Материал: Строительная механика и конструкции. Сафронов В.С., Козлов А

Keywords: rigid string, moving inert load, free and forced vibrations of a rigid string discrete model, implicit methods of direct integration of differential equations.

45

.РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОСТОВ

И ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

УДК 624.26

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ПРОЕКТИРУЕМЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ РОССИЙСКИХ И ЕВРОПЕЙСКИХ НОРМАТИВНЫХ ВРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК

В. С. Сафронов1, Н. Мельхиор2 Воронежский государственный технический университет1,2

Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф., профессор кафедры строительной механики, тел.: +7 (473) 2715230

е-mail: vss22@mail.ru

2Магистрант кафедры строительной механики

Сиспользованием ранее предложенной и апробированной методики расчета параметров надёжности

осуществляются численные исследования выполненного из современных типовых предварительно напряженных железобетонных тавровых балок без диафрагменного пролетного строения автодорожного моста. Сопоставляются количественные показатели надежности при эксплуатации транспортного сооружения российскими временными нагрузками А14 и Н14 в сравнении с аналогичными характеристиками этого же транспортного сооружения при пропуске современных европейских временных нагрузок А(L) и Ме120, Мс120, Bt. В качестве критериев для вероятностных оценок рассматриваемого разрезного пролетного строения используются изгибающие моменты в средних сечениях и поперечные силы и приопорных зонах несущих балок. В численных исследованиях используется пространственная конечно-элементная модель плитно-балочной конструкции и вероятностные представления прочностных характеристик бетона и рабочей арматуры, а также случайных отклонений действующих постоянных и временных нагрузок.

Полученные в численных исследованиях данные позволяют дать качественную и количественную оценку нагруженности характерных сечений несущих элементов пролетного строения при эксплуатации в соответствии с российскими и европейскими нормативными документами.

Ключевые слова: автодорожный мост, типовые железобетонные двутавровые балки, современные российские и европейские временные нагрузки, изгибающие моменты и поперечные силы, загруженность характерных сечений, показатели надёжности.

Введение

Вразных странах мира управление транспортными потоками на автомагистралях осуществляется в соответствии с национальными стандартами, имеющими принципиальные различия. Это следует, например, из сопоставления нормативных документов, используемых в настоящее время для проектирования мостовых сооружений в РФ [1] и странах Евросоюза [2]. Этот фактор оказывает существенное значение для организации международных транспортных коммуникаций, поэтому необходимы исследования для устранения имеющихся различий.

Водной из первых публикаций по затронутой проблеме [3] изучены различия в загруженности мостовых сооружений с железобетонными балочными пролетными строениями при их эксплуатации установленными в 1984 году в РФ нормативными нагрузками А11 и НК–80 и

_________________________________

©Сафронов В. С., Мельхиор Н., 2020

46

регламентируемыми европейскими нормами распределенными автомобильными А(L) и одиночными колесными транспортными средствами Ме-80. Для широко распространенного балочного моста с пролетным строением по т. п. СДП, вып. 710/5 выявлены существенные различия по критерию прочности нормальных сечений в середине пролета при эксплуатации.

Выполненные исследования затрагивают ограниченный круг вопросов. В частности не изучены различия нагруженности железобетонных балочных мостов в наклонных сечениях приопорных зон, где в отличие от нормальных средних сечений железобетонных мостов определяющим фактором является поперечная сила. Вызывает интерес особенности распределения усилий в характерных сечениях строящихся в настоящее время под современные временные нагрузки А14 и Н14 в сравнении с возникающим в них усилиями от регламентируемых в зарубежных нормативных документах увеличенными временными нагрузками А(L), Ме120, Мс120 и Bt. Такие исследования представлены в настоящей статье. При этом используется предложенная и апробированная в публикации [3] вероятностная методика, основанная на положениях теории надежности [4] и теории риска [5] с учетом разброса прочностных характеристик материалов и действующих постоянных и временных нагрузок. Такая методика позволяет получать достаточно обоснованные оценки при изучении напряженно-деформированного состояния весьма разнообразных многоэлементных конструкций и сооружений [6-10].

