автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Сварные железнодорожные сплошностенчатые пролетные строения со "свободными" поясами

ПЕТЕРБУРГСКИ» ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

АГЕЕВ Владимир Сергеевич

УДК 624.27+624.043.2:624.043.7

СВАРНЫЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ СПЛОШНОСТЕНЧАТЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ СТРОЕНИЯ СО «СВОБОДНЫМИ» ПОЯСАМИ

05.23.15 — Мосты и транспортные тоннели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте мостов Петербургского института инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор А. Г. ДОИЛЬНИЦЫН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Н. И. НОВОЖИЛОВА, кандидат технических наук, доцент А. И. БОГАТЫРЕВ Ведущее предприятие — Ленгипротрансмост.

Защита состоится «^Л» . ¿/¿•о/**^ . . . 1992 г. /3

в ...... . час. на заседании специализированного совета

Д П4.03.04 при Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 3-237.

С диссертацией можно • ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат разослан «» . . . . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук И. М. ЧЕРНЕВА

. Подписано к печати 21.04.92. Усл. печ. л. 1,68. Формат 60Х841/(б- Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 537. Бесплатно.

Тип. ПИИТа. 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

'' •: характеристика работц

Актуальность теш. В настоящее время на сети железных дорог эксплуатируется большое число сваршх пролетных строений мостов с ездой поверху со сплошностенчатыми главными баллами. Большинство из них изготовлено в последние 20 лет.

Массовое обследование эксплуатируемых пролетных строений, включая и балки проезжей части пролетных строений с решетчатыми главными фермами, свидетельствует о появлении и развитии в стенках балок после непродолжительного срока их эксплуатации трещин усталостного происхождения. В настоящее время выявлено и классифицировано около 20 типов трещин во всех без исключения типовых конструктивных решениях сваршх пролетных строений. Определявшим фактором появления этих трещин является наличие зазоров мевду концами ребер жесткости и поясами балок, создающих возможность изгиба стенки из её плоскости на малой длине выреза ребра при изгабно-крутильных деформация пояса от ьнецентреяного приложения давления со стороны мостового полотна. Трещины, развивающиеся у обрывов ребер гесткосгя параллельно поясам, наиболее опасны и создают угрозу несущей способности балок.

Вопрос обеспечения необходимой надежности сварш.: железнс-дорокных сплошностенчатых пролетных строений с ездой поверху является в настоящее время проблемным, так как его решение направлено на повышение безопасности движения и долговечности конструкций.

Наиболее часто при разработке мероприятий по усилению и совершенствованию пролетных строений прибегают к повышению жесткости узлов прикрепления вертикальных ребер к поясам балок различными конструктивным приемами, уменьшая до минимума поперечные перемещения поясов и стенки.

Наряду с этим существует и иное решение, заключающееся в приспособлении конструкции для восприятия изгибно-крутильяых деформаций. Сснови1м техническим приемом здесь является увеличение высоты зоны свободной деформации стенки у поясов и удаление кз этих зон ребер жесткости и мест крепления элементов связей. Этот путь ведет к созданию принципиально новых конструкций - пролетных строений со "свободными" поясами. Но в настоящее время не

имеется достаточных теоретических и экспериментальных данных о прочности таких конструкций, их эксплуатационной надежности и долговечности, о методе их расчета.

В настоящей диссертации изложены основные результаты проведенных автором исследований статической прочности и усталостной долговечности главных балок со "свободными" поясами железнодорожных сплошкостенчатых пролетны* строений.

Представляемая работа выполнялась по плану НИР 1Ш мостов в рамках Координационного плана "Повышение стойкости' сварных пролетных строений железно/"орожных мостов против усталостных и. хрупких разрушений", утверздэнного МПС, Минтрансстроем и ИХ им. Ё.О.Патона в 1985 году.

Целью работы является исследование особенностей работы свободно деформируемых зон стенки балок сварных сплошностанчатых железнодорожных пролетных строений со "свободными" поясами; оценка их статической прочности и усталостной долговечности; разработка методики расчета пролетных строений такого типа на статическую и усталостную прочность.

Научная новизна расоты состоит в следующем:

- исследованы особенности работы и даны практические рекомендации по конструированию главных балок со "свободными" поясами железнодорожных сплоипостенчатых пролетных строений с ездой поверху;

- определено зависимость наирякенно-доформированного состояния "свободной" верхней зоны стенки балки от её геометрических размеров и разработки на этой основе методики расчета стенки на статическую и усталостную прочность;

- решена пространственная задача и предложены инженерше способы расчета по определению величин концентрации напряжений вблизи подкрепленных отверстий в стенках балок пролетных строений о трубчатыми связями большого диаметра, являющихся одним из вариантов исследуемых конструкций.

