ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции
УДК 624.04 (075.8)
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЛЕДОВЫХ ПЕРЕПРАВ УСИЛЕННЫХ, МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПОНТОННЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ИЗ ДВУХОПОРНЫХ ПАРОМОВ
Д.А. Тряпкин, магистр
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»,
Хабаровск, Россия
Сибхарактерны незначительные осадки Акрены проезжейДИчасти. В настоящий момент отсутствует нормативная методика расчета несущей способности комбинированных переправ.
Аннотация. Предложена новая методика расчета грузоподъемности шарнирно-консольного моста из двухопорных паромов. Разработана методика расчёта несущей способности комбинированных переправ с обоснованием пассажирских перевозок по ним. Впервые построены обобщенные граф ки грузоподъемности комбинированной переправы из условия прочности и
жёсткости ледового покрова.
Ключевые слова: ком н рованная переправа, ледовый покров, понтон.
THE METHOD OF CALCULATION OF ICE CROSSINGS REINFORCED, METAL PONTOON STRUCTURES OF THE DOUBLE-SEAT FERRIES
D. A. Tryapkin, master
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education
«Far Eastern State Transport University», Khabarovsk, Russia
Annotation. The new methodology for calculating the load carrying capacity of the hinged-cantilever bridge of two-pillar ferries has been proposed. A methodology of calculating the carrying capacity of combined crossings with the justification of passenger traffic on them has been developed. For the first time, generalized graphs of the carrying capacity of the combined crossing were constructed from the condition of
strength and rigidity of the ice cover.
Keywords: combined crossing, ice cover, pontoon.
Введение
В суровых климатических условиях Севера и Дальнего Востока при отсутствии развитой дорожной
сети при пересечении рек в зимний период широко используются ледовые переправы. Ледовые переправы должны обеспечивать безопасный проезд автотранспорта, в том числе значительной грузоподъемности. При этом требуется достаточно мощный ледяной покров с минимум трещин. Для усиления ледовых переправ используют намораживание дополнительных слоев льда, иногда вмораживают специальные настилы. Однако такие методы незначительно увеличивают несущую способность переправы, регулярное эксплуатирование и срок действия. Наиболее надежным
способом обеспечения пропуска грузового пассажирского автодорожного транспорта через
водотоки зимой и увеличение срока действия ледовых переправ является устройство комбинированных переправ. Эти переправы представляют собой вмороженные в ледяной покров реки наплавные мосты сразу после замерзания реки. Такие переправы малочувствительны к гидрологии водного потока и климатическим условиям. Кроме того, для данного типа переправ
Совершенствование методики расчета грузоподъемности шарнирно-консольного моста из двухопорных паромов
В нормативной методике расчёта грузоподъёмности шарнирно-консольного моста из двухопорных паромов на совместную работу главных балок не учитывается влияние поперечных балок [3].
Таким образом, необходимо в совместной работе главных балок учесть влияние поперечных балок. Поставлена задача: сравнить результаты расчета изгибающего момента, c учетом поправочного коэффициента, с результатами проведённых испытаний.
Расчёт наплавного моста из двухопорных паромов [3].
