Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование металлических мостов с ортотропной плитой проезжей части. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МОСТОВ
С ОРТОТРОПНОЙ ПЛИТОЙ ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2023
2
УДК 624.27
П79
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А.Ю. Прокопов;
главный инженер ООО «Донавтодорпроект» А.В. Чурсинов
Авторы:
Д.А. Николенко, В.С. Шрейнер, В.О. Кузнецов, Г.В. Еганян
П79
Проектирование металлических мостов с ортотропной
плитой проезжей части : учебное пособие / Д.А. Николенко,
В.С. Шрейнер, В.О. Кузнецов [и др.] ; Донской государственный
технический университет. – Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2023. – 32 с.
ISBN 978-5-7890-2085-2
Рассмотрена конструкция стальных пролетных строений автодорожных мостов с ортотропными плитами проезжей части. Приведена
методика расчета основных конструктивных элементов пролетного
строения.
Предназначено для бакалавров направления подготовки 08.03.01
Строительство специальностей «Автомобильные дороги и аэродромы»,
«Мосты и транспортные тоннели».
УДК 624.27
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
ISBN 978-5-7890-2085-2
© Донской государственный
технический университет, 2023
3
Введение
Мосты являются важной составной частью дорожной сети, и для нормального ее функционирования проезжая часть мостового полотна имеет большое
значение. При сооружении мостов применяют различные материалы. В настоящее время все большее распространение получают металлические мосты.
Металл обладает хорошими механическими качествами при различных
условиях работы под нагрузкой. Вместе с тем он хорошо поддаётся обработке
и позволяет образовывать элементы различной формы для конструкций разнообразных систем. Эти качества способствовали широкому использованию
металла для постройки мостов. При этом в мостах металлическими делают
обычно только пролетные строения. Опоры же в большинстве случаев устраивают железобетонными. В прошлом опоры строили из каменной кладки.
В настоящее время для металлических конструкций мостов применяют
строительные углеродистые стали. Благодаря высокой прочности современных строительных сталей металлические мосты, несмотря на значительный
объемный вес стали, оказываются наиболее легкими, что позволяет использовать металл для перекрытия пролетов, значительно превосходящих по длине
пролеты мостов из других материалов. Крупнейшие современные металлические мосты имеют пролеты, достигающие 1300 м, в то время как железобетонными мостами перекрыты пролеты лишь до 300 м.
Существенное преимущество металлических мостов заключается в индустриальности их изготовления и сборки. Все элементы металлических конструкций мостов изготавливают на хорошо оборудованных заводах и доставляют на
место постройки, где производят сборку. Сборка металлических конструкций
мостов может быть полностью механизирована, что позволяет вести монтажные
работы быстрыми темпами. Особенно существенны преимущества металлических мостов при пересечении многоводных рек, где устройство металлических
пролетных строений часто бывает единственно возможным решением.
Металлические мосты в эксплуатационном отношении немного уступают железобетонным мостам, так как имеют существенный недостаток –
ржавление (коррозия) металла под воздействием влаги, сернистых газов и
других факторов. Для защиты от ржавления элементы металлических конструкций мостов покрывают стойкими красками. Необходим также тщательный надзор за состоянием металла в процессе службы.
В настоящее время строительство большой сети новых автомобильных и
железных дорог, а также реконструкция существующих, требуют возведения
многочисленных мостовых переходов, в частности через крупные реки.
Учитывая преимущества металлических мостов при перекрытии больших пролетов и непрерывный рост металлургической промышленности
нашей страны, имеются все основания для более широкого применения металла в строительстве мостов.
4
1. МАТЕРИАЛ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МОСТОВ
1.1. Общие сведения
Современные металлические мосты выполняют из прокатной стали.
Стальные конструкции имеют широчайшее применение в строительстве
транспортных сооружений. В целом даже конструкции из бетона не выполняются без арматуры, изготовленной из стали.
Свойства стали напрямую зависят от ее состава. Сталь – это сплав
железа с углеродом и другими добавками. Количество углерода в стали
влияет на его прочность, твердость, пластичность и свариваемость.
Стали с большим количеством углерода называются высокоуглеродистыми, при содержании углерода в стали более 2,14 % получается
чугун. Высокоуглеродистые стали обладают высокой прочностью и
твердостью, однако они хрупкие и плохо свариваются.
Сталь с содержанием углерода менее 0,6 % называется низкоуглеродистой. При уменьшении количества углерода в стали уменьшается ее
прочность и твердость, однако повышается пластичность и улучшается
свариваемость.
На характеристики и свойства стали влияют также добавки – они
называются легирующими (например, в сплав добавляют хром, никель,
медь, кобальт, титан, алюминий и пр.). Легирующие добавки могут повышать прочность, твердость и свариваемость, а также коррозионную
стойкость (нержавеющие стали).