Достоверность резулхтатов теоретических исследований подтверждается использованием апробированных расчетных методов численного моделирования и данными экспериментов.

Пргтаическое значение результатов работы состоит ч следующем:

- теоретически и экспериментально обоснована перспективность и целесообразность примопния сгаркых железнодорожных сплоиностен-

чатах, пролетные строений с балкам, имеющими "свободные" пояса;

- разработаны практические рекомендации по конструированию балок со "свободным!" поясами;

- получены расчетные характеристики сопротивления усталости свободно деформируемой зоны стенки;

- определены расчетные зависимости мелсу на пряже ниями изгиба стенки из плоскости балки, вознлкакхцими в верхней зоне стекки при внецентренной передаче давления от мостового полотна, и геометрическими размерами пояса и стенки;

- разработана инженерная методика расчета балок со "свободным]" поясами на статическую и усталостную прочность.

Внедрение результатов. На основании проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских, работ, с участием автора, подготовлены технические задания на проектирование и разработаны Ленгипротраксмостом рабочие чертежи экспериментальных пролетных строегшй со "свободными" поясами пролетами II м (чертежи № 902 РП - ЮЛ) и 23 м (чертеяи !Ь Эг\ РП - КМ). 3 этих проектах использованы рекомендации автора по конструктивным решениям и расчету главных балок пролетных строений.

В настоящее время на Днепропетровском заводе металлических конструкций закончено изготовление экспериментального пролетного строения с трубчатыми связями большого диаметра пролетом II м (применительно к продольным балЕсам проезжей части решетчатых пролетных строений) и принято Воронежским мостовым заводом к изготовлению опытное пролетное строение со "свободными" поясами пролетом 23 м.

На зьдпту выносятся:

1. Принципиальные конструктивные решения сварных ба.-ок хелез-нодоролсных пролетных строешш с ездой поверху со свободно деформируемыми верхними зонами стенок.

2. Методика расчете свободно деформируемой верхней зоны стенки на статическую и усталостную прочность.

3. Расчетная методика определения величин концентрации напряжений в стенках балок вблизи подкрепленных отверстий в пролетных строениях с трубчатыми связями большого диаметра и проверю! прочности стенки.

Апробация работ:.'. Материалы диссертационной работы доложены и одобрены на:

- 1-й и 2-й международных конференциях молодых ученых и специалистов в ИХ им.Е.О.Патона в 1988 - 1989 годах;

- Международной конференции "Сварные конструкции" в ИЭС им. Е.О.Патона в 1990 году;

- 48-й и 49-й научных конференциях Ленинградского инженерно-строительного института в 1990 - 1992 годах;

- расширенных заседениях кафедры "Мосты" ПЖГ'а в 1987 -1992 годах.

По результатам исследований, выполненных в диссертации, опубликовано 4 работы и выпущено 2 научно-технических отчета.

Структура и объем работы. Диссертацяонная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений.

Работа изложена на страницах машинописного текста, включая 41 рисунок и 9 таблиц. Список использованных источников содержит 81 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, сформирована новизна и практическая значимость результа- • тов исследований.

В первой главе подробно рассмотрены характер и причины усталостных повреждений а эксплуатируемых пролетных строениях, а также проведен анализ путей совершенствования данного класса конструкций .

В нашей стране массовое целенаправленное применение сварки в железнодорожных мостах началось в 50-х годах. За относительно короткое время были разработаны и внедрены типовые проекты пролетных строений для перехсрытия пролетов практически любых длин. Большой вклад в сварное мостостроение внесли В.Ю.Шишкин, Ю.Б.Ща-пиро (НИИ мостов), А.Г.'Доильшщци (ПИИТ), В.О.Осипов (ШИТ), К.П.Болы" аков (ЦНИИС), В.И.Труфяков, В.И.Дьорецкий (ИЭС им.Е.О.Патона), В.Г.Орлов (ВНИИ2Т), К.П.Виноградов (Лекгипротрансмост), Б.Н.Монов, П.И,<Зрешсель (Гипротрансчост) и др.

