Использование бистальных элементов в пролетных строениях мостов

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс в области эффективного использования материалов стимулирует уменьшение стоимости мостовых сооружений посредством применения бистальных несущих элементов, эффект от использования которых достигается посредством рационального сочетания различных по прочности сталей, распределенных по высоте сечения в зависимости от напряженно-деформированного состояния пролетного строения [1].

В настоящее время на базе проведенных научных исследований СПбПУ ИСИ, а также накопленного практического опыта имеется возможность уменьшения расхода стали для металлических автодорожных пролетных строений средних и больших пролетов за счет применения бистальной компоновки сечений, эффективность использования которых исследуется в данной статье.

РЕЗУЛЬТАТ ИССЛЕДОВАНИЯ

В статье предлагается осуществить совершенствование автодорожных сталежелезобетонных и цельнометаллических пролетных строений параллельно с их унификацией, для чего требуется определить величину строительных и конструктивных коэффициентов в пересчете на бистальные сечения для балок таких же пролетов с целью выявления экономии металла и возможного снижения веса. Строительный коэффициент представляет собой отношение действительного веса элемента к конструктивному весу, полученному как произведение подобранной площади сечения элемента на его теоретическую длину $l$ и удельный вес $\gamma$, т. е.

$G=\psi F^{теор}l\gamma ,$ (1)

где

$\psi =\frac{F^{пр}}{F^{теор}}\eta ; \eta =\frac{G_m}{F^{пр}\gamma l}.$

В свою очередь, конструктивный коэффициент представляет собой отношение действительного веса элемента к теоретическому, полученному как произведение теоретически необходимой площади элемента на его теоретическую длину $l$ и $\gamma$. В целях более полного представления о величине строительных и конструктивных коэффициентов для пролетных строений различных статических схем на в программном комплексе MATLAB была реализована программа применительно как к разрезным, так и неразрезным системам пролетных строений. Причем произведен подсчет строительных и конструктивных коэффициентов для ряда реальных, ранее построенных мостов с бистальными балками для практического сопоставления их с коэффициентами в предлагаемых вариантах унифицированных бистальных пролетных строений.

Строительные и конструктивные коэффициенты подсчитывались для систем пролетных строений: 42+63+42 м (серии 3,503 – 59); 63+84+63 м (серии 3,503 – 50); 48+60+48 м (серии 5776КМ); $l$=63 м (серии 42006КМ) с компоновками сечений, указанными на рис. 1, 2, и для сравнения вышеуказанные коэффициенты определялись для пролетных строений в моностальном исполнении. Бистальные балки компоновались из следующих марок сталей:

1. Сталь стенки и верхнего пояса 15ХСНД; сталь нижнего пояса 12ГН2МФАЮ.
2. Сталь стенки поясов 15ХСНД.
3. Сталь стенки и верхнего пояса 16Д (М16С), для пролетного строения с пролетом 63 м для нижнего пояса использовалась сталь 10ХСНД.
4. Сталь стенки и верхнего пояса 14Г2, а сталь нижнего пояса марки 12Г2СМФ и 14Х2РМР (48+60+48 м).

 

Рис. 1. Расчётная схема и эпюра предельных напряжений бисталежелезобетонного сечения

 

Рис. 2. Расчётная схема, эпюра предельных напряжений и схемы пролётных строений: а – расчетная схема; б – эпюра пред. напряжений; в – схемы пролётных строений

 

В первом приближении эффективность предполагаемых решений с различной компоновкой сечений оценивалась величиной экономии металла по отношению к качеству затраченной стали повышенной или высокой прочности. Такая оценка представлена в Таблице.

 

Таблица. Экономическая эффективность балок с различным набором сталей

Компоновка сечений из сталей	Тип балки	Общая затрата стали, %	Затраты стали повышенной и высокой прочности, %	Эконо-мия стали, %	Экономия стали, отнесенная к затраченной стали повышенной или высокой прочности, %
(М16С), 15Д, 14Г2	Моно-сталь	100	0	0	–
15ХСНД	Моно-сталь	81,6	81,6	18,4	22,6
16Д – высокопрочная сталь	Би-сталь	91	28,7	9,0	31,8
16Д – повышенной прочности	Би-сталь	81,6	46,0	18,4	28,3
14Г2, 15ХСНД – высокопрочная сталь	Би-сталь	81,6	32	16	27,2

 

Для уточнения экономического эффекта с помощью строительных и конструктивных коэффициентов авторами составлен расчет с помощью программы MATLAB указанных схем и типов компоновок поперечных сечений.