1. Описание объекта исследования и принятой расчетной модели

Объектом изучения является балочный бездиафрагменный разрезной мост для двух полос автомобильной нагрузки А14 и одиночной колесной нагрузки Н14 с пролетными строениями из семи тавровых балок из бетона класса В40 (Rb.=20 МПа) со стержневой ненапрягаемой продольной рабочей арматурой класса АIII с расчетным сопротивлением Rs.=265 МПа (Rs.=295 МПа). Габарит моста - Г10,0 +2х1,50 м. Для численных исследований в дальнейшем рассматривается семибалочная конструкция из типовых предварительно напряженных балок разработки Союздорпроекта [12] расчетным пролетом 17,4 м. Шаг главных балок в поперечном направлении является одинаковым и равным 1,70 м.

Поперечное сечение, продольный фасад и армирование главной балки изучаемого пролетного строения моста приведено на рис. 1.

При проведении статических расчетов пролетное строение рассматривается как пластинчато-стержневая система, в которой продольные стержни моделируют балки пролетного строения, а пластинчатые элементы – плиту проезжей части между балками (рис. 2). При моделировании несущих элементов рассчитываемого пролетного строения использовались следующие типы конечных элементов (КЭ):

-универсальный стержневой КЭ с учетом сдвиговых деформаций (КЭ 10);

-универсальный четырехугольный плоский оболочечный КЭ (КЭ 44). Универсальный стержневой КЭ представляет собой прямолинейный двух узловой

элемент с 12-ю степенями свободы (СС), моделирующий растяжение-сжатие, кручение, поперечный сдвиг и изгиб.

Плоский четырехугольный оболочечный КЭ, имеющий 24-е СС, является комбинацией конечных элементов плоского (мембранного) и изгибного напряженных состояний. Этот элемент воспринимает мембранные, сдвиговые, поперечные и изгибные нагрузки.

Поскольку в узлах стержневого и плоского оболочечного КЭ одинаковый набор СС, то возможно их совместное использование в одной КЭ-модели.

В пластинчато-стержневой расчетной схеме для исключения повторного учета участия в восприятия действующих постоянных и временных нагрузок плоских

47

оболочечных КЭ плиты проезжей части на изгиб в продольном направлении жесткостные характеристики плиты задаются как для ортотропного материала с малой по величине жесткостью в продольном направлении.

Рис. 1. Поперечное сечение, продольный фасад и армирование главной балки рассматриваемого пролетного строения моста

Расчеты выполнялись с использованием сертифицированного программного комплекса «ЛИРА-САПР 2012 PRO» со специализированной расчетно-графической системой ПК «ЛИРА-

САПР 2012 Мост» [15].

Расчет жесткостных характеристик балок выполнялся с использованием расчетнографической системы «Конструктор сечений» комплекса «ЛИРА». Эта программа предоставляет возможность компоновать в графической среде сечение сложной формы. Геометрические характеристики вычисляются численным интегрированием после выполнения процедуры триангуляции.

Геометрические размеры балок и их армирование, а также постоянные нагрузки от элементов мостового полотна и дорожного покрытия принимались в соответствии с проектом

[12].

48

Рис. 2. Конечно-элементная расчетная схема плитно-балочного пролетного строения

2. Описание временных подвижных нагрузок

При проведении сопоставительных расчетов параметров надежности представленного в разделе 1 настоящей публикации мостового сооружения использованы регламентируемые российским СП 35.13330.2011 [1] и европейским EN 1991-2 [2] нормативными документами типы распределенных и локальных временных нагрузок для задания при проектировании мостовых сооружений. Ниже даются их графические представления и рекомендуемые значения коэффициентов надежности по нагрузкам и коэффициенты динамичности.

2.1. Временные нагрузки по российским нормативам [1]

1. Автомобильная нагрузка А14 в виде двух полос (рис. 3, а) распределенной составляющей нагрузки интенсивностью (на обе колеи) по длине моста ν=13,73 КН/м и двухосной тележки с осевой нагрузкой Р=137,3 кН (14 тс). Первая полоса принимается с коэффициентом сочетаний S1=1,0 вторая - с уменьшенным коэффициентом S2=0,6. Коэффициенты надежности по нагрузке составляют γf =1,5

– для тележки и γf =1,2 – для распределенной части. Динамический коэффициент для моста пролетом λ= l=17,4м равен:

2. Колесная нагрузка Н14 в виде одной четырехосной машины (рис. 3, б) общим весом 785 КН (80 тс), которая не может быть установлена на полосы безопасности. Коэффициент

49