Проектирование пролетных строений велось на базе конструктивных решений, присущих клёпанным пролетным строениям, с заменой заклёпочных соединений сваркой. Появление усталостных треидш в элементах конструкций в процессе эксплуатации свидетельствует о

их конструктивно-технологических недостатках. К числу конструктивных недостатков пролетных строений по типовым проектам Ш» 690, 821 и 739 следует отнести: большую ширину верхних поясов, достигавшую 560 мм, и пониженный уровень крепления элементов продольных и поперечных связей к вертикальным ребрам жесткости. При наличии (или появлении в результате расстройства соединения) зазоров меяду торцами ребер и поясами балки создается возможность поперечного смещения поясов, вызывающее изгибно-крутильные деформации стенки из плоскости на малой длине выреза вертикального ребра. Динамическое воздействие подвитого состава, создающее пульсирующий двухчвстотный цикл нагрухения, приводит к развитию усталостных трещин по концам швов приварки вертикальных ребер к стенке. Эти участки являются зонами концентрации напряжений, в том числе высоких остаточных сварочных напряжений, и зонами скачкообразного изменения гибкости стенки в поперечном направлении. Негативное воздействие оказывают и дополнительные горизонтальные усилия со стороны поперечных связей и тротуарных консолей, прикрепляемых к ребрам жёсткости.

К технологическим недостаткам относится отмеченное В.Г.Орловым и В.С.Гиренко появление слоистого растрескивания в стенке балки в результате термодеформационного цикла сварки и насильственного прижатия ребра в процессе приварки парных вертикальных ребер, которое развивается при эксплуатации в усталостную трещину.

Эти недостатки, а также снижение предела выносливости сварных соединений при двухчастотном динамическом нагруяении, исследованное В.И.Труфяковым и В.С.Ковэльчуком, обуславливают столь ра.шее трещинообразование при напряжшиях, значительно меньших предела выносливости.

Полученные исследователями результаты дали новый импульс совершенствованию сварных пролетных строений. В НИИ мостов, ИХ им. Е.О.Патона и ЦНИИС'е были предложена различные конструктивные решения, как по усилению эксплуатируемых пролетных строений, так и по созданию новых конструкций. Все они различимы по трем принципиальным направлениям.

ii первому направлению следует отнести мероприятия, снияавире влияние перечисленных выше неблагоприятных факторов, но не выходящие за рамки традиционных конструктивных решений: например, уменьшение ширины верхних поясов, эаг зна в креплении вертикальны"

ребер сварки на высокопрочные болты, обработка зон концентрации напряжений физическими методами (взрывная, ультразвуковая ударная, термодеформационная обработки ) и т.п.

Вторым направлением совершенствования является повышение жёесткости узлоз сопряжения вертикальных ребер с поясами различными конструктивными способами. Сюда относятся предложения ИЭС им. Е.О.Патона по конструкции цельносварного пролетного строения с жёсткими продольными и поперечными диафрагмами; разработки ЦНИИС и Гипротрансмоста по коробчатым пролетным строениям; способы усиления типовых конструкций ч другие предложения.

При анализе конкретных решений по этим направлениям следует Обратить внимание на то, что а ряде олучаеп сохраняется та же острота концентраторов напряжений в Соседстве с зонами потенциального термодеформационного расслоения металла стенки; сохраняется передача дополнительных горизонтальных усилий от элементов связей на ребра, и, зачастую, увеличивается себестоимость конструкций. Вместе с тем применение перспективных коробчатых сечений не позволяет решить проблему для проезжей части решетчатых пролетных строений, где вопрос тр„щинообразоваш:я стоит столь же остро.

Наряду с этим существует третье направление, предусматривающее приспособление конструкции к восприятию поперечных перемещений поясов, известное по работе Дк.Фишера об отдельных случаях ремонта автодорожных мостов. В его основе заложен принцип увеличения зон свободной деформации стенки из плоскости и удаление из этих зон всех элементов, создающих рассмотренные ранее условия трещинообразования. В результате, пояса и прилегающая к ним часть стенки будут "освобождены" от каких-либо элементов, изменяющих естественный характер деформации из плоскости, создающих дополнительные боковые усилия и нарушающих структуру металла стенки,' В этом смысле подобные конструкции можно именовать пролетными строениями со "свободными" поясами.

Исследования по данному вопросу в нтей стране не проводились, и потому отсутствуют какие-либо данные об особенностях работы таких конструкций, о их применении и конструктивных решениях. Исследования НИИ мостов свидетельствуют о целесообразности развития данного класса конструкций. Были пре,г.яо>:;ещ конструкции, реализующие принципиальное решение свободно деформируемой

Пролетное строение с трубчатыми связями

¡4 •х /ч /ч /ч /Ч /ч А

/ ч/ V V ч/ \

Пролетное строение с горизонтальными ребрами

трубчатый связи продельные сг :зи тонколистовая стянка свободно деформируемая зона стенки горизонтальные ребра

Рнс.1

верхней зоны стенки (Рис.1), такие как пролетное строение с трубчатыми связями большого диаметра, в котором вертикальные ребра и решетки связей заменены тонкостенными замкнутыми элементами; и пролетное строение с горизонтальными ребрами, огравдаю-щими свободно деформируемые зоны стенки от влияния ребер и связей. Верхние пояса балок соеденены тонколистовыми стяжками, закрепленными по оси пролетного строения на поперечных связях и необходимые для ограничения поперечных смещений поясов.

