МИНТРАНССТРОЙ СССР
всесоюзный НАУчно-ИсслЕдоВАТЕльский институт транспортного СТРОИТЕЛЬСТВА
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО
ПРОЕКТИРОВАНИЮ СТАЛЬНЫХ ОРТОТРОПНЫХ ПЛИТ
ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ
АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ
МОСКВА 1968
СОДЕРЖАНИЕ
|
III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В ПЛИТЕ ОТ РАБОТЫ ЕЕ НА ИЗГИБЕ МЕЖДУ ГЛАВНЫМИ БАЛКАМИ IV определение; усилий в плите От совместной РАБОТЫ ЕЕ С ГЛАВНЫМИ БАЛКАМИ
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одно из основных преимуществ стальной ортотропной проезжей части - небольшой собственный вес, в 3 - 4 раза меньше, чем вес железобетонной плиты. Применение ортотропных плит для стальных мостов больших пролетов приводит к экономии металла по сравнению со сталежелезобетонными мостами, позволяет сократить сроки строительства, ликвидировать сезонность монтажных работ и создать новые аффективные формы конструкций пролетных строения, например тонкостенные мосты-оболочки коробчатого поперечного сечения.
Действительная, несущая способность ортотропных плит, определенная с учетом пластической, работы материала, значительно превышает установленную в предположении только упругой работы, что обусловлено перераспределением усилий между элементами конструкций и мембранным эффектом.
Стальная ортотропная плита проезжей части автодорожных мостов - аффективная и сравнительно новая конструкция в отечественном мостостроении. Особенности ее конструирования и расчета не отражены в технических условиях СН 200-62. Отдельные пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части, построенные в CCCР были запроектированы при отсутствии соответствующих методических разработок. Поэтому по многим показателям, и прежде всего весовым, они уступает зарубежным.
В лаборатории металлических мостов ЦНИИСа проведены теоретические и экспериментальные исследования с разработкой предложений по конструкциям, методам расчета, технология изготовления и области применения стальных автодорожных пролетных строений (открытого и коробчатого сечения) с ортотропной плитой проезжей части. Предложения получили положительную оценку Технического управления Минтрансстроя и рекомендованы к исполнению проектным и строительным организациям. На основании этих предложений инж. А.С. Платонов под руководством канд. тeхн. наук Н.Н. Стрелецкого составил настоящие рекомендации.
Замечания просьба направлять по адресу: Москва, И-329, игарский пр.,2, Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС), отделение искусственных сооружений.
ЗАМ. ДИРЕКТОРА ИНСТИТУТА (А. СМОЛЬЯНИНОВ)
РУКОВОДИТЕЛЬ ОТДЕЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ (К. СИЛИН)
I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. В условиях СССР применение стальных автодорожных пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части рационально, как правило, при пролетах свыше 130 м. При пролетах от 85 до 130 м они конкурирует со сталежелезобетонными пролетными строениями. Экономически - оптимальное решение следует выбирать на стадии вариантного проектирования.
2. Ортотропная проезжая часть эффективна в малых пролетах разводных мостов, а также в некоторых специальных конструкциях и при наличии особых условий.
3. При изготовлении и монтаже секций стальных ортотропных плит следует руководствоваться требованиям главы СНиП III-В.5-62 «Металлические конструкции. Правила изготовления, монтажа и приемки».
4. Выбор защитноездового покрытия по стальному листу, детали его конструкции и технологии укладки должны быть в каждом конкретной случае согласованы с МАДИ и Ленинградским филиалом Союздорнии. Следует учитывать также рекомендации [3].
5. При соблюдении конструктивных предложений настоящих рекомендаций разрешается не производить расчеты выносливости стальных ортотропных плит впредь до уточнения основных принципов расчетов выносливости автодорожных мостов.
II. Конструирование
6. С точки зрения экономии стали предпочтительна одноярусная конструкция ортотропной плиты проезжей части, состоящая из покрывающего листа, ортогонально подкрепленного в одной уровне, продольными ребрами и поперечными балками (рис. 1, а).
Рис 1. Типы ортотропной проезжей части:
а - одноярусная; б - двухъярусная; 1 - покрывающий лист; 2 - продольное ребро; 3 - поперечная балка
7. Двухъярусное расположение продольных ребер и поперечных балок (рис. 1, б) менее выгодно (увеличивается расход металла) по сравнению с одноярусным, но более эффективно при изготовлении и монтажу конструкций.
