автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Сталежелезобетонные пролетные строения мостов с гофрированными стенками

„в о* „

,,,^м6сйобскш государственный

И1 АВТОЫОВШИО-ДОРОЖНШ ИНСТИТУТ . (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

СТАЖНЕЛЕ30БЕТ0НШЕ ПРОЛЁТНЫЕ СТРОЕНИЯ МОСТОВ С ГОФРИРОВАННЫМИ СТЕНКАМИ

Специальность 05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МХКВА 1993

Работа выполнена в Московском Государственной автомобильно-дорожном институте на кафедре Мостов и транспортных тоннелей. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Поталкин A.A.

Официальные оппоненты - Стрелецкий Николай Николаевич,

д.т.н., профессор; Викторов Борис Иванович, к.т.н., профессор.

Ведущая организация - Государственный проектно-изыскатель-

ский институт Гипротрансмост Защита состоится " ^ " I9S3 г.

в 14 часов на заседании специализированного совета К 053.30.03 ВАК РФ при Московском Государственной автоиобильно-дорожном институте (технический университет) по адресу:

125829, Москва, ГСП-47, Ленинградский проспект, 64, аудитория 42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " ■МОХ 1993 г Отзывы просим предоставлять в двух экземплярах с подписьо, заверенной печатью.

Учкный секретарь специализ!фОванного совета, кандидат технических наук, доцент

0.В.Воля

Общая характеристика работы

Актуальность работ!:: Вопросы экономик металла, уменьшения металлоемкости конструкций, сникенкл трудоемкости кг изготовления и монтаза являются актуальными для строительства. До настоящего времени эти задачи решали путем использования сталей повышенной и высокой прочности, применения более мощны сечений стальных профилей, внедрения новых экономических профилей проката и создания новых рациональных конструкций.

Одним из Еффективнкх современных видов металлопродукции являются гнутые гофрированные профили, изготавливаемые методом холодного профилирования. Они находят самое широкое применение в конструкциях и машинах в качестве декоративных, ограждающих и несущих элементов, позволяя значительно повысить эксплуатационные и эстетические качества изделий при одновременном снижении собственной пассы и трудоемкости изготовления. Максимальный, эффект экономки металла дао получить путем применения тонированных профилей в конструкциях, изготовленных крупными сериями. Одной из самых массовых конструктивных форм, используемых в строительстве, судостроении, машиностроении, мостостроении и других областях является балка.

Снкгекие собственной массы балок - актуальная задача, решение которой позволит съзконокить народному хозяйству десятки тысяч тонн металла. Одним из путей решения этой задачи является замена плоской стенки гофрированным профилем.

.Цзяь работы - ррсч5тно-:гонстру;г?грское обоснование возможности и эффективности применения балок с гофрированными стенками ь сталекелезобвгснпнх пролетных строен:!ях авто дорезай мостов.

Объект исследования - сталежелеообетонные пролетные строения со стальными двутавровыми балками, в конструкции которых для стенки используется гофрированный профиль с вертикальным расположением гофров.

Научная новизна работы состоит в следующей: -- произведен анализ и выполнено обобщение методов расчета на прочность и устойчивость (в том числе б упругопластической стадии) балок с гофрированными стенками;

- расчетно-теоретическими исследованиями и проработками покааана эффективность применения гофрированных стенок в сталежелезобе-тонных пролетных строениях;

- определены рациональные параметры гофрированных стенок с позиций общей и местной устойчивости;

- исследованы закономерности несущей способности балок с гофрированной стенкой в зависимости от геометрических параметров стенок.

Практическая ценность работы. Гофрщгаванием стенок в стале-железобетонных цролетных строениях мостов увеличивается устойчивость балок и упрощается их конструкция в результате отказа от ребер жесткости, что способствует снижении расхода металла на стенку и трудозатрат на изготовление балок и пролетного строения в целом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на еаегодных научно-исследовательских конференциях МАДИ в 1991, 1992, 1993 годах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, основных выводов и списка использованной ли- ■ тературы. Она включает Г?1 страницы, в том числе 39 рисунков, таблиц. Список литератури содержит 47 наименований.

Содержание работы

Во введении изложено обоснование актуальности тепу и общая характеристика работы.

В перЕОй главе выявлены основные тенденции и направления российского и зарубежного мостостроения в области сталежелезо-бетонкых конструкций, произведен анализ опыта применения гофрированных стенок, рассмотрены конструкции и особенности работы балок с гофрированными стенками. Выпольен анализ методов расчета балок с гофрированной стенкой на прочность и устойчивость.