Наиболее часто применяемые в мостовых металлоконструкциях
стали 10ХСНД, 15ХСНД и 09Г2С – это низкоуглеродистые легированные стали. На примере первой из них разберем маркировку, она отражает
состав стали:
10 – 0,1 % С (углерод) – меньше 0,6 %, поэтому сталь низкоуглеродистая;
X – 1 % Cr (хром);
С – 1 % Si (кремний);
Н – 1 % Hi (никель);
Д – 1 % Cu (медь).
Высокопрочные болты в соединениях элементов выполняются из
стали 40 X, где 40 – 0,4 % C (углерод) – содержание углерода выше, прочность болтов выше.
В целом сталь, как материал, хорошо зарекомендовала себя в мостостроении. Она обладает значительной прочностью, изотропна,
5
т. е. ее физические свойства во всех направлениях одинаковы, работает
одинаково на растяжение и на сжатие. Однако одним из значительных
недостатков стали является необходимость защищать ее от коррозии.
1.2. Работа металла в мостовых конструкциях
При движении временной нагрузки, кроме давления от веса этой
нагрузки, мосту передаётся ряд дополнительных воздействий, называемых динамическими.
Такие воздействия могут иметь случайный или закономерный
характер.
Случайные воздействия, в большинстве случаев вызванные подвижными нагрузками через неровности полотна дороги, обычно не
имеют существенного значения. Более неприятны для мостов закономерные динамические воздействия в виде периодических или ритмических усилий.
Такие воздействия возникают от колебаний надрессорной части автомобиля или железнодорожного подвижного состава, от ударов звеньев
цепей гусеничных грузов, от последовательных ударов колес железнодорожных составов на рельсовых стыках и др.
В автодорожных городских мостах опасное периодическое воздействие вызывают идущие по мосту люди или животные. Особенно опасны
периодические воздействия толпы людей, идущих в ногу.
Если частота ударов нагрузки совпадает с частотой собственных колебаний моста, то образуются интенсивные колебания моста. Явление
это называется резонансом колебаний.
В результате резонанса развиваются большие деформации и напряжения, которые могут привести к повреждениям и даже обрушению моста. При несовпадении частоты собственных колебаний с ритмом действующей периодической нагрузки опасность интенсивных колебаний
моста практически не существенна.
Совокупность динамических воздействий, возникающих под влиянием движения временной нагрузки в металлических мостах, принято
при их расчете учитывать упрощенно, умножением статического действия расчетной нагрузки на динамический коэффициент (1 + μ), больший единицы.
6
Согласно СП 35.13330.2011, п. 6.22, динамические коэффициенты
(1 + μ) к нагрузкам от подвижного состава железных, автомобильных и
городских дорог следует принимать равными для нагрузки:
АК – коэффициент динамичности (1 + μ)АК = 1,4;
НК – коэффициент динамичности (1 + μ)
НК
= 1,0.
Коэффициенты надежности по нагрузке (γf) для временных вертикальных нагрузок, согласно СП 35.13330.2011, табл. 6.10, имеют следующие величины для:
– тележка нагрузки АК γf
(АТ)
= 1,5;
– равномерно распределенная часть нагрузки АК γf
(АК)
= 1,15;
– нагрузка НК γ
f (НК)
= 1,10.
Эти коэффициенты получены в результате опытных исследований и
далеко не совершенно учитывают динамические действия нагрузки, в
частности возможные влияния периодически действующих сил, а также
особенности системы, конструкции моста и другие условия. Поэтому от-
ветственные мосты средних и больших пролетов необходимо при проектировании подвергать специальным динамическим расчетам для проверки их на колебания, возникающие под периодической (или ритмической) нагрузкой, и выяснения их вибрационной устойчивости.
1.3. Ортотропные плиты проезжей части мостов
Ортотропной плитой называется конструкция, состоящая из листа
настила, подкрепленного продольными и поперечными ребрами, расположенными перпендикулярно (ортогонально) друг другу.
Продольные и поперечные ребра ортотропной плиты имеют разную
высоту и длину, вследствие этого у них разная изгибная жесткость во
взаимно перпендикулярных направлениях. Изотропностью называется
одинаковость физических свойств материала во всех направлениях, а
различие этих свойств по направлениям называется анизотропностью.
Например, сталь – изотропный материал, а бетон или стекло – анизотропный. Путем сочетания двух понятий – изотропность и ортогональность – родился технический термин – ортотропная плита, иначе называемая ортогонально анизотропной.
Ортотропная плита состоит из трех основных элементов: листа
настила, продольных ребер, поперечных балок.
Принципиальная конструкция монтажного блока ортотропной
плиты заводского изготовления с полосовыми продольными ребрами показана на рис. 1.1.
