Improvement of the calculation of ice crossings

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

 В зимний период на севере Дальневосточного региона открываются ледовые переправы. В большинстве случаев они организуются из-за отсутствия капитальных мостов. Для доставки грузов и пассажиров в отдаленные населенные пункты, где плохо развита дорожная сеть и ограниченный срок навигации используются ледовые переправы, т.к. чтобы добраться до населенных пунктов необходимо пересекать водоемы [1]. Ледовые переправы остаются единственным способом связи таких населенных пунктов с городами большой численностью населения. Для проезда тяжелой техники через водные препятствия нужно, чтобы лед был достаточно толстый и прочный, а также имел минимальное количество трещин. И чтобы достигнуть данного эффекта переправы нужно усиливать либо намораживанием льда поверх естественного [2], либо вмораживанием массивов дерева [3]. Данные способы усиления ледовых переправ не дадут желаемого эффекта увеличения несущей способности для пропуска тяжелой техники и регулярного использования ледовой переправы [4]. Для того, чтобы значительно увеличить несущую способность данных переправ нужно применить более надежное усиление. Одним из таких усилений является вмораживание наплавного моста [5] шарнирной схемы в ледовый покров.

Преимуществом таких переправ является малая чувствительность к климатическим условиям и природе водного потока, малость кренов и осадок.

В настоящее время данные переправы используются на трансграничных переходах Дальнего Востока, но методики расчета их нет и задача состоит в том, чтобы разработать методику, которая бы совершенствовала расчет ледовых переправ с учетом усиления в виде металлических понтонных конструкций состоящих из шарнирных паромов на двух опорах.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОМБИНИРОВАННЫХ ПЕРЕПРАВ

 Расчетная схема: металлическая конструкция, вмороженная в лед лежащая на воде, представляет из себя жесткий штамп на плите, лежащей на упругом основании [6].

Производится разбиение опорных элементов конструкции на равные части напоминающие квадрат (рис. 1). В центре масс частей разбиения прикладывается активная нагрузка в виде сосредоточенной силы от подвижной нагрузки и распределенной по площади окружности, от нагрузки которая действует по площади части разбиения [7, 8].

 

Рис. 1. Сетка разбиения двухопорного парома

 

После того как провели разбиение опор наплавного моста определяют величины радиального и тангенциального моментов с учетом табличных функций $\left({f_0}^{\text{'}}\right(\alpha ),g_0^{\left[M\right]}({\xi }_k),{\tilde{g}}_0^{\left[M\right]}({\xi }_k\left)\right)$ используемых для вычисления изгибающих моментов в теории изгиба плит на упругом винклеровском основании [9–11].

Формулы для определения величин моментов:

$G_r=G\left(0\right)-\frac{1}{4}\sum _{i=1}^{n}P\cdot g_0^{\left[M\right]}\left({\xi }_k\right)$; $G_r=G\left(0\right)-\frac{1}{4}\sum _{i=1}^{n}P\cdot {\tilde{g}}_0^{\left[M\right]}\left({\xi }_k\right)$,

где $G\left(0\right)=-\frac{q{l}^2}{4}\pi \alpha (1+\alpha ){f_0}^{\text{'}}\left(\alpha \right)$ – изгибающий момент определяемый через равномерно распределенную по контуру приведенного радиуса нагрузку q и приведенный радиус эквивалентного круга α=r_экв/l, r_экв – радиус эквивалентного круга, Р – сосредоточенная нагрузка, ξ_k=r_k/l – приведенное расстояние между точкой, в которой определяются усилия или перемещения, и точкой, в которой приложено внешнее воздействие, l – характеристика гибкости льда, r_k – расстояние между точками.

Величина допускаемого изгибающего момента определяется [12]:

$\left[M\right]=\frac{R_f\cdot h^2}{6\cdot \mathrm{2,5}}$,

где R_f – нормативное сопротивление льда изгибу, h - толщина льда.

Затем под действием системы сосредоточенных сил используя табличную функцию f₀(ξ_k) [9], цилиндрическую жесткость (D) и характеристику гибкости (l) определяются прогибы:

$w=\frac{l^2}{4D}\sum _{i=1}^{n}P\cdot f_0\left({\xi }_k\right)$. (1)

Допускаемый прогиб принимаем [f]=h/4.

По формуле (1) были определены прогибы ледового слоя с усилением путем вмораживания наплавного моста и без усиления при разной толщине льда, результаты приведены в Табл.

 

Таблица. Расчет прогибов

h, см		35	55	83
D, кгс/см2		2356∙105	9393∙105	31417∙105
l, см		696,7	984,5	1331,3
∑ f0(ξ)∙P, кг	С усилением	7619,73	10606,8	12797,5
	Без усиления	11863	13384,7	14382,8
Прогиб w, см	С усилением	3,92	2,74	1,8
	Без усиления	6,11	3,45	2,03

 

По различным месяцам была рассчитана грузоподъемность комбинированной переправы от осевой нормативной нагрузки от автотранспортных средств (Рак) и осевой нормативной нагрузки от автотранспортных средств, осуществляющих перевозки тяжеловесных грузов, пропускаемых в специальном режиме (Рнк). Для расчета использовалось условие прочности льда. Результаты расчета приведены на графике (Pис. 2).

 

Рис. 2. График грузоподъемности усиленной ледовой переправы

 

ЭКСПЕРИМЕНТ

 Для подтверждения принятой модели расчета данных переправ был проведен эксперимент в виде статических испытаний на действующей ледовой переправе, усиленной рассматриваемым способом. Эксперимент проводился при толщине льда 83 сантиметра. В процессе проведения испытания измерительными приборами снималась осадка понтона. Датчики системы «ФАЗА» и прогибомеры размещались согласно Рис. 3.

 

Рис. 3. Схема размещения измерительных приборов: а) поперек пролетного строения, б) вдоль пролетного строения

 

После проведения эксперимента результат показал, что прогиб усиленной переправы составил 1,6 см.

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Был разработан усовершенствованный расчет ледовых переправ с учетом усиления (вмораживанием наплавного моста).

Высокая сходимость аналитического и экспериментального результатов расчета прогиба усиленной ледовой переправы говорит о том, что модель расчета для рассматриваемой расчетной схемы выбрана правильно.

About the authors

Yuri V. Tryapitsyn

Far Eastern State Transport University

Email: Tryapitsinyv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0093-6557

Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences

Russian Federation, Khabarovsk

Dmitry A. Tryapkin

Far Eastern State Transport University

Author for correspondence.
Email: Dmitry.tryapkin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6484-741X

Assistant Professor

Russian Federation, Khabarovsk

References

Supplementary files