Определение грузоподъемности продольной балки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ПРОПУСКА ПОЕЗДНОЙ НАГРУЗКИ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПРОЛЁТНЫМ СТРОЕНИЯМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине: «Содержание, реконструкция мостов и тоннелей»

Самара

1

УДК 624.21.059(075.8)

 методические указания к выполнениюкурсовой работы по дисциплине «Содержание, реконструкция мостов и тоннелей»

Приведены методические указания по выполнению курсовой работы для студентов по рассматриваемой дисциплине.

В методических указаниях излагаются основные положения определения грузо-подъемности элементов металлических пролетных строений железнодорожных мостов, находящихся в эксплуатации, и расчет условий пропуска по ним поездных нагрузок.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2018

2

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Происходящие изменения в условиях эксплуатации мостов, связанные, главным образом, с увеличением веса поездов, скорости их движения и грузонапряженности ли-ний, обусловливают необходимость объективной оценки возможности и условий безо-пасного пропуска по мостам поездных нагрузок, существенно отличающихся по схемам и величинам от тех, которые в свое время учитывались при проектировании искусствен-ных сооружений. Решать эти задачи прямым путем (расчет на заданную нагрузку) анало-гично тому, как это делается при проектировании мостов, неудобно. Введение в эксплуа-тацию нового подвижного состава, изменение скоростей движения поездов привело бы к необходимости неоднократного повторения таких расчетов. На Российских железных дорогах для наиболее распространенных балочных разрезных пролетных строений экс-плуатируемых мостов применяется система их классификации по грузоподъемности, а железнодорожного подвижного состава – по воздействию на мосты.

Для закрепления теоретических знаний и приобретения практических инженерных навыков студенты выполняют самостоятельную работу по оценке грузоподъемности ба-лочных сплошностенчатых и сквозных пролетных строений.

Работа содержит два задания:

1) определение условий пропуска нагрузки по продольным балкам проезжей части пролетного строения;

2) определение условий пропуска нагрузки по элементам главной фермы пролетно-го строения.

Работа имеет 99 вариантов, исходные данные для выполнения работы приведены в заданиях № 1 и № 2.

Курсовая работа оформляется на листах белой бумаги формата А4. Схемы выполняются при помощи CAD систем AutoCAD или Компас на листах А3 , листы текста и схемы сшиваются в одну тетрадь и нумеруются.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

                    В соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации все мосты классифицируются по грузоподъемности с целью определения условий пропуска по ним различных поездных нагрузок, включая тяжелые транспортеры, а также для решения вопросов об усилении, ремонте или замене сооружений.

       Основная идея метода классификации – независимое определение классов пролетного строения моста по грузоподъемности и классов различных поездных нагрузок. Класс рассматриваемого пролетного строения моста по грузоподъемности определяет возможность пропуска по нему любых проклассифицированных нагрузок. Класс рассматриваемой нагрузки определяет возможность прохода этой нагрузки по любым проклассифицированным мостам.

Классификация по грузоподъемности металлических и сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, подвижного состава и определение условий эксплуатации мостов осуществляются на основании настоящего Руководства и Руководства по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам [1].

Руководство разработано применительно к балочным разрезным металлическим и сталежелезобетонным пролетным строениям мостов под железную дорогу нормальной колеи, но может быть использовано и при определении грузоподъемности металлических пролетных строений других систем, а также под узкую колею.

               При определении грузоподъемности пролетных строений и условий их эксплуатации нужно учитывать:

- конструкцию пролетных строений и отдельных их элементов; - вид и механические характеристики материалов, из которых изготовлены пролетные строения;

- физическое состояние пролетных строений, т.е. наличие в них

повреждений, появившихся в процессе эксплуатации, атмосферных воздействий и других причин, а также конструктивных дефектов;

- качество заводского изготовления и монтажа пролетных строений, а также их усиления или ремонта;

- поведение пролетных строений под нагрузкой; - габаритность пролетных строений;

- расположение моста (на перегоне или в пределах станции), профиль и план подходов;

- результаты испытаний пролетных строений (если они проводились).

               Каждый элемент (стык, прикрепление) пролетного строения рассчитывается по предельным состояниям первой группы – на прочность, а в необходимых случаях на устойчивость формы и выносливость, с учетом

соответствующей расчетной схемы его работы и геометрических характеристик рассматриваемого (опасного) сечения. В результате расчета определяется не величина максимальных напряжений в элементе конструкции, а его грузоподъемность, т.е. величина максимальной временной нагрузки, которая не вызывает наступления предельного состояния в элементе при нормальной эксплуатации моста. Интенсивность этой подвижной равномерно распределенной (погонной) нагрузки называется допускаемой временной нагрузкой. Для учета специфики нагружения элемента подвижной нагрузкой используются линии влияния, отражающие изменение силового фактора в рассматриваемом сечении при изменении положения нагрузки.

Допускаемую временную нагрузку k по данному виду расчета выражают в единицах эталонной нагрузки k_с с учетом соответствующего динамического коэффициента (1+ m). Число единиц эталонной нагрузки является классом

элемента пролетного строения K (по данному виду расчета):

Значения k и k_с определяются для одной и той же линии влияния (по ее длине и положению вершины). В качестве эталонной нагрузки k_с принимается временная вертикальная нагрузка по схеме С1 (приложение 2).

