Металлические пролётные строения с железобитонной плитой проезда с управляемым напряженным состоянием объединёной системы

BASIC PRINCIPLES OF MANAGEMENT OF PROCESSES OF STRUCTURIZATION OF TSEMENTOSODERZHASHCHY CONCRETE

N. A. Gutareva

The basic methods of technological impact on the cement-containing concrete, which allow you to control the processes of structure formation of cement stone and as a consequence of introducing innovative technology.

Гутарева Наталья Анатольевна - аспирантка Югорского государственного университета (ЮГУ), г.Ханты-Мансийск

УДК 624.21

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОЛЁТНЫЕ СТРОЕНИЯ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ПЛИТОЙ ПРОЕЗДА С УПРАВЛЯЕМЫМ НАПРЯЖЁННЫМ СОСТОЯНИЕМ ОБЪЕДИНЁННОЙ СИСТЕМЫ

П. П. Ефимов

Аннотация. В работе показано как, модифицируя общепринятую конструктивную форму сталежелезобетонных пролётных строений, можно создать конструкцию, в которой можно сохранять напряжённое состояние на заданном уровне.

Ключевые слова: сталежелезобетон; ползучесть и усадка бетона; жёсткий упор; высокопрочный элемент; управление.

Введение

Идея объединения в совместную работу материалов с различными физикомеханическими свойствами родилась в середине XIX в. (Рис. 1). Должного распространения эта идея в мостостроении не нашла. Однако, по прошествии столетия, в связи с широким применением в мостостроении железобетона, к этой идеи инженеры обратились вновь. В середине ХХ в. появилась новая кон-

структивная форма - сталежелезобетонные пролётные строения. Такая конструктивная форма породила ряд расчётнотехнологических проблем: обеспечение совместной работы железобетонной плиты проезда и стальных балок; учёт влияния ползучести и усадки бетона; неравномерного нагрева железобетонной плиты и стальной балки.

Рис. 1. Поперечные сечения мостовых конструкций из разнородных материалов

Утверждение пролётным строениям - изменение в процес-

Проявление дополнительных негативных се эксплуатации напряжённого состояния не-

факторов по отношению к цельностальным сущих конструкций в результате ползучести и

усадки бетона, неравномерного нагрева железобетонной плиты и стальной балки требует поиска новых способов включения железобетонной плиты проезда в совместную работу со стальными балками.

Основные положения теоретического анализа

Традиционные способы обеспечения совместной работы железобетонной плиты проезда основаны на применении гибких или жёстких упоров. Жёсткие, в меньшей степени гибкие, упоры создают концентрацию напряжений в зоне их прикрепления к стальной балке. Да и стоимость их изготовления достаточно высока, поскольку указанные работы трудно механизировать.

Н—(Г' Железобетонная

В середине восьмидесятых годов ушедшего столетия на кафедре “Мосты” СибАДИ был предложен способ обеспечения совместной работы железобетонной плиты проезда со стальными балками (Рис. 2), основанный на использовании предварительного напряжения плиты проезда за счёт натяжения высокопрочных элементов. В указанной конструкции отсутствуют соединительные элементы между плитой и стальной балкой. Отсутствие жёсткой связи плиты проезда со стальной балкой делает конструкцию малочувствительной к неравномерному распределению температуры по высоте её сечения.

Рис. 2. Принципиальная схема преднапряжённой комбинированной сталежелезобетонной конструкции

При натяжении высокопрочного элемента железобетонная плита подвергается обжатию горизонтальной силой Н , а в местах перегиба высокопрочного элемента возникают вертикальные силы V, разгружающие стальную балку. При многократном перегибе высокопрочного, при соответствующем выборе точек перегиба, можно свести изгибающий момент в стальной балке к минимуму.

Недостатком указанной конструкции, как и традиционной сталежелезобетонной, является изменение напряжённого состояния из-за ползучести и усадки бетона плиты проезда.

В последнее время в практике мостостроения находит применение монострендов Фрейсине, одной из особенностей которых является использование цанг для их анкеров-ки. Использование такого способа анкеровки

позволяет изменять натяжение стрендов в процессе эксплуатации конструкции. Для выполнения такой операции необходим лёгкий доступ в зону анкеровки стрендов.

Внесём изменение в рассмотренную выше комбинированную конструкцию (Рис. 3), особенностью которой является применения двухветвевых напрягаемых высокопрочных элементов, сформированных из стрендов Фрейсине. Для закрепления напрягаемых элементов используем пассивные анкера А1 и А2 в железобетонной плите проезда. Как минимум один из анкеров А3 или А4, размещённых на стальной балке, должен быть активным.

