К вопросу исследования напряженно-деформированного состояния совместной работы сквозных балок с железобетонной плитой на металлическом поддоне

ТРАНСПОРТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.21.012

В.М. КАРТОПОЛЬЦЕВ, д-р техн. наук, профессор,

Е.В. БАЛАШОВ, асп.

К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СКВОЗНЫХ БАЛОК С ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ПЛИТОЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ПОДДОНЕ

Рассматривается вопрос о необходимости проведения комплекса технико-экономических, теоретических и экспериментальных исследований по оценке напряженно-деформированного состояния совместной работы сквозных моностальных и бистальных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне и разработки методики их расчета.

Общеизвестно чрезвычайно широкое применение в гражданском и промышленном строительстве балок двутаврового сечения: элементы рабочих площадок, междуэтажные перекрытия, подкрановые балки. В автодорожном строительстве балки двутаврового сечения нашли свое применение в качестве несущих элементов пролетных строений мостов. Они весьма удобны в компоновке, технологичны и экономичны по расходу металла.

Ежегодно в России Государственной службой дорожного хозяйства Минтранса РФ ведется строительство и реконструкция тысяч километров автомобильных дорог и сотен погонных метров автодорожных мостов.

В стоимостном выражении пролетные строения составляют около 60-65% от общей стоимости моста, в связи с чем рациональный выбор материала пролетного строения, его конструктивного решения, технологии изготовления и монтажа существенно влияет на стоимость моста в целом.

В современном строительстве, в связи с увеличивающимися требованиями к качеству производства строительных конструкций и в связи с введением в действие изменения №5 к СНиП 11-7-81 «Строительство в сейсмических районах», все больше внимания уделяется критериям жесткости и несущей способности строительных конструкций.

Конструктивные решения сквозных балок отличаются большим разнообразием, определяемые вариабельностью схем резки стенки. Некоторые из возможных конструкций сквозных балок показаны в табл. 1.

Таблица 1

Возможные конструкции балок со сквозной стенкой

Снижение металлоемкости может быть достигнуто за счет использования в одной конструкции двух различных марок сталей. Балки, выполненные из двух марок сталей, получили название - бистальные балки [1, 2]. В них наиболее напряженные элементы - пояса - выполнены из стали повышенной прочности (низколегированные стали), а стенку и мало напряженные участки поясов - из малоуглеродистой стали.

Конечный результат приводит к увеличению высоты балки и позволяет перераспределить материал сечения [3, 4, 5], концентрируя его ближе к периферийным волокнам (полкам) и существенно повышая такие геометрические характеристики сечения, как момент инерции (повышается примерно в два раза) и момент сопротивления (повышается примерно в полтора раза) (табл. 2, 3).

Таблица 2

Сопоставление, % бистальных сквозных двутавров с горячекатаными двутаврами

Двутавр [М] Вес Стоимость Момент инерции

Бистальной сквозной 100 100 100 100

Типа Б1, сталь С38/23 100 134-139 116-120 71

Типа Б1, сталь С46/33 100 110-113 110-111 59

Таблица 3

Сопоставление, % бистальных и моностальных сквозных двутавров

Двутавр [М] Вес Стоимость Момент инерции

Бистальной сквозной 100 100 100 100

Типа Б1, сталь С38/23 100 111-115 104-108 112-117

Типа Б1, сталь С46/33 100 94 102 71

Расход металла в таких балках на 20-30% меньше, чем в обычных прокатных балках, при одновременном снижении стоимости на 10-18%. Дополнительные затраты труда на разрезку и сварку исходного проката невелики, и в сравнении со сварными составными двутаврами по трудоемкости изготовления перфорированные балки на 25-35% эффективнее за счет сокращения объема сварки и значительно меньшей трудоемкости операций обработки.

С начала 80-х годов под руководством профессора М.М. Жербина исследуются и разрабатываются различные конструктивные формы с применением сквозных балок переменного сечения: рамы, арки, фермы, комбинированные системы [4].