Определяется коэффициент поперечной установки крайней балки, т.к. она является наиболее
|
1 |
|
ez |
k |
|
n |
z |
2 |
A |
|
|
нагруженной: КПУ |
|
1,86 |
|
4 |
i 1 |
i , где LОП |
0 |
м – длина площади ватерлинии. |
|||
n |
in 1 zi2 |
||||||||||
|
|
|
nL2ОП |
|
B |
|
|||||
190
Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса |
|||||||||||||||||
Расчётный изгибающий момент определяется для крайнего, наиболее нагруженного прогона по |
|||||||||||||||||
формуле [3]: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M M |
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
пр |
M |
P |
K |
ПУ |
n |
, |
(1) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где M M – изгибающий момент в балке от местного изгиба, |
|
M P |
- момент от временной нагрузки, |
||||||||||||||
берется большим по абсолютной величине из моментов М и М2, полученных при загружении |
|||||||||||||||||
положительного и отрицательного участков л.в.М. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Предлагается ввести коэффициент, который показывает какая доля нагрузки приходится на |
|||||||||||||||||
поперечные балки, , таким образом, учитывает влияние поперечных балок на совместную работу |
|||||||||||||||||
главных балок [5]. Тогда формула (1) с учётом предлагаемого коэффициента примет вид |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
M |
пр |
M |
P |
K |
ПУ |
M M |
n |
, |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где max(п.в.М) , max(п.в.М) (р с. 1) – максимальная ордината поверхности влияния изгибающего |
|||||||||||||||||
max(л.в.М) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
момента в расчетном |
сечен |
балки; |
max |
(л.в.М) |
– максимальная ордината линии влияния |
||||||||||||
изгибающего момента в том же сечении балки [3]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Условие прочности по СН П 2.05.03-84*(СП 35.13330.2011) [2]: |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Мx |
m Т |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Wx |
|
|
|
|
|
|
|
||
целью проверки прав льности вычисления коэффициента |
и оценки фактической работы |
||||||||||||||||
наплавной части комб н рованной переправы проводились статические испытания. В качестве |
|||||||||||||||||
испытательной нагрузки был взят автомо иль iveco, общим весом 33 тс. Чтобы оценить фактическую |
|||||||||||||||||
работу крайн х прогонов, нагрузка устанавливалась несимметрично относительно оси переправы. |
|||||||||||||||||
Прогибы балок в пролете №3 фиксировались прогибомерами 6 ПАО. Линейные фибровые |
|||||||||||||||||
деформации в сечен ях главных |
алок измерялись с помощью индикаторов часового типа (мессур) с |
||||||||||||||||
ценой делен я 0,01 мм на |
азе 420 мм |
тензометров Гугенбергера, установленных на нижнюю полку |
|||||||||||||||
главных балок. Индикаторы |
ыли установлены только в пролете №3 на балках Б6, Б8, Б10. |
||||||||||||||||
СибАДИ |
|||||||||||||||||
Рисунок 1 – Поперечные схемы загружения наплавного моста: Эп.σ – эпюра нормальных |
|||||||||||||||||
напряжений в нижнем поясе главных прогонов от испытательной нагрузки; эп.δ – эпюра прогибов |
|||||||||||||||||
главных прогонов от испытательной нагрузки; п.в.М – след поверхности влияния изгибающего |
|||||||||||||||||
момента в расчетном сечении для определения коэффициента . |
|||||||||||||||||
В табл. 1 и 2 показаны результаты испытания и расчета пролетного строения мостового участка |
|||||||||||||||||
понтонных конструкций. |
В таблице 2 теоретические прогибы крайней балки определены с учетом |
||||||||||||||||
динамического коэффициента 1 1,15 , коэффициента |
и коэффициента поперечной установки |
||||||||||||||||
(Кпу). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
191 |
|
|
|
|
|
|
|||
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции
Таблица 1 – Расчет грузоподъёмности наплавного моста |
|
|
|
||
|
Параметр |
Н14 |
А14 |
Iveco |
|
|
∑q·w, кНм |
3397.5 |
986.5 |
|
|
|
∑P·y, кНм |
|
344,8 |
651.4 |
|
|
Кпу |
0,185 |
0,156 |
0,209 |
|
|
Кпу·(∑P·y+∑q·w), кНм |
628,54 |
207,83 |
136,14 |
|
|
Коэффициент перехода к нормативным |
0,217 |
0,655 |
- |
|
|
нагрузкам |
|
|
|
|
|
σ(MM), Мпа |
70,2 |
70,2 |
70,2 |
|
|
[σ(Мр)], Мпа |
144.1 |
144.1 |
144.1 |
|
|
σ(Мр(экспериментальное)), Мпа |
96,77* |
32,06* |
21,0 |
|
|
∆- поправочный коэфф ц ент |
0,218 |
0,218 |
0,218 |
|
|
σ(Мр(теорет ческое)), Мпа |
82,8 |
27,4 |
18,0 |
|
|
(1+µ)·σ(Мр(теорет ческое)), МПа |
95,22 |
31,51 |
21,7 |
|
|
Конструкт вный коэфф ц ент |
0,7 |
0,23 |
0,15 |
|
*- значен я определены через коэффициент перехода от испытательной нагрузки.