Проведенный анализ позволил определить цеди и объёмы исследований.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям сопротивления усталости свободно деформируемой верхней зоны стенки при изгибно-крутильшх деформациях пояса.

Оценка усталостной долговечности проводилась в сравнении с традиционным решением узла с двусторонними сварными ребрами, оборванными на расстоянии 100 мм от пояса, при нагрузках, вызывающих образование трещины у обрыва ребра в диапазоне 2...4 млн. циклов нагружения при напряжениях изгиба в стенке 60...70 Ша. Конструкция модели исслодуемого решения была выбрана таким образом, чтобы избежать заровдения трещины от крайних сечений, для чего стенке Сила придана переменная bhcot¿ с наименьшим значением 100 мм в средней части образца (Рис.2).

Несмотря на большие величины'деформации и напряжений в стенке (95 ¡На) исследуемой модели у поясного шва и криволинейного пояска вследствии иного характера изгиба из плоскости (близкого к цилиндрическому), усталостное разрушение образца не произошло и после наработки 2x10^ циклов нагружения. Это свидетельствует о преимуществе предложенной конструкции верхней зоны стенки перед традиционным решением.

Определение расчетных характеристик сопротивления усталости проводилось при испытании серии "моделей из стали ЮХСНД при высоте стенки 240 мм. Нагрузка подбиралась по показаниям тензодат-чиков у линии сплавления поясного шва с металлом стенки. Испытания проводились при коэффициенте асимметрии цикла J> = 0,3 на базе Ю^ циклов нагружения.

Репрушение образцов произошла по линии оглавления поясного шва. Трещины заровдались с поверхности металла стенки в средней

Образцч для испмтанпя па усталость

Типоэоэ рокота Исслэдусмое рошеняо

Рио. 2

Красол усталости зоны термического влияния поясного пла

Рис. 3

части длины образца, в сечении с наименьшей высотой стенки. Статистическая обработка результатов показала, что предел выноо-ливости зоны термического влияния поясного шва равен <3 q 3 = 28Ü МПа при коэффициенте корреляции -0,87 (Рис.3), '

Принимая во внимание, что в реальной конструкции исследуемый узел испытывает максимальное усплис под кавдьш колесам подвижного состава с пульсирующим циклом, предел выносливости был пересчитан для j> = 0 и оказался равным CT q « 230 Ша.

Анализ результатов испытаний свидетельствует о том, что долговечность свободно де£армируемой верхней зош стенка определяется сопротивлением усталости зоны термического влияния поясного шва, Изменение остроты концентратора напряжений, которыми являются обрыв вертикального ребра или горизонтальные угловые швы, ограничивающие зош свободной деформации стенки, привело к повышению предела выносливости в три раза, несмотря на наличие термодеформационного расслозная в зоне шва,

В третьей главе содержится анализ исследований напряженно-деформированного состояния балок с отверстиями в стенке, изложены результаты проведенных ¿втором теоретических исследований и экспериментов по изучению концентрации напряжений вблизи подкрепленных отверстий, Полученные результаты легла в основу инженерной методики расчета балок пролетного строения с трубчатыми связями.

Наиболее полно вопросы концентрации напряжений вблизи отверстий исследованы в работах Н.И.Мусхелшвили, Г.Н.Савина, Н.А.Сав-рука, А.С.Космодамиалского, Д.В.ВаЙнберга и других авторов с испльзованием аппарата теории упругости для плоской задачи, В качестве конструктивных параметров, характеризующих конструкцию с круговыми отверстиями в стенке, можно выделить: Ъ/Ц - относительное ослабление сечения, равное отношению диаметра отверстия к высоте стенки балки; D/t - деформативность подкрепляющей оболочки, выражаемая отношением её внешнего диаметра к толщине её стенки; t*>/ß - относительная ширина подкрзпляющей оболочки, характеризующая степень включения подкрепления в совместную работу со стенкой и раиная отношению толщины ^тенки балки к ширина подкрепления,

Анализ работ указанных авторов свидетели гвует, «то точность решений теории упругости обеспечивается при малых значениях конструктивных параметров (Z>///< 0.55; I>/t < 10; t„/&>0.6), тогда

как соображения экономичности конструкции пролетного строения с трубчатым] связями диктуют иные диапазоны (0.6 <■ Ъ/ц < 0.75} 75 <£/¿<150; 0.03 «г ¿^/з*; 0.1).