Конструктивная форма и особенности работы предопределили три основные расчетные модели:

1) тонкостенную балку, содержащую систему регулярно расположенных отверстий;

2) составную балку с дискретными связями поясов;

3) безраскосную ферму типа Виренделя.

Первая расчётная модель менее изучена. В исследованиях многих авторов отсутствует функциональная связь между компонентами напряженно-деформированного состояния и геометрическими параметрами перфорации. Рекомендуется учитывать лишь общее влияние изгибающего момента и поперечной силы на величину напряжений в опасных точках сечения:

8=—±-°_,

Жх 4Жтп

где Жх, Щс1т1П - соответственно момент сопротивления балки и ветви отно-

сительно собственной оси;

а - минимальная ширина перфорированной связи (перемычки).

Эта модель приближенно описывает работу сквозной балки и может использоваться для приближенных расчетов.

Для оценки напряженно-деформированного состояния сквозной балки, представленной в виде модели составного стержня с дискретными связями поясов, используется теория А.Р. Ржаницына [5]. После нахождения реактивных усилий в связях решение по А.Р. Ржаницыну имеет вид:

продольные силы №, возникающие от внешней нагрузки в поясах с учетом работы шва:

N = № - Т;

изгибающий момент — в стержне с учетом усилий в связях сдвига в каждом поясе:

— = —0']г - Тщ,

Jl + J2 гг

где иг - расстояние г-го пояса до оси упругого шва.

Тогда напряжения в поясе:

N. —.-.

8 х = ~~т + -т-",

г г

где -г - расстояние от центра тяжести г-го стрежня до рассматриваемого волокна.

Наиболее удобной расчетной моделью сквозной балки является безрас-косная ферма типа Виренделя. Простая по своей структуре, она учитывает (в дополнение к —; О) влияние продольной силы N. В этом случае определяются нормальные напряжения

5=_^±—±_От_.

К. №. 4WZ ' '

Численная реализация этой расчетной модели достигается методами строительной механики, методами теории упругости: на основе метода сеток и методом конечных элементов. Необходимо отметить, что при принятии для сквозной развитой по высоте балки в качестве расчётной схемы безраскосной фермы типа Виренделя вводятся следующие основные предпосылки:

а) балка рассчитывается по ослабленному сечению на воздействие основных и дополнительных усилий. Основные усилия: изгибающий момент от внешних усилий, дополнительный изгибающий момент от воздействия поперечной силы, нулевые точки моментов расположены в серединах панелей и стоек;

б) поперечная сила поровну распределятся по поясам вследствие их одинаковой жесткости;

в) стык составных элементов балки по нейтральной оси проверяется на срез от возникающей сдвигающей силы;

г) стенка балки проверяется на дополнительный изгибающий момент, возникающий от эксцентрично приложенной сдвигающей силы.

Проблема оптимального проектирования давно привлекает внимание исследователей, так как в ходе проектирования зданий и сооружений всегда преследуется цель найти наивыгоднейшее для конкретных условий решение [2]. Эта задача, как правило, решается путем сравнения некоторых вариантов.

Сквозные балки в настоящее время используют в качестве самостоятельных конструкций балок автодорожных мостов пролетом до 24 м. Они могут входить в состав ригелей, стоек, плит проезда и т.д. Здесь сквозные балки объединены и совместно работают с железобетонной или ортотропной стальной плитой проезжей части, что позволяет дополнительно снизить металлоемкость конструкций [6, 8].

В настоящее время, на основании работ, проведенных в ЦНИИСК им. Кучеренко и в ЦНИИпроектстальконструкции, доказано, что конструкция ортотропных плит с ортогональным набором ребер характеризуется значительной трудоемкостью изготовления, большим объемом сварочных работ, наличием концентраторов напряжений в многочисленных местах пересечения продольных ребер с поперечными балками, что приводит в ряде случаев к возникновению в плите усталостных или хрупких трещин [7].