8. Конструкцию плиты из сравнительно легких и жестких панелей (щитов), окаймленных уголками или другими элементами и опирающихся на пояса главных балок и узлы ферм поперечных связей, рекомендуется применять лишь в сборно-разборных мостах и при строительстве в труднодоступных районах.
9. Рекомендуемые расстояния между продольными ребрами ортотропной плиты проезжей части - 300÷350 мм; между поперечными балками - 1,8÷2,5 м (при продольных ребрах открытого профиля) и 2,5÷4 м (при продольных ребрах коробчатого, жесткого на кручение поперечного сечения).
10. Для эффективного использования автоматической сварки разрешается отступать от оптимальных расстояний между поперечными балками, если это экономически оправдано. При этом следует учитывать, что увеличение расстояния между поперечными балками вдвое, против оптимального, утяжеляет плиту примерно на 6%.
11. Минимальная толщина покрывающего листа назначается из условий трещиностойкости защитнозадавого покрытия по графику (рис. 2.)
Рис. 2. Зависимость толщины листа от расстояния между продольными ребрами.
12. Наилучшим профилем продольного ребра являются холодно-штампованные (гнутые) из тонкого листа (толщиной 5÷6 мм) коробчатые ребра, жесткие на кручение. Они могут быть трапецеидальными, U - образными и V - образными (рис. 3). наиболее употребительны трапецеидальные.
Рис. 3. Продольные ребра коробчатого поперечного сечения.
13. можно применять следующие виды ребер открытого поперечного сечения (расположены в порядке уменьшения степени эффективности): сварные тавры, неравнобокие уголки, простые полосовые ребра.
14. Продольные ребра в виде тавров, получаемых разрезкой прокатных двутавров, и из судовых профилей (например, бульбы) могут применяться при условии стыкования сварной с полным проваром.
15. Продольные ребра из целых прокатных двутавров и швеллеров запрещены п. 483 технических условий СН 200-62 м, кроме того, экономически нецелесообразны.
16. Поперечные балки проектируют открытого поперечного сечения (сварные тавры или двутавры). Их вертикальная жесткость значительно превышает жесткость продольных ребер. Высоту поперечной балки принимают равной 1/8 ÷ 1/12 ее пролета.
17. При членении ортотропной плиты проезжей части на отправочные марки и монтажные блоки следует учитывать, что размеры и вес отправочных марок должны соответствовать возможностям заводского оборудования, железнодорожным габаритам и грузоподъемности погрузо-разгрузочных кранов, а размеры монтажных секций - грузоподъемности монтажного оборудования и способу монтажа. Интересы заводского изготовления требуют возможного уменьшения количества типов отправочных марок. Стыки нужно размещать таким образом, чтобы обеспечить многократную повторяемость одинаковых сборочных процессов.
18. Заводские соединения в секциях стальных отротропных плит должны быть только сварными.
19. Монтажные стыки покрывающего листа (продольные и поперечные) выполняются преимущественно сварными встык с применением подкладных полос. механически обработанные кромки сопрягаемых листов должны строго в пределах допусков соответствовать друг к другу. Подгонка кромок по месту допускается только в порядке исключения.
20. При большой длине монтажных секций, если не удается выдержать допуски на геометрическое очертание кромок, в виде исключения листы могут иметь продольные стыки на высокопрочных болтах (с отверстиями увеличенного диаметра) или клепаные (с рассверловкой отверстия при монтаже).
21. В одноярусных конструкциях продольные ребра пропускаются без стыков сквозь вырезы, предусматриваемые в стенках поперечных балок, и привариваются к ним на заводе валиковыми швами (рис. 4). Стык продольных ребер (как правило монтажный) назначается в пролете между поперечными балкам, желательно вблизи нулевой точки-эпюры моментов, и выполняется обычно сварным.
22. Для сварных стыков продольных ребер в панели рекомендуются следующие решения:
а) стык стыковыми швами. Заводские поясные швы сварных продольных ребер в этом случае не доводят до стыкового сечения. их доваривают при монтаже после выполнения стыковых швов. Стык покрывающего листа предусматривается со вставкой, после стыкования продольных ребер;
б) стык на накладках, привариваемых валиковыми швами. Горизонтальный лист при этом стыкуется в том же сечении одним стыковым швом (без вставки).