Существующие методики расчета перфорированных балок по теории безраскосных ферм, изложенные а работах Я.А.Каплуна, Я.А.Олькова, Я.Брудка и др., а также по тео;ии составных балок с упругими связями сдвига, известные по работам А.Р.Ржаницына, В.В.Бирюлева, В.М.Добрачева, В.В.Холопцова « др., не могут быть основой для разработки методики расчёта исследуемых конструкций в силу того, что: основаны на решении плоской задачи; характеризуются недостаточной точностью (20..45^); не дают общей картины напряженного состояния около отверстия; требуют экспериментального определения ряда коэффициентов.

Теоретические исследования концентрации напряжений вокруг отверстий в стенках балок пролетного строения с трубчатыми связями проводились путем численного моделирования с использованием метода конечных элементов. Для этой цели применялся пакет прикладных программ "ЛИРА". Принятая расчётная модель представляла собой консольную двутавровую балку с 'подкрьпленным отверстием в середине консоли. Длина пролёта 2ООО мм при высоте стенки 500 мм. Круговое отверстие апроксимировано неравносторонним шестнадцатиугольниксм. Подкрепляющее кольцо представлено по ширине двумя КЭ пространственной оболочки и стержневым КЭ, лежащим между ними по оси стенки. Нагружение производилось узловой нагрузкой на свободном конце консоли. Расчет был произведен по 123 вариантам с различным сочетанием конструктивных параметров.

В результате исследований установлено, что величина и знак напряжений б, я бу в стенке определяются величиной и эпком изгибающего момента, равно как перерезывающая сила целиком определяет касательные напряжения, не оказывая взаимного влияния на иные компаненты.

Подкрепление отверстия упругим кольцом приводит к снижению напряжений на' контуре отверстия. Величина этого снижения зависит исключительно от деформатявности подкрепления !>/£ и его относительной ширины Ь^/В и индифферентна к диаметру отверстия, т.е. к 1>/Ц . При увеличении толэдп кольца папрягения б* в кольце и стенке под кольцом сни.таатся, тогда как напряжения б/ в стенке под кольцом и Т^ху на нейтральной оси у кромки кольца возрастают.

Как и следовало ожидать, асимметрично расположенная относительно оси станки рубчатая связь включается в совместную работу со стенкой на изгиб лишь на участках, непосредственно примикаэ-щих к стенке, Эффективная ширина включения подкрепления в работу равна удвоенной ширина наименьшего свсса трубчатой связи с па-рунной сторо;ш балки пролетного строения. Исходи из атого, асимметричное подкрепление в расчетах могло эквивалентно заменять симметричным кольцом.

По соображениям экономичности конструкции расстояние ме.%цу осями подкрепленная отверстий в стенках балок исследуемого пролетного строения но долию Сать каньио дсух диаметров отверстия. При этом расстоянии отверстия на оказывают влияния на фпбровио напряжения и т нопряпоная б* и (5К в стенке мееду ними, поскольку их влияние распространяется не далее 0,5 диаметров от кромки отверстия. Однако, влияние на величину касательных напряжений распространяется па расстояние до 1,5 диаметров, т.о. втрое больше.

Для количественной оценки концентрации напряпоний у отверстий использовались коэффициента концентрации двух типов:

¡(¿„ - отнесение напряжения в точке ослабленного сочошш к номинальному напряжению в сечении брутто;

К^ - отношение напряжения в точке ослабленного сечения к напряжению в поясе балки в том же сечении.

Взаимосвязь ыедду коэффициентами концентрации вцрахаотся .отношением; ^

Исходя из результатов расчётов МКЭ били построена семейства кривых, отражающие зависимость коэффициентов концентрации от < контруктившх параметров (Рис,4), Вираазшша в налитическом вида зависимости удобны для 'инжонерных расчетов.