Проф. В.М. Картопольцевым и к.т.н. В.С. Данковым проведен экспериментальный поиск рациональных конструкций ортотропных плит, обеспечивающих существенное (до 20%) снижение расхода стали и трудоемкости изготовления. Испытаниям на выносливость подверглись три модели ортотроп-ных плит:

1. Плита П-1 (рис. 1, а) с ортогональным подкреплением листа настила продольными ребрами треугольного коробчатого поперечного сечения, полученными путем холодной гибки.

2. Плита П-2 (рис. 1, б) имеет косое в плане подкрепление листа параллельными ребрами полукруглого коробчатого сечения, полученными путем холодной гибки. Угол наклона к контурным балкам составляет 530.

3. Плита П-3 (рис. 1, в) имеет треугольную в плане решетку подкрепляющих ребер, аналогичных ребрам в плите П-2.

Все плиты по контуру были подкреплены швеллерами, установленными полками наружу.

Испытание плит производилось с использование гидродомкратов и пульсационной установки фирмы Лозенгаузен, обеспечивающих возбуждение

максимальной нагрузки до 10 тс при частоте 390 цикл/мин с исследованием верхнего предела нагрузки Рмакс.

Рис. 1. Общий вид плиты с различной конструкцией решетки подкрепляющих ребер: а - с продольными ребрами треугольного коробчатого поперечного сечения; б - с параллельными ребрами полукруглого коробчатого сечения; в - с треугольной в плане решеткой

При рассмотрении результатов, полученных при усталостных испытаниях плит, сделаны следующие выводы (рис. 2):

- замена ортогонального набора ребер косоориентированным является оправданной не только в технико-экономическом отношении, но также и в отношении их усталостной прочности (Рмакс для плит П-1, П-2, П-3 соответственно равно 1,00 тс (для продольных ребер); 1,25 тс; 1,4 тс);

- наибольший предел выносливости имеет плита П-2 с параллело-граммным набором ребер (5 = 16 МПа), наименьший - плита П-1 (5 = 11 МПа - для поперечных ребер);

- в традиционной плите П-1 наблюдается крайне неравномерная работа подкрепляющих элементов при действии циклической нагрузки.

Р

З.Ог

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

п-з П: і

1 V И

П-1 \ 1

5еь А ! п-з/\| 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1

Г £ ^ 1 ч,'чь. 1

П-З/ 11-. | П-2

1 1 1

1 1 1

2x10 4 5 3 10 2 4 2x10 4 5 8 10

А) Б)

Рис. 2. График усталостных испытаний плит:

а - с ортогональным набором; б - с косоориентированным набором

С целью уточнения напряженно-деформированного состояния совместной работы элементов в моностальном и бистальном вариантах проведено испытание модели пролетного строения, состоящего из двух сквозных балок, объединенных плитой проезжей части в виде металлического подреберного поддона ребрами вверх, и уложенного поверху монолитного бетона [5] (рис. 3).

В ходе испытаний фиксировались прогибы сквозных балок и прогибы плиты проезжей части; измерялись взаимные смещения поясов в результате действия сдвигающих сил в середине пролета, в четверти и в трети; проводились измерения перемещения перемычки стенки балки между отверстиями из плоскости балки. Наряду со статическими испытаниями фиксировались и динамические характеристики пролетного строения, такие, как частота собственных колебаний и логарифмический декремент затухания балок со сквозной стенкой.

Испытание модели проводилось в два этапа:

1 этап - изучалось напряженно-деформированное состояние необъеди-ненного сечения, т.е. без железобетонной плиты проезжей части.

2 этап - изучалось напряженно-деформированное состояние модели в сталежелезобетонном варианте сечения, т.е. была уложена монолитная железобетонная плита.

Рис. 3. Балка со сквозной стенкой с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне: 1 - главные балки; 2 - листовой поддон; 3 - поперечные связи; 4 - металлический уголок; 5 - монолитная железобетонная плита

В ходе испытаний отдельно загружалась плита проезжей части и отдельно главная балка пролетного строения.