Входными данными программы являются: значения моментов, марки используемой стали, варианты схем. В теле программы организовано несколько вложенных друг в друга циклов по моментам и по сечениям пролетного строения моста.

После того, как будут произведены расчеты деформаций и прочностных характеристик, они проверяются на соответствие заданным значениям, и в случае совпадения происходит запоминание размеров поперечного сечения балок.

В конце работы программа распечатывает накопленные значения, а также номера вариантных схем и моментов.

Согласно полученным на этом этапе работы данным построены графические зависимости, характеризующие многосторонность зависимости конструктивных и строительных коэффициентов для бистальных и бисталежелезобетонных пролетных строений, причем полученные в окончательном виде значения коэффициентов основывались на использовании при расчете «метода характеристик веса», согласно которому величина отношения веса бистальных балок к моностальной находится по формуле:

$∆G=\frac{g{L}^2\gamma {\chi }^{\text{'}}{h}_c^{\text{'}}}{{\sigma }_{m,ст}}(1-{\chi }_m·m·∆h),$ (2)

где $h_c^{\text{'}}$ - коэффициент учета влияния собственного веса балок; $∆h$ - коэффициент, учитывающий влияние отношения собственного веса бистальной балки к моностальной; ${\chi }_m$ - коэффициент, характеризующий соотношение фактических характеристик веса.

Как показали предварительные выводы, строительный коэффициент для бистальных пролетных строений находится в пределах 1,12…1,22, для бисталежелезобетонных - 1,12…1,28, то есть выше, чем для бистальных с ортотропной плитой проезжей части.

Конструктивный коэффициент для бистальных и бисталежелезобетонных балок в среднем одинаковый и находится в пределах 1,12…1,35, для схемы 1 пролета с $l=63 м$ значение 1,46. Это свидетельствует об эффективности применения в наборе сталей различной прочности, в том числе высокопрочных (Рис. 3). В среднем отличие от моностальных унифицированных пролетных строений по коэффициентам составило: строительному - 7…10 %, конструктивному - 7…12 % (15 %). Влияние конструктивной формы поперечных сечений на формирование величины строительных и конструктивных коэффициентов говорит о том, что в двутавровых сечениях влияние прочности сталей на изменение размеров элементов сечения сказывается в большей степени, нежели в коробчатых (Рис. 4).

 

Рис. 3. График зависимости строительного коэффициента от типа пролетного строения:

 

42+63+42 м	63+84+63 м	48+60+48 м	$l=63 м$
1 – схема № 1	5 – схема № 1	09 – схема № 1	13 – схема № 1
2 – схема № 2	6 – схема № 2	10 – схема № 2	14 – схема № 2
3 – схема № 3	7 – схема № 3	11 – схема № 3
4 – схема № 4	8 – схема № 4	12 – схема № 4

 

Рис. 4. График зависимости строительного коэффициента от отношения пределов прочности стали стенки к стали пояса для пролетных строений:

 

Доказательством тому может служить эффект работы коробчатого сечения за пределом упругости, в большей мере проявляющийся при пролетах 120…200 м и выше, тогда как в пролетных строениях с бистальными балками двутаврового сечения эффект упругопластической работы проявляется уже при пролетах 40 м и выше (Рис. 5).

 

Рис. 5. График зависимости строительного коэффициента от длины пролетного строения

 

ВЫВОД

Рассчитанные конструктивные и строительные коэффициенты для различных сочетаний металлов в пролетных строениях демонстрируют преимущества применения бистальных и бисталежелезобетонных балок в мостовых сооружениях. При этом анализ программы расчета и полученных результатов указал на необходимость расширения границ упругопластической работы стенки двутавровых и коробчатых бистальных балок с целью получения дополнительной экономии металла и совершенствования критерия предельных состояний.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов.
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

Об авторах

Игорь Анатольевич Петрушенко

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Автор, ответственный за переписку.
Email: petrushenko.ia@edu.spbstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1236-0260
SPIN-код: 8891-7878

студент, Инженерно-строительный институт

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29

Глеб Александрович Аверченко

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: averchenko_ga@spbstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8813-545X
SPIN-код: 1707-9958
Scopus Author ID: 57216628688
ResearcherId: AAI-2145-2020

ассистент, Инженерно-строительный институт

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29

Список литературы

Дополнительные файлы