Так, коэффициент концентрации для напряжений вн в кольцо кокет бить найден из выражений (2) (линия I на Рис.4):

* (Ш) *А,

л - , ¿ (2)

Эппяспмоать КОаХ'^ЦПОНТОЗ КС'ЩСЦТРГ.ЦПИ ОТ КС!!СТруКТ:!2Н:1х парг.:.:атрсп

Л>,

I.Ü

0.8

0.G

2.3 2,2 2.1

0.J5

О.Х 0.05

I _______

À

\i 3 ~7

1/ i

tus/i3

Ряс. 4

Коэффициент концентрации для напряжений <3„ в стенке балки в сечении по оси отверстия на расстоянии четверти выооты стенки от кольца до пояса находится как (линия 2 на Рис.4)5 Kt3 - Ц'« * 0003 (P/t - Z6J so <Л)/и 75

, is ,

«> (D/t/J (t/Vj + <У, 75«rD/t <150 (з)

д -- (S/f/f к tu,/ä -ООЪ

г у /.«? * o/u)

Напряжения (3 у в стенке по оси отверстия могут быть выражены череж напряжения <5х в поясе балки. Коэффициент концентрации для mix равен (линия 3 на Рис.4):

Kts--2/Г, ^--Дз ^

Коэффициент Д j , выражающий влияние t^/ß , не превышает по величине 0,025, что пренебрежимо мало при общем уровне напряжений, и монет бы^ь опущен.

Напряжения Tty в стенке в сечении по оси отверстия определятся как средние касательные напряжения по формуле:

<2

(5)

где, высота и толщина стенки в сечении по оси отверстия

на участке между поясом и кольцом.

Максимальные касательные напряжения на нейтральной оси в сечении по краю отверстия определяются через коэффициент концентрации К^ (линия 4 на Рис.4): Ад,- 1<г(1 + 0.57 В/и(11/н + !т))-64-Н)~А(1)/н-0.т)(2)^-50)

А. = -О-ОЬ (6)

При удалении от отверстия касательные напряжения снижаются до номинальных значений, подчиняясь приведенной закономерности:

Кь-Ки (соз(бо-^-А)

А = 0.18(?/2) ¿/2><^ (7)

Здеоь Р/О - отношение расстояния от оси отверстия до исследуемой точки к диаметру отверстия.

Выражения (2) - (7) позволяют определять зночейия веек компонент плоского напряженного состояния в расчетных сечениях, необходимые как для проверки стотической прочности самих балок на изгиб, так и для прочностных расчетов верхней зоны стенки о учетом влияния подкрепленного отверстия.

Экспериментальные исследования крупномасштабных моделей пролетом 3000 мм с сечением элементов, принятых в расчете ККЭ, загруженных в средней части парой сил, показали хорошее совпадение расчётных н измеренных значений в подкрепляющем кольца и поясе балки в сечении по оси отверстия. В целом, площадь расчётной эпюры напряжений в этом сечании лишь на 8...превышала плищадь экспериментальной эпюры. Это свидетельствует о достаточной точности, необходимей в инженерных расчётах,

В четвертой главе изложены методика и результаты теоретического исследования зависимости напряженного состояния свободно деформируемой зоны стенки при изгибе из плоскости от геометрических размеров пояса и стенки. Приведена методика ресчётной проверки прочности верхней зоны стенки.

В настоящее время проверка статической и усталостной прочности верхней зоны стенки балок пролетных строений железнодороя-кых мостов не предусмотрена нормативными документами. Такой расчёт проводится лишь для подкрановых балок по СНиП П-23-84 с учетом всех компонент объёмного напряженного состояния верхней зоны стенки. Использование имеющейся методики затруднено отсутствием расчётных формул для определения величины изгибно-крутпль-ной деформации полса и стенки и напряжений изгиба (5},, в стенке главных балок.

Исследования напряженного состояния верхней свободно деформируемой зоны стенки проводились путем численного моделирования с использованием МКЭ. В качестве расчётной схемы был принят фрагмент верхней части пролемого строения, вшшчащай верхний пояс, свободно деформируемую часть стенки высотой 300 мм, заделанной по нижней кромке, и мостовое полотно на деревянных поперечинах, создающее наиболее жёсткие условия эксплуатации. В расчёте рассматривался участок размещения 7 мостовых брусьев. Расчётная схема загружалась сосредоточенной силой, равной 100 кН, приложенной

к рольоу над сродним бруосм. Танцпна сло.чактов в расчёта принималась: пояса - 12...32 мл, стош'л - 10.,.20:,а,

В розультато вноцентршшого прилокония давления мостового полотна стоика исшшшат 5 -образной изгиб. Кромки пелео имеют волнистые очертания с наабышпми прогибами под брусьями. При тавдшах пояса ионов 20 га его внешняя кромка отгибается вниз вертикальным давлением бруса. При больших толщинах перемещение кромки направлено Ъверх, однако в очертании подса виден тот из парадом. Распределении давления поперечины на паю близко к треугольному с центрам глетстл в чотверти шириш пшеа с внешней стороны. При консольном изгиба свесов в пояоо возникают растягивающие напрял:о1шя 50...I? Ша соответственно границам исследованного диапазона толщин паюа (Рис.5).