Рис. 4. Пересечение продольных ребер со стенкой поперечной балки (выкужки обязательны):
1 - лист; 2 - продольное ребро; 3 - стенка поперечной балки; 4 - выкружки диаметром 25÷30 мм; 5 - валиковые швы
23. Простая приварка угловыми швами торцов продольных ребер к стенкам поперечных балок не допускается в связи с повышенной концентрацией напряжений.
24. В двухъярусных и щитовых конструкциях продольные ребра присоединяются к поясам поперечных и главных балок или ферм высокопрочными болтами.
25. Фланцевые продольные и поперечные стыки жестких щитовых секций выполняются на высокопрочных болтах. Обязательна шпаклевка зазоров между сопрягаемыми фланцевыми элементами.
26 Монтажные стыки поперечных балок и присоединения поперечных балок к ребрам жесткости или фасовкам главных балок или ферм целесообразны на высокопрочных болтах.
III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В ПЛИТЕ ОТ РАБОТЫ ЕЕ НА ИЗГИБЕ МЕЖДУ ГЛАВНЫМИ БАЛКАМИ
Рекомендуется несколько вариантов расчета, отличающихся методикой, трудоемкостью и точностью. Выбор варианта зависит от конкретных условий. Даже наиболее простой из них (построение поверхностей влияния с помощью графиков) имеет более высокую точность, чем приближенные плоскостные расчеты, которые практиковались до последнего времени нашими проектными организациями.
Метод отротропной плиты
27. Метод основан на сведении фактической системы к условной континуальной, упругие свойства которой в ортогональных направлениях различны
Дифференциальное уравнение изгиба континуальной плиты толщиной t имеет вид [6]
где Вх и Ву - жесткости при изгибе в ортогональных направлениях, причем
а и b - расстояния соответственно между продольными ребрами и поперечными балками;
Ix и Iy - моменты инерции соответственно продольного ребра и поперечной балки;
x - эмпирический коэффициент, изменяющийся от 0 до 1 (см. п. 29).
28. При назначении Ix и Iy ширина листа, работающего совместно с поперечной балкой, принимается равной 0,2 l, где l - пролет поперечной балки, а с продольным ребром - равной a.
29. При расчете стальных ортотропных плит с продольными ребрами открытого поперечного сечения x следует принимать равным 0,3, а с продольными ребрами коробчатого поперечного сечения (жестких на кручение) - 0,5. Увеличение х от 0,3 до 0,5 соответствует уменьшению изгибающего момента в середине пролета продольного ребра приблизительно на 10%.
30. На стадии проектного задания поверхности влияния изгибающих моментов mxm и mym в ортогональных направлениях континуальной плиты могут быть построены в зависимости от η/l и ξ/l по графикам рис. 5 и 6. Используя формулы преобразования координат, можно определить ординаты поверхностей влияния и для случаев, когда Вх ≠ В1у.
31. При данных Вх и B1у ≠ Вх преобразования выполняются по формулам:
ξ = ξ1;
Применяя эти координаты, по графикам устанавливают ординаты поверхностей влияния mxm и mym. Искомые ординаты определяют с учетом отношения Вх/В1у по формулам:
Рис. 5. Поверхности влияния изгибающего момента mxm в ортотропной плите, свободно опертой по двум сторонам:
Вх=Ву; μ=0; х=0,3
Рис. 6. Поверхности влияния изгибающего момента mуm в ортотропной плите, свободно опертой по двум сторонам:
Вх=Ву; μ=0; х=0,3
32. На стадии рабочего проектирования более точным расчет, ортотропной плиты может бить получен решением дифференциального уравнения изгиба в конечных разностях [1]. Шаг сетки выбирается так, чтобы соответствующие поперечные ряды её узлов совпадали с осями поперечных балок (это условие, необязательно, но оно упрощает и уточняет расчет). Система линейных уравнений имеет ленточную, симметричную относительно главной диагонали матрицу и решается на ЭЦВМ.
Метод ростверка (балочной клетки)
33. Метод расчета, разработанный Гомбергов [5], основан на решении ростверка, состоящего из продольных неразрезных балок (ребер), опирающихся на бесконечно большое количество упруго-податливых опор, которыми является поперечные балки с жесткими опорами.