Рис. 3. Комбинированная сталежелезобетонная схема с управляемым напряжённым состоянием

Применение активного анкера позволяет компенсировать потери натяжения высокопрочных элементов из-за ползучести и усадки бетона, т.е. восстанавливать начальное

напряженное состояние комбинированной конструкции.

Для рассматриваемой конструкции остаётся возможная проблема обеспечения устойчивости железобетонной плиты обжатой усилиями, передаваемыми на неё от напрягаемых

высокопрочных элементов. В первом приближении ответ на этот вопрос может быть получен на основе приближённого решения. Предположим, что пролётное строение, а, следовательно, и плита имеет выгиб вверх со стрелкой f (Рис. 4). Примем очертание этого выгиба по квадратной параболе

(x ) =

yKx

4 • f

•

Рис. 4. Расчётная схема для оценки устойчивости плиты аналитическим методом.

Предположим, что по концам плиты приложена такая сила, при которой произошёл бесконечно малый отлип плиты от стальной балки по всей её длине. Зададимся целью оценки величиной такой силы. При полном отлипе плиту можно рассматривать как двухшарнирную арку, величина распора в которой и есть искомая сила Н . Помимо этой силы плита будет испытывать воздействие вертикальной нагрузки от собственного плиты q. Распор, при учёте только изгибных деформаций арки (плиты), может быть определён по выражению

н = - A hJ Sk

где

бнн =

I FMf-ds+j FA-ds б=I

^ x M71 * V7 77

rMq • Mf

F.J

F J n

здесь L - длина арки по её оси, ds - длина элементарного участка арки по её оси.

Так как арка (плита) очень пологая, то без существенной погрешности можно заменить Ь

на I, а йз на йх.

Тогда

f-M^. dx + і ^н • dx = j Я.Т J P.A

tf

1 F • J

FJ

NH

г

H

E-A

С Mf . l

= I----—•dx +------

F J F J

16f • І (l-x - x2 ? • dx + F J

F J

6fq = j

Mq • Mf

E- Im

dx =

q •і „ q-x2 ] 4-f

-

E-I

dx

q-f j{l-x-x")г і2 I e-i„

dx

Откуда, после интегрирования и на основании (2), имеем

н =

q-f-i

E-г,,

8 - f2 15-E-In

E-Am

При толщине плиты 15 см, её ширине 800 см и стрелке f =10 см согласно (3) имеем, что для отлипа плиты необходимо усилие 49000 кН. От такого усилия в плите возникают напряжения а = 40 МПа. Из этого следует, что плита быстрее будет раздавлена, чем потеряет устойчивость. Учитывая, что в реальных конструкциях на плиту будут уложены слои дорожной одежды, можно исключить возможность потери плитой общей устойчивости.

Однако может возникнуть вопрос о возможности потери контакта железобетонной плиты со стальной балкой на локальном участке. Для ответа на вопрос необходимо использовать более точные расчётные схемы. Более корректно для этого случая использовать расчётную схему, показанную на рисунке 5. Между железобетонной плитой и стальной балкой введём условные шарнирно-закреплённые связи малой длины. Постоянную нагрузку от веса плиты приведём к этим связям.

2

І

г

г

2

1

L

L

L

б

ванное состояние комбинированной системы, которое будем принимать в качестве начального для последующего нагружения.

Результаты вычислений усилий в условных связях между плитой и балкой, а также вертикальных перемещений конструкции приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, что при реально возможных сжимающих воздействиях на плиту усилия в условных связях остаются сжимающими. Это свидетельствует о том, что отлип железобетонной плиты от стальной балки не возможен.

Таблица 1- Усилия в дополнительных связях и вертикальные перемещения комбинированной конструкции.

Х,м Н , кН

2400 2700 3000 3300 3600 3900 4200

2,1 -44.19 0.001 -44.2 0.002 -44.2 0.003 -44.2 0.004 -44.2 0.004 -44.2 0.005 -44.2 0.006

4,2 -44.3 0.003 -44.31 0.004 -44.31 0.006 -44.31 0.007 -44.32 0.009 -44.32 0.010 -44.33 0.012

6,3 -44.23 0.004 -44.6 0 006 -44.97 0.009 -44.34 0.011 -44.72 0.013 -44.91 0.015 -44.948 0.018

8.4 -44.28 0.005 -44.28 0.008 -44.28 0.011 -44.28 0.014 -44.29 0.017 -44.29 0.020 -44.29 0.023