Описывается некоторые новые аден в области сталеиелезобе-тонккх аролеткчх строений мостов, гсак-то:

- соединение Езлезобетэнной плиты с поясами (для совместной работы с балкам?) пролетного строения) за счет трения (сцэплеиия) мевду бетоном и сталью (рис. I). Мгтод заключается в том, чтобы гаменнть г/>гдтсгтечыше эле:;знта -двумя вертикальными плитя-1/и, привареннь»'м к зерхкгму поясу банк!);

- соединение двух хелйзсботошглс плкт с помощью стеши из волнистой мостовой стали, профиль которой напоминает шпунтовую станку (рис. 2);

- комбинирование железобетонной плигы вверху и иетамлхчесчой трубы, заполненной бетоном, внизу с соединением кс между собой с помовдьэ стекки из волнистой листовой стали (рис. 3).

В развитых калкгалистических странах (США, Йраяция. Япония, Швейцария) з связи с увеличением стоимости рабочей силы и тоцти неизменной ценой <ггали, наблюдается стремление упростить конструкцию мостов с целью снижения трудовых затрат, иногда даже за счет некоторого перерасхода, материалов. Поэтому актуален поиск новых конструктивных решений. Ыы считаем однга из аффек-

I_I

Рис. 1 - объединение плиты с поясом за счет трения

5 - коэффициент трения

Рис. 2 - две железобетонные плиты соединяется ибаду собой с помогла стенки из волнистой листовой стали

Рис. 3 - верхняя железобетонная плита и нижняя металлическая труба соединимся ыенду собой с поиоцыо стенки из листовой стали

I_I

тивных направлений - применение балок с гофрирований!! стенками в пролетных строениях мостов. Эти балки до настсяпего времени применялись,в основном, в промнлленном строительстве.

К рассматриваемым балкам относятся балки, у которых в стенке дчя повышения ее местной устойчивости созданы гофоа различного очертания. В'обнчкых балках толщина стенки, требуемая по ус-лоьиям прочности на срез, примерно в 2-4 раза меньше, чем необходимая по условиям местной устойчивости. Поперечные ребра жесткости, обеспечивающие (лестную устойчивость стекки, я вялится одновременно диафрагмами, существенно повышающими крутшгъную жесткость балок. Стремление удовлетворить этим требования:« при одно-времшшом снижении расхода металла и привело к идее гофрирования сте;;ок двутавровых балок. Гибкость таких стенок пон'^заетсл до 300-600. Од-говреыгнно отпадает необходимость в поперечных ребрах кесткости. Повышается крутильюя жесткость балки, что особенно пажно для главных балок пролетных строений мостов.

Для изучения особенностей работы балок с го^ркраванныии стенками в России, начиная с середины 1930-х годов, а также в зарубежных странах бьта? проведены эксперименты с различными моделями балок. Установлено, что нереальные напряжется , которые возникает от изгиба, наблюдаются з стенязх только у поясов и очень быстро падают практически до нуля, ибо стенда поперек гофров сопротивляться не может (рис. 4). Гофры передают усилие на пояс, рэстазляя его испытывать определений и менпзщийся по направленч» изгиб в своей плоскости. ДеформатиЕНоегь балок с гофркрунакной с?е;:кой нг. 15-20% меньше, чем у балоа такого пе сечения, но с гибкой стенкой той же толщины. Предельное состояние наступает вследствие потери местной устойчивости стенок под действием местных воздействий ст сосредоточэнкьх сил. Балки с 1—1

п

Рис.. 4 - эпюры напряжений в балках с гофриро Банной стенкой:

а) нормальных;

б) касательных.

_I

I_I

гофрированной стенкой работают как обычные с лучшими показателями (устойчисость. крутильная жесткость, экономичность и простота) .

Балка с гофрированной стенкой представляет собой систену, составленную из элементов с различными упругими характеристиками.