34. Расчет дает приемлемую точность и рекомендуется как на стадии проектного задания, так и для рабочего проектирования. Учитывается жесткость на кручение продольных ребер. Построение поверхностей влияния искомых величин (прогибов, нагибающих и крутящих моментов, поперечных сил и др.) производится по формулам и таблицам [5]. Применения ЭЦВМ не требуется.
35. При расчленении плиты на балочную клетку ширина листа, совместно работающего с продольными ребрами и поперечными балками, принимается равной соответственно расстояний между продольными ребрами и поперечными балкам.
36. В продольном направлении вполне достаточно рассматривать пять пролетов продольных ребер, т.е. ростверк с четырьмя промежуточными поперечными балками. Количество продольных ребер может быть любым.
37. При необходимости учета крутильной жесткости продольных ребер (ортотропная плита с продольными ребрами коробчатого поперечного сеченая) формула для построения необходимых поверхностей влияния, а также ссылки на соответствующие таблицы даны в ч. 4, гл. В, стр. 56 [5].
38. Если нет необходимости учета крутильной жесткости продольных ребер (ортотропная плита с продольными ребрами открытого профиля), то построение необходимых поверхностей влияния удобнее проводить по формулам и таблицам [5 - ч. 4, гл. В, стр. 58], в которых рассматривается расчет ростверка с бесконечно большим количеством поставленных близко друг к другу поперечных балок. Для нашего случая эти поперечные балки, конечно, надо рассматривать как продольные ребра (и наоборот).
39. Для пользования таблицами Гомберга в качестве исходных данных необходимо знать жесткость ростверка:
при изгибе
при кручении
где l - рассматриваемая при расчете длина ортотропной плиты в продольном направлении;
а - расстояние между продольными ребрами;
I - момент инерции продольного ребра при изгибе;
IТ - крутильный момент инерции продольного ребра;
IQ - момент инерции поперечной балки при изгибе;
I и Iт в пределах длины l должны быть постоянны.
Метод строгого пространственного расчёта
40. Пространственный расчет ортотропных плит проезжей части, наиболее сложный, но вместе с тем точный и универсальный, рекомендуется выполнять по программе МП-3 для ЭЦВМ БЭСМ-2М [4]. При этом учитывается жесткость на кручение продольных ребер. Плита членится на элементы, следующие при деформациях законам теории упругости для тонких пластин и не подчиняющиеся гипотезе плоских сечений.
41. Поперечные балки и покрывающий лист плиты рассматриваются как шарнирно опертые на главные балки. Моменты защемления, имеющиеся в действительности в этих шарнирах, принимаются за внешнюю нагрузку и берутся из общего расчета пролетного строения.
42. Описание программы МП-3, правила пользования ею и примеры расчета приведены в работе [4].
IV определение; усилий в плите От совместной РАБОТЫ ЕЕ С ГЛАВНЫМИ БАЛКАМИ
43. Усилия и напряжения в покрывающем листе ортотропной плиты в продольных ребрах от совместной работы с главными балками или фермами можно определить, если включить их в состав соответствующих поясов главных балок или ферм. Неравномерность распределения усилий и напряжений по ширине плиты в отступление от гипотезы плоских сечений обязательно должна учитываться у промежуточных опор неразрезных и консольных сплошных главных балок и у узлов сквозных главных ферм. Эта неравномерность может быть получена при общем пространственном расчете пролетного строения по программе МП-3 для БЭСМ-2М [4].
V. ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ
44. Из расчетов в упругой стадии необходимо получить напряжения δх.м и δx.с - в горизонтальном листе и в продольных ребрах: δу.м и δу.с - в горизонтальной листе и в поперечных балках: τху.м - в горизонтальном листе. Здесь и далее индексом М обозначены напряжения ое местного изгиба ортотропной плиты между главными и поперечными балками, а индексом - с напряжения от совместной работы плиты с главными балками или фермами, а также с поперечными балками.
45. Предельное состояние по прочности для стальных ортотропных плит проезжей части при обеспечении гарантий от хрупкого разрушения является предельным состоянием по развитию пластических деформаций, чрезмерная величина которых вызывает расстройства, трещины и иные повреждения в защитноездовом покрытии, а также недопустимо увеличивает динамику пропускаемого транспорта и ухудшает его управляемость.