На первом этапе плита проезжей части загружалась сосредоточенной силой в середине пролета через деревянный брус, уложенный поперек плиты между ребрами жесткости. Данная схема загружения выбрана с учетом использования подобной конструкции пролетного строения для укладки железобетонной плиты проезжей части.

На втором этапе плита проезжей части испытывалась сосредоточенной силой, которая прикладывалась через металлический штамп. Разрушающая нагрузка составила 280 кН. Эпюры прогибов плиты проезжей части приведены на рис. 4.

Следует отметить, что сталежелезобетонная и бисталежелезобетонная конструкции весьма удобны тем, что монтаж пролетного строения ведется в любое время года и сразу может быть открыта ограниченная временная эксплуатация по деревянному дощатому настилу, уложенному по поперечинам в виде бруса или бревен до наступления температур, допускающих укладку бетона.

Рис. 4. Эпюры прогибов плиты проезжей части

В настоящее время инженерами широко изучены вопросы напряженно-деформированного состояния отдельных элементов (балки, стержни и т.д.), и, как видно из обзора, исследователями ведется кропотливая работа по оценке напряженно-деформированного состояния ортотропной плиты, выполненной в виде листа, подкрепленного ортогональным и другим набором ребер.

Напряженно-деформированное состояние совместной работы сквозных моностальных и бистальных балок с железобетонной плитой проезжей части на металлическом поддоне в настоящее время практически не изучено, и необходимо проведение комплекса технико-экономических, теоретических и экспериментальных исследований по оценке напряженно-деформированного состояния таких конструкций пролетных строений и разработки методики их расчета.

Библиографический список

1. Картопольцев В.М. Металлические мосты с бистальными балками. Томск: Изд-во ТГАСУ, 1994. - С. 224.

2. Картопольцев В.М. Экспериментальное исследование выносливости стальных орто-тропных плит / В.М. Картопольцев, В.С. Данков // Разработка рациональных методов проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог и мостов в условиях Сибири. Томск: Изд-во ТГУ, 1983. - С. 16.

3. Лазарев И.Б. Математические методы оптимального проектирования конструкций: Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во Новосибирского ин-та инж. ж.д. транспорта, 1974. С. 192.

4. Ворожбянов В.Н. Совершенствование конструкций балок с перфорированной стенкой и разработка их расчета по критериям ограниченных пластических деформаций. Автореф. дис. канд. техн. наук. ЦНИИПСК. М., 1985. - С. 24.

5. Жербин М.М. Особо легкие стальные конструкции для промышленных и сельскохозяйственных зданий // Изд. вузов. Строительство и архитектура. 1985. №1. С. 11-16.

6. Ржаницын А.Р. Теория составных стержней строительных конструкций. М.: Стройиз-дат, 1948. - С. 192.

7. К вопросу применения новой конструкции ортотропной плиты проезжей части автодорожных мостов / Картопольцев В.М., Данков В.С., Зубкин Ю.И., Сухарев В.Е. // Строительство автомобильных дорог и мостов. Томск: Изд-во ТГУ, 1985. - С. 5.

8. Картопольцев В.М. О применении перфорированных балок в сталежелезобетонных пролётных строениях мостов / В.М. Картопольцев, Б.Г. Акимов // Тезисы докл. 3й Украинской на-учн-техн. конф «Перспективы развития и пути повышения эффективности применения лёгких и особо лёгких металлических конструкций». Киев, 1984. - С. 99-100.

Материал поступил в редакцию 15.04.04.

V.M. KARTOPOLTSEV, E. V. BALASHOV

TO THE POINT OF INVESTIGATION OF TENSION-DEFORMED CONDITION OF JOINT WORK OF THROUGH GIRDERS AND REINFORCED CONCRETE SLAB ON THE METAL PALLET

The paper considers the necessity of technical and economic, theoretical and experimental researches for estimation of tension-deformed condition of joint work of through monosteel and bisteel girders and reinforced concrete slab on the metal pallet, and the development of technique of their calculation.