Все существующие методы расчета балок с гофргрэванной стенкой сводятся к замене стенкч конструотивно-апиготропной пластинкой, то есть рессматривается балла из двух различных материалов -изотропных поясов и ортотропкой стекки. В силу относительно небольшой толщины поясов и стенки !,:о.лнс считать, что они находятся в условиях плоского напряпенного состояния. При использовании для расчета гофрированной пластины модели эквивал«лной ортотроп-ной пчасткнкк необходаю определить ее упругие постоянные. Б дне-сертацк»; представлен".: общие виракек^я различных авторов дли ко-эффицмс;ггоз анпзотрол::и, через которые выракаятся упругие характеристики, порученные из условия равенства потенциальной энергии деформации гофрированного и гквигалентного глздиого элемента..

В настоящей работе решалась гадача общей устойчивости конструктивно-анизотропной пласт;;нь. е упругопчастической стадии, что соответствует проверке устойчивости стенки балки.

Дк^Зэренциальное уравнение устойчивости пластины, подверженной сдвигу, имеет ввд:

Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния балки с гофрированной стенкой

я*)* ^УГ

дЧу - 2иь

~ Го Вхд^

Его решение для бесконечной полосы шириной ставить в виде (для критического усилия):

т

й мозло пред-

Тгяхг- эЪЬхУу

Г

/

где в = 20 - для полосы с отпертыми сторонами;

0=34 - для полосы с заделанными продольными сторонами.

- отношение секущего моду-

ля к исходному модуле упругости Е.

Расшифровка жесткостей^, и дана з диссертации.

Во второй главе выполнено исследование и выбор методики расчета на устойчивость и прочность балок с гофрированной стенкой, рассматривается влияние параметров гофрирования стенки на ее устойчивость, решается задача выбора рационального сечения балок с гофрированной стенкой, а также выполнены некоторые сопоставления сталекелезобетойных пролетных строений мостов с г офр1фо ванными стенками и с гладкими стенками.

Для исследования устойчивости гофрированных стенок балок наиболее эффективной расчетной моделью в настоящее время является модель эквивалентной ортотропной пластинки.

Вертикальные ребра разделяет гофрированную стенку на отсеки, которые можно рассматривать как отдельные пластинки, загруженные соответствующим образом.

Анализ экспериментальных исследований устойчивости гофрированных стенок реальных балок, выполненных в Уральском политех-

ИО I

1_I

ническом институте. Казахском отделении ЦНИИПроектстальконст-

гофрированной стенки аналогична качественной картине потери устойчивости плоской стенки балки, часто подкрепленной поперечными ребрами кесткости, расстояние между точками закрепления которых равно шагу гофрирования.

В том и другом случаях может произойти либо потеря местной устойчивости плоскости гофра (что аналогично потери устойчивости плоской стенки между ребрами жесткости), либо вся гофрированная стенка потеряет устойчивость с характерным продавливанием вершин гофров, что аналогично потере устойчивости ребра жесткости в балке с плоской стенкой. Указанная аналогия позволяет применить известную методику к расчету на устойчивость гофрированных стенок.

В диссертации сделан анализ методов расчета гофрированных стенок на мест ну о и общую устойчивость. Такке рассмотрено влияние изменения параметров гофрирования на общую и местную устойчивость стенки (рис. 5, б, 7). Анализ позводяет рекомендовать проверку гофрированных стенок на устойчивость выполнять следующим образом.

На местную устойчивость Т" ¿г Точ'т С учетом равномерного распределения касательных напряжений по высоте гофрированной стенкой.

рукции, во Франции ( £а$(ез и £501$ ) и з США ({¿асами Хамада) показали, что качественная картина потери устойчивости

и

ч?оо

Чеоо .

зт

зооо

¿600..

20РР

иоо

то

Т"ссх (иге/СМ1)

4-

4-

40

45

го

¿Г

л>

35 <

Рис. 5 - Зависимость местного критического напряжений от гага гофрирования:

1. По методике 2.С.Максимова

2. По методике А.Н.Степаненко

Рис. 5 - Засисааость от толщины стенки при

h = 200 см и S = 17,5 са

1. По методике ДОИИПСК (D.C.Максимов)

2. По методике Уральского ПК (А.Н.Степанекко) , I'. (

г

Cjffi (К1С/СН1)

vooo

6 ООО

SDOO

чосо

ÍBOO

гооо

то

ь.6 13 -и це

■15

•í/t

Рис.

7 - Зависимость общего критического напряжения от высоты гофрирования

1) По формуле

2) По методике Уральского политехнического института (А.Н.Степаненко)

3) По методике ЦНИШроектстальконструкции Казахского отделения (2.С.Максимов)

4) По формуле £5в*£

где: £ - толщина стенки

Б - длина полуволны Ь - высота стенки. На общую устойчивость

г ¿г,

С«*Г

■ т?

