996. 154 с.

30. Захаров В Г, Лазарев АН, Рупасова ИВ, Ярохио В И. К'пропуску тяжелых нагрузок по пролетным строениям проектировки ПСК // Повышение эксплуатационных качеств железнодорожных мостов. JI., 1989. С. 25-27.

31. Инструкция по обследованию и перерасчету металлических железнодорожных мостов. Утв. ЦПЗ Косорез 09.10.1932 г. М.-Л.: Транспечать ПКПС, 1933. 128 с.

32. Инструкция по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации / Департамент пути и сооружений ОАО "РЖД". М.- Транспорт, 2005. 62 с.

33. Иостевский Л И Организация эксплуатации железобетонных мостов на сети железных дорог России // Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1995 г. (Часть I). М., 1997. С29-31.

34. Иостевский ЛИ Практические методы управления надежностью железобетонных мостов. М.: Науч.-изд. центр "Инженер", 1999. 295 с.

35. К вопросу о временной вертикальной нагрузке для расчета ж.-д. мостов / II. Парамонов, Н. Лялин, К. Гума, II. Тихонов. М.: Трансжелдориздат, 1935 80 с.

36. Казарновский В С Иовосеюв А А Исследование местного напряженного состояния балок с тавровым поясом // Изв вузов. Стр-во. 2000. № 9. С. 139-143.

37. Кату пин А Т Основные положения классификации пролетных строений металлических мостов по грузоподъемности // Гру юподъемность металлических пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов Л., 1964 , С 6-32.

38. Кирста А А , Лобода В M Автоматизированная подсистема определения I еометрических характеристик составных сечений металлических мостов // Исследования искусственных сооружений на железнодорожном транспорте. М., 1990. С. 19-27.

39. Копту M Delphi 4 для профессионалов. С-Пб.: Издательство "Питер", 1999.'1120 с.

40. Лесомш БФ, Мешшков ЮЛ, По тьевко ВП, Хромец 10 H Металлические мосты. М.: Трансжелдориздат, 1959. 188 с.

41. Напряженное состояние мостовых ферм и опытные исследования: Десятый Сборник Отдела Инженерных Сооружений. М.: Транспечать, 1926. 169 с.

42. Осипов ВО Долговечность металлических пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов. М.: Транспорт, 1982. 287 с.

43. Пименов В В Классификация элементов мостов с многозначными линиями вчияния // Путь и путевое хозяйство. 1993. № 11. С. 23-24.

44. Пименов В В Упростить методик) классификации мостов и нагр)зок // II) ть и п\тевое хозяйство. 1991 № 12. С. 12

45. Писицын ME К вопросу о гр)зоподъемности железнодорожных мостов М. Трансжелдориздат, 1949. 220 с.

46. Прибытков С С Обоснование нормативных требований к содержанию мостового плотна на железобетонных пролетных строениях с ездой на балласте. Автореф. дне. . канд. техн. на) к 11овосибирск, 2006. 20 с.

47. Проектирование металлических мостов / A.A. Петропавловский, НИ. Богданов, 11.Г. Бондарь и др. М., 1982. 320 с

48. Райзер ВЦ Теория надежности в строительном проектировании. M Пзд-во Ассоциации Строительных В\зов, 1998. 303 с.

49. Расчеты металлических мостов Тр)ды всесоюзного научно-исследовательского инстит\та железнодорожного строительства и проектирования / Лялин 11 Б , Стрелецкий H H , Шелестенко Л П. и др М. Граисжелдоризда!, 1955 192 с

50. Рагцепкин А А Автоматизированная система расчета эксплчатирхемых металлических пролетных строений железнодорожных мостов// Вестник СГУПСа Вып 13 Новосибирск Изд-во СГУПСа, 2006. С. 133-14657