равнен е теорет ческ х |
экспериментальных значений напряжений от временной нагрузки |
||||
показало бл зость результатов, |
что говорит о правильности введения коэффициента в формулу |
||||
расчетного |
зг бающего момента. |
|
|
|
|
Таблица 2 – Прог бы в серед не пролёта крайнего прогона |
|
|
|||
|
|
|
|
||
нагрузка |
Экспер ментальный, |
Теоретические, мм |
|||
|
мм |
|
КПУ(ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ)=0,209 |
Кпу(экспериментальный)=0,259 |
|
|
|
|
|
|
|
Iveco |
0.72 |
|
0,624 |
0,773 |
|
Методика расчета ком н рованных переправ
Допускаемые нагрузки на усиленный металлическими понтонными конструкциями ледяной покров водоема или водотока при известной толщине льда определяются на основе теории изгиба плит на упругом основании по модели винклера по методу проф. Б.г. коренева с использованием бесселевых функций [6].
Давление от колес подвижной нагрузки на пролетном строении понтонного усиления пропорционально распределяется, с точностью до параметра величины осевой нагрузки (РIVECO, Рак или Рнк) между понтонами путем загружения линии влияния реакции соответствующей плавучей опоры [3] (для двухопорных паромов достаточно л.вл. реакций четырех соседних опор). Плавучая опора разбивается в плане на прямоугольники, близкие к квадратному очертанию. Найденное давление на плавучую опору пропорционально распределяется между центрами прямоугольников в виде сосредоточенных сил.
Расчет изгибающих моментов и прогибов ведется по следующему порядку. В центре квадрата определяется момент от действующей нагрузки по площади квадрата, которая заменяется
эквивалентной нагрузкой, распределенной по площади |
круга. Затем, по принципу независимости |
|||||||||||||||
действия сил расчет ведется на воздействие нагрузки, распределённой по эквивалентному кругу, и |
||||||||||||||||
системы сосредоточенных сил. |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Тангенциальный момент: Gr G(0) |
1 |
~[M ] |
( k ) , |
где P - |
величина сосредоточенной силы, с |
|||||||||||
|
P g0 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
4 i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
точностью до параметра величины осевой нагрузки (Рак или Рнк); |
l 4 D k0 –характеристика гибкости |
|||||||||||||||
льда; |
k rk |
l - приведённое |
расстояние между точкой, в которой вычисляются усилия или |
|||||||||||||
СибАДИперемещения, точкой, в которой прикладывается внешнее воздействие (в данном случае |
||||||||||||||||
эквивалентная сосредоточенная сила): |
D Eh3 12(1 2 ) - цилиндрическая жёсткость ледяного поля |
|||||||||||||||
[7]; rk |
– расстояние между данными точками; |
E – модуль упругости льда; – коэффициент Пуассона |
||||||||||||||
льда; |
k0 – объёмный вес воды; |
h -расчетная толщина льда, см. |
|
|
[M ] |
|
~[M ] |
( k ), - |
||||||||
f0 ( k ), f0 |
( ), g0 |
|
( k ), g0 |
|||||||||||||
табличные |
функции метода |
Б.Г. |
Коренева |
[6]. |
Прогибы |
определяются |
|
по |
формуле: |
|||||||
w l 4D n P f0 ( k ) [7].
i 1
Определение допускаемого прогиба берется из условия применимости теории изгиба плит на упругом основании [ f ] h
4 [7]. За расчетный момент принимается тангенциальный.
Результаты расчетов прогибов ледяного покрова с усиливанием (при h=83см прогиб w=1,8 см) и без усиливания (при h=83см прогиб w=2,03 см), при различной толщине льда, показали значительное
192
Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса
увеличение жесткости ледяного покрова с укреплением его шарнирно-консольным мостом из двухопорных паромов.
Проведение статических испытаний. Цель: проверить принятую модель работы понтонных конструкций усиливания (наплавного моста шарнирной схемы) и ледяного покрова от действия испытательной нагрузки.
Прогибы прогонов в пролете и осадка понтона измерялись прогибомерами 6ПАО и измерительной системой «ФАЗА». Все данные отображались на мониторе компьютера во время испытания, специальная программа обрабатывала данные и выдавала результаты: фактический прогиб крайней балки (отдельно и совместно с ледовым покровом), фактический прогиб ледового покрова.