т"

или '•«и =--

где: /- высота гофра

Е - модуль упругости стали А - высота стенки.

Результаты опытов разных авторов показывают, что стенки балок с вертикально гофрированными стенками очень мало участвуют в восприятии нормальных усилий (они ведут себя как гармошка), поэтому часто принимается А!! = 0. Это обстоятельство очень ваяно, когда применяется предварительное напряжение железобетонной плиты, так как не возникает усилия обратного знака в противоположной плите или поясе. Все усилия от предварительного напряжения остаются в сжимаемой плите, что собственно и требуется.

Анализ выполненных численных расчетов и построенных по ним графиков (рис. 5, 6, 7) позволяет характеризовать влияние параметров гофрирования стенки балки на ее критические напряжения I_I 05]

следующим образом:

- с увеличением высоты гофров увеличивается общее критическое напряжение и уменьшается местное критическое напряжение;

- с увеличением высоты стенки уменьшается критическое напряжение и местное критическое напряжение;

- с увеличением толщины стенки увеличивается общее критическое напряжение и местное критическое напряжение;

- с увеличением шага гофрирования стенки балки уменьшается ее местное критическое напряжение.

Эти положения учитывались при разработке методики выбора рациональных параметров гофрирования стенки.

Проверке, прочности стелеяглезобетоиного сечения балки с гобоированной стенксй

В настоящее время существувт две методики расчета на прочность балок с гофрироБанными стенкаук.

Первая исключает эффект от защемления сте;:ки поясами и принимает, что нормальные напряжения воспринимаются только поясами. Эта методика справедлива,на наш взгляд, цри малой высоте балки, когда гибкость етенки мала ( у\ 4 500).

Вторая методика целесообразна, если стенка имеет болыцую высоту. Участок стенкч, воспринимающий нормальные напряжения вместе с поясами становится большим и его необходим учесть.

Такая методика разработана в ПЩШрое'лтсталысонструкцки им. Мельникова (Г.М.Остриков, С,С.Максимов, В.В;Дол:1лс:сий). Методика предлагает заменить гофрированную с?гкху на эквивалентную плоскую стенку переменной толщины по высоте (рис. 5). В диссертации дан анализ этой методики и предлагается ее использовать для расчета на прочность сечений сталежелезобетоьного пролетного

■г

хг*

5,

Хч

&

Рис. 8. а) зг.юра нормальных напряжений

- по результатам расчета на ЭШ б) параметры плоской эквивалентной стенки

г

строения мостов с гофрированными стенками. Расчет по этой методике снижает расход металла на Ъ-П% по сравнению с первой методикой.

Некоторые сопоставления сталежелезобетонных пролетных строений мостов с гофрированными стенками и гладкими стенками

Для сравнения выполнены конструктивные расчеты сталежелезобетонных пролетных строений с гладкими и с гофрированными стенками.

Рассмотрено неразрезное трехпролетное строение (одноплитное и двухплитное) 63 + 84 + 63 м и оддацролетное строение -8 - 63 м. Результаты расчета представлены в таблицах I, 2, 3). Заметим, что в сечении кроме конструкции гладкой стенки изменялась толщина стенки: для гладкой стенки она составляла t = 1,2 см; для

гофрированной стенки - £ = 0,8 см. Здесь мы исходим :-:з того, что существующая технология не позволит гофрировать металлические листы с большей толщиной.

Анализ результатов численных расчетов сталежелезобетонных пролетных строений с гофрированными стенками и с гладкими стенками позволяет сделать следующие выводы:

1. Замена гладкой стекки металлических балок гофрированной стенкой снижает прочность сечения на 6-11$.

2. Замена гладкой стенки металлических балок гофрированной стенкой делает регул1фоаание пролетного строения,менее эффективным и увеличивает эффект предварительного напряжения.

3. Замена гладкой стенки металлических балок гофрированной стенкой увеличивает устойчивость балок на 20-252.