46. За предельную остаточную деформацию ΔОСТ принимается остаточный прогиб продольных ребер, равный 1/3000 расстояния между поперечными балками.
47. Места стальной ортотропной плиты в сечениях неразрезного пролетного строения над промежуточной опорой и серединой центрального пролета, требующие обязательного вычисления напряжений для проверки прочности, показаны на рис. 7. Нужно проверять прочность во всех характерных сечениях (включая сечения изменения размеров элементов), определяемых по эпюрам напряжений и материалов.
48. Прочность растянутой нижней фибры продольного ребра (в точках А) следует проверять по формулам:
при δх.м>δх.с δх.с+0,50х·δх.м≤Ru;
при δх.м<δх.с δх.с+0,50х·δх.м≤Ro;
где 0,50 - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций в предельном состоянии;
х - поправочный коэффициент, учитывающий влияние сварочных собственных напряжений в нижней фибре на развитие пластических деформаций.
При преобладании в нижней фибре продольных ребер сжимающих сварочных напряжений (гнутые ребра, прокатные уголки, простые полосовые ребра) следует принимать х равным 0,9, а при преобладании растягивающих напряжений (сварные тавры) - 1,1.
Ширина листа, работающего совместно с продольным ребром, принимается равной расстоянию между продольными ребрами.
Рис. 7. опасные места (точки А, Б, В) ортотропной плиты проезжей части неразрезного пролётного строения.
49. В нижних фабрах у середин пролетов поперечных балок (в точках б) предельное состояние по прочности наступает в результате незначительного развитая пластических деформаций (Ru = 1,05 R0, где 1,05 - коэффициент, учитывающий возможность некоторого развитая пластических деформаций нагиба в предельном состоянии). Прочность необходимо проверять по формуле
δу.м + δу.с ≤Ru
Ширина листа, работавшего совместно c поперечной балкой, принимается при проверке прочности равной 0,2 пролета поперечной балки.
50. Формула проверки прочности горизонтального ласта (точка А, б, В в зонах как растягивающих, так и сжимающих продольных усилий от совместной работы с главными балками) имеет вид
где
δх = δх.с + m·δх.м;
δу = δу.с + m·δу.м;
τху = τху + τху.м.
1,10 - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций в предельном состоянии;
ξ - коэффициент загрузки; равен 1,0, если все напряжения определены при одном положении временной нагрузки, не выгодном для наибольшего напряжения или напряжения, наиболее чувствительного к смещению нагрузки, и равен 0,95, если напряжения определены условно, при различных положениях временной нагрузки, не выгодных для каждого напряжения;
- коэффициент, отражающий особенности работы листа в предельном состоянии (мембранный эффект). При проверке прочности в точке А следует принимать m равным 0,8, а в точках Б и В - 1,1, если в нижних фибрах продольных ребер материал полностью использован на рекомендуемую величину развития пластических деформаций.
Если материал нижней фабры продольных ребер использован не полностью, величина m определяется линейной интерполяцией, а при:
δх.с + δх.м = R0 принимается равным 1,0.
Кроме того, необходимо соблюдение условий:
δх ≤ 1,10 R0
δy ≤ 1,10 R0
51. Проверять прочность листа, работающего на местную нагрузку между двумя соседними продольными ребрами, не требуется. Минимальная толщина листа принимается по п. 11 (см. рис. 2).
ЛИТЕРАТУРА
1. Скрябина Т.А. Исследование простейших ортотропных плит и методов их расчета. Сб. трудов мИИТа № 227. М., изд-во "Транспорт", 1966.
2. Скрябина Т.А. Расчет неразрезных ортотропных плит на неподатливых и упругих опорах. Там же.
3. Технические рекомендации по строительству дорожных покрытии на металлических настилах мостов в условиях Северо-Западной части СССР. Изд. ленинградского финала Союздорнии. Л., 1965.
4. Удицкий Б.Е., Потапкин А.А. и др, Пространственные расчеты мостов. М., Изд-во "Транспорт", 1967.
5. Drehsteife Kreuzwerke, Homberg (Trenks. Springer - Verlag. Berlin-Gottingen -
6. Theorie und Berechund der Stahlbrucken. Hawranek -
Stein-hardt. Springer - Vertag.