Распределение напряжений изгиба (э)гс стошиз подчинятся закону распределения момзнтов по длине статически ноопродолимого стержня, заделанного по концам, одна из заделок которого (в. паюа балки) испытывает угол поворота У9 , горизонтальное смещение V/ и вертикальное перемещение V/ , Величина горизонтального смещения и угла поворота верха стошя зависят от толщины пояса, т.о. от сопротивления свесов пояса консольному изгибу. При малых толщинах пояс слабо сопротивляется изгибу и деформации стеши минималь-ш. С ростом толодзны до значения, когда изгабная жесткость свесов пояса приближается к погонной жесткости свободно деформируемой зоны с тонки, деформации и напряжения <Оь в стоике растут. С дальнейшим нарастанием из'гибно-крутильной жёсткости пояса напряжения изгиба снижаются на 3...8/&, достигая величины 23 Ша.

Влияние толщины стенки на величину деформаций и напряжений изгиба также зависит от соотношения жёсткости пояса на кручение и погонной жёсткости стенки. Но снижение напряжений б), о ростом толщины стенки происходит быстрее, достигая 20^ в исследованном диапазоне изменения толщин (Рис,6).

Для построения расчётной методики был исследован вопрос о величине давления на стенку, передаваемого брусом под колесом подвижной нагрузки. Установлено, что рельс типа Р65 распределяет давление от колеса на соседние брусья на расстояние - 900 км. Распределение давления можно апроксимировать кривой нормального распределения с матиматическлм ожиданием 3,3 и средним квадра-

Pao. я

Влияние товдинц станка и пояса на величину напряжений аэгида у поясного ива Толщина пояса, ш

Рис. 6

тичныы отклонением 1,45 (для поясов толще 30 мм). При этом для поясов толще 30 мгл (преимущественно применяемых в реальных конструкциях) доля давления на центральный брус не превысит 27,4/0 осевого давления при типе рельса Р65. Для других типов рельсов и толщин пояса автором получены значения понижающего коэффициента KI для осевой нагрузки, приведенные в таблице I.

Таблица I

Тип Понияакиций коэфф. KI при толщине пояса, мм

рельса — 12 16 20...24 более 28

Р50 0,266 0,276 0,287 0,291

Р65 0,25 0,26 0,27 0,274

Р75 0,245 0,255 0,265 0,269

Максимальные значения доли осевого давления, полученные по МКЭ, хорошо коррелируют с данными других авторов.

Наибольшие значения перемещений верхней точки стенки могут быть получены при рассмотрении мостового бруса как шарнирно-опертой балки с пролетом, равным расстоянию меаду осями стенок балок & , засуженной парой сил на расстоянии -2 от оси стенки. В этом случае перемещения могут быть найдены из выражений:

(8)

(/ /г/ Р/н ,

где - давление на колесо;

¿V - модуль упругости дрзвесикы при изгибе; дл - момент инерции мостового бруса; Ь,1 - высота мостового -бруса.

Сравнение результатов, полученных расчётом по ДНЮ и формуле (В), дозволяет ответить 'хорошее, совпадение по величине угла по-

ворота / . Горизонтальные смещения Ц, по формуле (9) оказались на 30$ выше данных МКЭ, т.к. в приведенной формуле не учтено влияние консольного изгиба свесов пояса.

Напряжения изгиба (э/г в стенке у верхней заделки (пояса) могут быть определены по эпюрам моментов в статически неопределимых стержнях от перемещений 9 и ^у с учетом влияния толщины стенки по формуле:

"и^ Пи, '

где £ - модуль упругости стали;

¿ч/"„-толщина и высота свободно деформируемой зоны стенки.

Оценка точности предложенных автором формул в сравнении с ¡.КЗ показала, что принятые допущения дают погрешность в расчёте напряжений изгиба стенки из плоскости при толщине поясов более 20 мм в размере - 3,5% 0,8? Ша при уровне напряжений 25 Ша). Столь незначительная погрешность позволяет пренебречь отмеченными расхождениями.

Экспериментальное изучение статической работы натурной модели свидетельствует о серьезном влиянии начальных несовершенств прирубки бруса и самого пояса (грибоввдность и перекос полок), создающих зазоры ыедцу брусьями п свесами поясов до 0,01 шири-га пояса. Зазоры приводят к изменению эксцентриситета приложения давления, могут изменять направление горизонтального перемещения, а также способствуют нреднапряжгнию верхней зоны стенки при натяжении "лапчатого" болта.