I_I

Таблица I

Напряжения в сечениях балки с гладкой стенкой и с гофрированной стенкой (в скобках - напряжение в сечении балки с гладкой стенксй)

Сечения в середине пролета к на опере

61 2 (КГс/сМ ) <Э* Р (кгс/см ) <51 ? (кгс/см ) н (кгс/см ) тоГ " 2 (кгс/см )

145 2649 2702 1466 1472

(125) (2673) (2498) (1081) (Ш2)

> "" ' I 1

I_I

&

й? сечения

Таблице 2

Напряжения в сечениях балки с гладкой стенкой и о гофрированной стенкой одноплатного Пролетного строения (в скобках - напряжения в сечениях балки с гладкой стзнкой)

С регулированием Продвгригвль-+ 05 т ноо напряжение

(на опорэ)

Н

- 33 т (п середине)

и рзгулнрование У« 630 т

Без рзгулирования С преднапряже-и преднапряжения нием на опоре

Я« ?£> т

кгс/см -"3142 3142" (- 68) (2550) (2950)

<ое ё„

кгс/см

"¿388 "3402

6* ? €л <о„ бг „ (у,

кгс/см -"- кгс/см -"-

"- 153 3462~3462 ш1ГзЗб7

10

178

2596 2868

147

2802 2832

130 2802 2833

сечсниз № 6

ТГ

6ЪМ

сечение № 10 |1

¡К

»

[

[

Таблица 3

Напряжения в сечениях балки с гладкой стенкой и с гофр!фованной стенкой двухплитного пролетного строения (в скобках - напряжения в сечениях балки с гладкой стенкой)

С регулированием + 25 т (на опоре) - 33 т (в середине)

Я

Т

Предварительное напряжение и регулирование

Н = 680 т

25 т

Без регулирования С предваритель-и предварительного ным напряжением напряжения

№№ сечения

б;

I

г/

р <01 б» б} р-кгс/см ' -"- кгс/ см

¿1

кгс/ см к г с/см

6 - 64 58 2006 2672

(- 86) (2950)(2950)

10 172 - 116 4171 3708 160

(133) (2385)(2495)

58 2943 2966 - 137 124 2491 2762 - 124 2402 2354 - 4163 2220 147 - 98 3378 4040 137 - 2107 4033

Я-ЗЕ-Л-

63 м 84 м 63 м -<-^-

Г -1

4. Ог замены гладких стенок металлических балок сталежелезобе-тонных мостов гофрированными стенками получается экономия стали до 20-25%, снижение трудозатрат до 15-20*. за счет исключения ребер жесткости. Можно отметить также хороший архитектурный вид.

Оптимизация параметров го$рированных стенок

С позиции обк,ей и местной устойчивости балок с гофрированными стенками определены рациональные параметры сечения и гофров, выведена формула, отражайся рациональное соотношение параметров гофрированной стенки.

-^Г

По этой формуле построен« соответствующие графики (рис. 9).

! 22!

1_!

А5" эо

30 ■10.. во.. .50

ж -¿о. /0_

= 0,4 С*

±=0.6 см

1;= О.Уе»

0,4 с«

50

т

¿00

250

к (СП)

Рис. 9. Зависимость /-5 от еысоты стенки при разных толщинах стенки

0.4 см; 0,5 см; 0,6 см и Б= ЗГ I из форцулы | 23 |

общ ыводы

1. ЕЬязлены основные тенденции и направления российского и зарубожного мостостроения в области стадегелезобетонннх конструкций. Характерно уцропенге конструктивных форм, иногда в ушерб экоасмЕИ материалов.

2. Произведен анализдвыполнено обобаенпе катодов расчета

за прочность и устойчивость (в том -числе в упругс-плаоюи-ческой стадии (стр.10) балок о гсфрировашшми стеякаш.

3. Раачетно-теоретмескЕЫи исследовялЕялн и проработками показана эффективность лрымененЕ.1 гофрирование стенок в сталежелезобэтоншх пролетных строениях мостов: экономия стала до 20 - 25^, снежснев лру^огзтрат до 15 - 20$

4. Определены рахрслсльЕко парлгдтр^ гофрцровалк^х стенок с позиции обзеЁ и иесзаой устсГлгаоота по предлагаемой наш: формуле. Здесь использована идея (критерий) равенства по устойчивости обдта и кэстных критических касательных напряжений. Предложена зишстрготатся графиками

. (сзз>.22).

5. Исслэдова^и закономерности несулей способности балок с гофрироЕаннЕлп стовкеуи з зазяссь'.ости от гео.\:отрпчеекгх параметров стенок: прочность сэчзнея укааъшается на 6-1Й, устсЁ-^Езосгь стенка з^зличивается на 20 - 25$, повышается зффект предварительного напряжения.