7
Рис. 1.1. Ортотропная плита с продольными ребрами
Плоские продольные ребра проходят в вырезах в поперечных балках.
Отверстия для постановки болтов по концам продольных ребер и поперечных балок могут отсутствовать при цельносварных стыках плит. Толщины элементов плит, расстояния между продольными ребрами, формы
вырезов в поперечных балках нормируются.
На строительной площадке плиты объединяют между собой и с
главными балками пролетного строения моста при помощи сварки или
на сварке и высокопрочных болтах. Размеры плит в плане, как правило,
подчинены удобству их перевозки и монтажа, а также размерам листов
выпускаемого проката.
2. РАСЧЕТ ОРТОТРОПНОЙ ПЛИТЫ ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ
2.1. Конструирование и расчет ортотропной плиты проезжей части
Процесс конструирования ортотропной плиты представляет собой
назначение ее формы и размеров всех частей с проработкой всех ее узлов.
Этот процесс производиться с учетом конструктивных и технологических требований и ограничений, под контролем поверочных расчетов,
в результате которых уточняются геометрические параметры конструкции.
Порядок конструирования и расчета следующий:
1) при заданной разработке на пролеты предварительно назначают
генеральные размеры конструкции и сечение основных ее элементов;
8
2) производят конструирование и расчет на местную нагрузку орто-
тропной плиты проезжей части;
3) выполняют расчет по прочности, устойчивости, выносливости и
деформациям главных несущих элементов, в результате чего уточняют
их сечения.
Поперечное сечение пролетного строения показано на рис. 2.1,
где Т – ширина тротуара, Г – габарит пролетного строения, 390 мм – ширина
барьерного ограждения.
Рис. 2.1. Поперечное сечение пролетного строения
2.2. Определение расчетных усилий в продольном ребре
Длину пролета продольных ребер lр и расстояние между продольными ребрами
принимают по техническому заданию на проектирова-
ние. Толщину
листа настила ортотропной плиты необходимо принять
по приведенному далее расчету, но не менее указанной в табл. 8.37
СП35.13330.2011.
Вычислим количество продольных ребер, участвующих в восприя-
тии временных нагрузок АК и НК. При этом ширина полосы нагрузки АК
составляет
, а для нагрузки НК –
. Схема
к вычислению количества ребер, участвующих в восприятии нагрузки,
представлена на рис. 2.2, где
– это суммарная толщина слоев дорож-
ной одежды и
– толщина настила ортотропной плиты.
Ширина распределения нагрузки в уровне настила:
– от колеса нагрузки АК:
;
– от колеса нагрузки НК:
.
9
Рис. 2.2. Схема к вычислению количества ребер,
участвующих в восприятии нагрузки
Тогда количество продольных ребер, включающихся в работу:
– от колеса нагрузки АК:
;
– от колеса нагрузки НК:
Загружаем линию влияния изгибающего момента для середины ребра
как для разрезной балки нагрузками АК и НК (рис. 2.3).
а) б)
Рис. 2.3. Загружение линий влияния изгибающего момента
нагрузками АК (а) и НК (б)
Следует отметить, что в зависимости от расчетной длины продольного ребра lр может увеличиваться количество осей, участвующих
в нагружении продольного ребра.
Изгибающий момент для середины пролета продольных ребер вычисляется по следующим формулам:
– от нагрузки АК:
10
– от нагрузки НК:
где
– коэффициент динамичности для тележки АК;
– коэффициент динамичности для равномерной части АК;
Р
АК
– нагрузка на одну ось тележки АК, кН;
– распределенная нагрузка АК, кН;
– площадь линии влияния (см. рис. 2.2), м2;
– коэффициент надежности по нагрузке для равномерной части АК;
– коэффициент надежности по нагрузке для тележки АК;
– сумма ординат линии влияния изгибающих моментов под
тележкой АК и НК (см. рис. 2.3);
(1 + )НК – коэффициент динамичности для нагрузки НК;
Р
НК
– нагрузка на одну ось тележки НК, кН;
– коэффициент надежности по нагрузке НК.
Тогда изгибающий момент, приходящийся на одно ребро:
– от полуполосы нагрузки АК:
– от полуполосы нагрузки НК:
Для дальнейших расчетов принимается наибольшее значение
изгибающих моментов
и
.
Определим расчетную нагрузку от собственного веса одежды ездового полотна и листа настила ортотропной плиты, приходящуюся на 1 м2:
где
– плотность асфальтобетона, кН/м3;
– плотность стали, кН/м3;
– коэффициенты надежности по нагрузке для асфальтобетона;
– коэффициенты надежности по нагрузке для стали.
Максимальный изгибающий момент в продольном ребре от постоянных нагрузок:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]