Установлено, что экспериментальные значения напряжений при наиболее неблагоприятном сочетании указанных факторов и равных условиях загружения не превышают величин, полученных расчётом по формулам (8)...(10). Это по: воляет рекомендовать приведенные выражения для проверки прочности верхней зоны стенки пролетных строений со "свободными" поясами в соответствии с положениями методики расчёта по СНиП П-23-84.

Д приложениях приведены материалы по внедрению и статистической обработке результатов усталостных испытаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Экспериментально и теоретически исследованы особенности работы сварных железнодорожных сплошностенчатах пролетных строений с ездой поверху, имеющих пояса, не подкрепленные вертикальными ребрами жёсткости стенки. Экспериментально доказано, что сопротивление усталости свободно деформируемой верхней зоны стенки таких балок в несколько раз выше сопротивления усталости стенок у обрывов вертикальных ребер жёсткости в традиционных конструкциях. Ноше пролетные строения могут быть рекомендованы для практического применения. Экономические показатели предложенных конструкций не уступают существующим типовым решениям.

2. Впервые подробно исследована и показана перспективность принципиально новой конструкции цролетного строения со "свободными" поясами главных балок и трубчатыми связями большого диаметра, защищенная авторским свидетельством на изобретение.

а 1377323.

3. Рекомендован расчётный способ определения величин деформаций, проверки статической и усталостной прочности • свободно деформируемой верхней зоны стенки балок предложенных конструкций. При этом:'

- расчётным сечением стенки является сечение в месте при-. мыкания её к поясу по линии сплавления поясного шва;

- расчётную нагрузку следует определять от давления одного колеса подвижного состава с учетом предложенных понижающих коэффициентов, учитывавших тип рельсов и толщину пояса;

- регулирование перемещений и напряжений в расчётном сечении осуществляется изменением высот зоны свободной деформации, толщины стенки и введением в конструкцию элементов, ограничивающих поперечное смещение поясов при статическом и динамическом воздействии подвижного состава.

4. На основании решешш пространственной задачи численным моделированием с использованием ЖЭ рекомендована инженерная методика по определению величины концентрации напряжений вблизи подкрепленного отверстия в стенке балки пролетного строения с трубчатыми связями большого диаметра. Экспериментальная проверка показала, что точность предложенного способа расчёта составляет 8...5Га в сравнении с экспериментальными данными.

- рекомендована формулы для определения теоретических, коэффициентов концентрации напряжений при проверке прочности изгибаемых балок}

- проварку прочности следует выполнять в сечениях по оси отверстия по напряжениям в пояса, подкрепляющем кольце и по уровню эквивалентных напряжений в станке;

- в сечениях балок по краю отверстий, на дриопоршх участках и меаду отверстиями рекомендуется проверять прочность стенки по наибольшим касательным напряжениям с учетом коэффициента концентрации и удаления от отверстия;

- выбор еысоты и проварку прочности свободно деформируемой части стенки следует производить с учетом влияния на напряженное состояние подкрепленных отверстий. • ■

5. По результатам исследований и при участии автора запроектированы Ленгипротранспостом экспериментальные пролетные строения со "свободными" поясами. На Днепропетровском заводе металлических конструкций изготовлено первое пролетное строение с трубчатыми связями большого диаметра пролетом II м применительно к продольным балкам проезжей части решетчатых пролетных строений. На Воронежском мостовом заводе принято к изготовлению опытное пролетное строение пролетом 23 м.

Основные результаты выполненных исследований отражены в следую'дих работах:

1. Агеев B.C., Доильницын А,Г. Некоторые вопросы статического расчёта балок пролетных строений с трубчатыми связями

// Повышение эксплуатационных качеств железнодорожных мостов / Тр.ЛШЕТа - Л.: ЛШЕлТ, 1989. - НО с.

2. Агеев B.C., Доильницын А.Г, Усталостная долговечность сварных пролетных строений со "свободным" верхними поясами главных балок // Повышение надежности железнодорожных мостов / Тр.ШЕИГа - СПб.: ПЛИТ, 1991. - 113 с.

3. Агеев B.C., Доильницын А.Г. Новая конструкция цельносварного железнодорожного пролетного строзшш // Международная конференция "Сварные конструкции": Киев. 24-28 сент. 1990 г.:

Тез.докл. У АН УССР, ИЭС им.Е.О.Патона - Киев: ИХ, 1990. - 296 с.

4. Агеев B.C. Исследование концентрации напряжений в балках с подкрепленными отверстиям! в стенке // П конференция молодых

учешх и специалистов: Киев. 16-20 мая 1988 г.: Тез.докл. / ИХ им.Е.О.Патона - Киев: ИЭС, 1988. - 132 с.

«г-