По многолетним наблюдениям температуры воздуха и толщины льда построен график СибАДИгрузоподъёмности переправы (рис.2). На рисунке 3 приведены графики расчёта прогибов ледяного покрова. На рисунке 4 приведены графики расчёта допустимых осевых нагрузок. В таблице 3
показано сравнен е осадок переправы от разных нагрузок в различных комбинациях.
Рисунок 2 – График грузоподъёмности ком инированной переправы по месяцам в зависимости от температуры состояния льда
а)
193
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции
б)
СибАДИРисунок 3 – Прог ы ледового покрова при осевой нагрузки по схеме Н14 (а) и А14 (б) допускаемой из условия прочности
а)
)
Рисунок 4 – Допустимые осевые нагрузки по схеме Н14 (а) и А14 (б) на комбинированную переправу по прочности и жесткости ледового покрова
194
Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса
Анализ графиков (рис. 4) показывает, что пропуск автомобильного транспорта весом брутто 16 т возможен одиночным порядком по оси переправы начиная с толщины льда 15 см и температуре воздуха -10°С.
Таблица 3 – Сравнение осадок переправы от разных нагрузок в различных комбинациях
Вид переправы |
Ледяная переправа |
Наплавной мост |
Комбинированная переправа |
|
нагрузка |
|
|
теоретический |
При испытании |
IVECO, см |
2,03(при h=83см) |
|
1,8 (при h=83см) |
1,6(при h=83см) |
Н14, см |
|
72,0 |
8,6(при h=>65см) |
|
СибАДИУчебное пособие для студентов высшего профессионального образования. Федеральное агентство по образованию, гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "МАТИ" - Российский гос. технологический ун-т им. К. Э. Циолковского. Москва, 2008
Анализ таблицы 3 показывает, что прогибы, комбинированной переправы, полученные при
испытании, оказались близки с прогибами, полученными при теоретическом вычислении.
Заключен е
1. Предложена метод ка учёта влияния поперечных балок на совместную работу главных балок
металлическ х понтонных конструкций шарнирно-консольного наплавного моста из двухопорных паромов. Экспер ментально установлена обоснованность введения поправочного коэффициента 
, учитывающего продольное распределение нагрузки между поперечными балками.
2. |
Разработана |
подтверждена |
экспериментом методика расчёта |
несущей способности |
||
комбинированных переправ. Показаны расчёты прогибов ледяного поля от испытательной нагрузки |
||||||
без усиливан я понтонными конструкциями и с усиливанием. Установлено, |
что усиливание ледяной |
|||||
переправы металл ческ ми понтонными конструкциями, повышает грузоподъёмность переправы в |
||||||
1,9-8 раз, а жёсткость – в 1,55 |
олее раз, с увеличением эффекта по мере уменьшения толщины |
|||||
ледяного покрова. |
|
|
|
|
|
|
Библиограф ческ й сп сок |
|
|
|
|
||
1. |
СП 79.13330.2012. Мосты |
тру ы. Правила о следований и испытаний. – М.: 2012. – 38 с. |
||||
2. |
СП 35.13330.2011 «Мосты |
тру ы». - М.: 2011. - 214 с. |
|
|||
3. Телов В.И. Наплавные мосты |
паромные переправы: Монография / В.И. Телов. – М. Маршрут, 2006. – 423 с. |
|||||
4. |
ОДН 218.010-98. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации ледовых переправ. – М: |
|||||
2008. – 35 с. |
|
|
|
|
|
|
5. |
Тряпицын Ю.В. Методики расчета и снижение металлоемкости ортотропной плиты пролетных строений |
|||||
металлических мостов / Ю.В. Тряпицын // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, |
||||||
Хабаровск, 2006. – 137 с. |
|
|
|
|
|
|
6. |
Рапопорт Ю.М. Методы вычисления |
та лицы модифицированных функций Бесселя / Ю.М. Рапопорт // |
||||
7. Бычковский Н.Н. Ледовые строительные площадки, дороги и переправы / Н.Н. Бычковский, Ю.А. Гурьянов. – Саратов: Сарат.гос.техн. ун-т, 2005. – 260 с.
Научный руководитель – Тряпицын Ю.В., канд. техн. наук, доцент
195
СибАДИСекц я 3.2. ПРОМЫШЛЕННОЕ
И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА И ИЗАЙН
196