10.5 -44.22 0.005 -44.21 0.008 -44.22 0.012 -44.21 0.016 -44.22 0.019 -44.22 0.023 -44.22 0.026

12.6 -44.21 0.005 -44.21 0.009 -44.21 0.013 -44.21 0.017 -44.21 0.021 -44.22 0.025 -44.22 0.029

14.7 -44.25 0.005 -44.24 0.009 -44.25 0.014 -44.25 0.018 -44.25 0.022 -44.25 0.027 -44.26 0.031

16.8 -44.27 0.005 -44.28 0.009 -44.28 0.014 -44.27 0.019 -44.27 0.023 -44.28 0.028 -44.28 0.033

18.9 -44.33 0.005 -44.34 0.009 -44.34 0.014 -44.36 0.019 -44.36 0.024 -44.37 0.029 -44.36 0.033

21.0 -44.23 0.005 -44.23 0.009 -44.23 0.014 -44.23 0.019 -44.23 0.024 -44.24 0.029 -44.24 0.034

Примечание. Над чертой приведены значения усилий в условных связях, а под чертой перемещения конструкции в метрах________________________________________________

Вывод лежелезобетонной конструкции, можно эф-

Как это следует из проведенного анализа фективно управлять напряжённым состояни-в модифицированной комбинированной ста- ем, сохраняя его в начальном состоянии.

---------------------/---------------------

Рис. 5. Расчётная схема для оценки устойчивости плиты численным методом

Начальное очертание оси железобетонной плиты примем прямолинейной. Усилие Н и V будем прикладывать ступенями. На каждой ступени нагружения конструкции определяем усилия в дополнительных связях и её деформиро-

Библиографический список

1.А. С. № 1270377. Предварительно напряжённая комбинированная балка пролётного строения моста / Ефимов П. П., Романовский В.М. 1986.

SPANS WITH METAL REINFORCED CONCRETE ROADWAY SLABS AND CONTROLLED STRESS CONDITION OF THE JOINT SYSTEM

P. P. Efimov

The paper shows how by modifying the conventional form of composite structural spans you can create a structure in which maintaining a state of stress at a given level is possible.

Ефимов Павел Петрович - доктор технических наук, профессор СибАДИ. Основные направления научной деятельности - исследование фактической работы эксплуатируемых пролётных строения мостов; управление динамическим процессом динамического воздействия движущегося транспорта на мосты. Общее количество опубликованных работ: - 100.

УДК 624.04

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СОБСТВЕННЫХ ФОРМ ВАНТОВОГО МОСТА СМЕШАННЫМ МЕТОДОМ

Кадисов Г. М.

Аннотация. Рассматриваются особенности вычисления собственных частот и собственных форм вантового моста, пространственная модель которого состоит из тонкостенной призматической складки, пилона постоянного поперечного сечения и веера вант. Приведены численные примеры.

Ключевые слова: смешанный метод,

перемещения.

Введение

В статье [1] рассмотрено решение одной модельной задачи о колебаниях вантового моста после обрыва одной наиболее напряженной ванты. Для сравнения результатов расчета методом конечных элементов предложено использовать смешанный метод и складку, моделирующую балку жесткости. Ниже рассматриваются особенности вычисления собственных частот (собственных чисел) и собственных форм вантового моста с применением смешанного метода.

Напомним, что модель складки для расчета плитно-балочных пролетных строений мостов и тонкостенных призматических систем была предложена Александровым А.В. [2]. [3], при этом для определения напряженно-деформированного состояния в плоских тонкостенных элементах применены точные решения теории упругости с использованием ординарных тригонометрических рядов. Эффективность модели была показана на расчетах однопролетных строений мостов, а также приведен смешанный метод для случая наличия

уравнение частот, собственные формы,

промежуточных опор. Автором в работе [4] модель складки была применена для решения динамических задач о колебаниях пролетных строений мостов совместно с регулярной колонной автомобилей, движущихся с постоянной скоростью.

Задача на собственные значения вантового моста

Смешанный метод в задаче о динамике вантового моста представлен системой уравнений (1) работы [1]. Эту систему, рассматривая свободные гармонические колебания моста, можно упростить, исключив из нее постоянную нагрузку и представив ускорения, пропорциональными смещениям:

Яг 2 г - Шг 2 г + ЯгхХ = 0 ;

Яп 2П-ЖП2П+ ЯШХ = 0;

2 А * 2I +2 А А X х = 0 .

Здесь Я,, Ягх , - реакции дополнительных связей, распределенных вдоль узловых линий складки, от деформирования складки по I -й гармонике и от усилий в вантах, Я, - приве-