Минимальный класс элементов и прикреплений проезжей части и минимальный класс элементов и прикреплений главных ферм (балок), полученный из расчетов по прочности или устойчивости, принимается за классы пролетного строения по грузоподъемности. Эти классы рассматривают

и оценивают совместно с соответствующими им линиями влияния [2].

               Подвижной состав (локомотивы, вагоны, транспортеры, краны и другие специальные нагрузки) классифицируется по воздействию на пролетные

строения мостов с выражением эквивалентной нагрузки от подвижного состава в единицах той же эталонной нагрузки k_с, число единиц которой – класс подвижного состава K₀.

 Сравнение классов подвижного состава с классами элементов пролетных строений позволяет судить о возможности и условиях пропуска его по мостам. Для этого следует использовать упомянутое выше Руководство по про Класс нагрузки Ко выражен в единицах эталонной нагрузки С1 и равен отношению эквивалентной нагрузки от классифицируемого подвижного со-става с динамическим коэффициентом этой нагрузки к эталонной нагрузке с ее динамическим коэффициентом:

где k₀ — эквивалентная нагрузка от классифицируемого подвижного со-

става, тс/м пути (см. раздел 6 и приложение Б); kс — эталонная нагрузка С1,

тс/м пути; (1 + µ_о) -динамический коэффициент для классифицируемого по-движного состава); (I + µ) -динамический коэффициент для эталонной нагруз-ки С1 (см. приложение В).

Значения k₀ и kс принимают для одной и той же линии влияния.

Динамический коэффициент для классифицируемого подвижного состава принимается:

- для поездов с электрической и тепловозной тягой, а также для вагон-ной нагрузки, транспортеров и железнодорожных кранов в транспортном по-ложении для стальных и сталежелезобетонных пролетных строений и элемен-тов стальных опор:

пуску подвижного состава по железнодорожным мостам.

Класс нагрузки Ко выражен в единицах эталонной нагрузки С1 и равен отношению эквивалентной нагрузки от классифицируемого подвижного со-става с динамическим коэффициентом этой нагрузки к эталонной нагрузке с ее динамическим коэффициентом:

где k₀ — эквивалентная нагрузка от классифицируемого подвижного со-

става, тс/м пути; kс — эталонная нагрузка С1,

тс/м пути; (1 + µ_о) -динамический коэффициент для классифицируемого по-движного состава); (I + µ) -динамический коэффициент для эталонной нагруз-ки С1.

Значения k₀ и kс принимают для одной и той же линии влияния.

 Динамический коэффициент для классифицируемого подвижного состава принимается:

- для поездов с электрической и тепловозной тягой, а также для вагон-ной нагрузки, транспортеров и железнодорожных кранов в транспортном по-ложении для стальных и сталежелезобетонных пролетных строений и элемен-тов стальных опор:

 Условия пропуска поездных нагрузок по мостам устанавливают срав-нением классов элементов пролетных строений с классами пропускаемого подвижного состава.  

     Классы пролетных строений сравнивают с классами нагрузок для одних и тех же длин загружения λ и положений вершин линий влияния α по всем элементам главных ферм (для сквозных пролетных строений — отдельно по поясам, раскосам, подвескам, стойкам, стыкам и прикреплениям, для сплошностенчатых металлических балок — по характерным сечениям), а также по всем элементам проезжей части (продольным и поперечным балкам, их прикреплениям, консолям железобетонных пролетных строений).

При решении вопроса о пропуске транспортеров, консольных кранов и других эпизодических нагрузок их классы следует сравнивать с классами пролетных строений только по прочности и устойчивости, а для постоянно об-ращающихся нагрузок - по прочности, устойчивости и выносливости.

 Возможность пропуска по мостам груженых транспортеров, являю-щихся наиболее тяжелой подвижной нагрузкой, необходимо проверять как при установленной на линии, так и при ограниченной скорости движения.

 В случае, если минимальный класс элементов пролетных строений больше максимального класса рассматриваемой подвижной нагрузки, т. е. К> Ко,   указанную поездную нагрузку можно беспрепятственно пропустить по мосту. В противном случае необходимо проверить возможность пропуска этой нагрузки с ограничением скорости. Для этого следует определить класс нагрузки без учета динамики Кн-д путем деления класса нагрузки с динамикой Ко, соответствующего длине загружения λ и положению вершины линии влияния α слабого элемента пролетного строения, на динамический ко-эффициент (1 + µ_о) для тех же значений λ и α той же длины загружения линии влияния и положения вершины линии влияния. Значения динамических коэф-фициентов (1 + µ_о) для металлических пролетных строений можно принимать по верхним кривым, показанным на рисунке 1.

Для металлических пролетных строений классы транспортеров приведе-ны как с динамикой, так и без нее. Если класс поездной нагрузки без динамики больше класса элемента пролетного строения, т. е. Кн-д> К, пропуск ее по мо-сту невозможен.

При К_Н-Д<К возможность и допустимую скорость пропуска поездной нагрузки по пролетным строениям устанавливают по графикам, представлен-ным на рисунке 1, в зависимости от отношения класса элемента к классу нагрузки без динамики (К/К_Н-Д) и длины загружения линии влияния λ. Для

этого на график, соответствующий рассматриваемой поездной нагрузке, нано-сят точку, отвечающую вычисленному значению К/К_Н-Д и данной длине загру-жения λ. За допустимую скорость при пропуске поездной нагрузки по мосту в этом случае принимают скорость, указанную на ближайшей нижней кривой графика 1 [3].

26

Рисунок 1. График для определения скорости движения поездов с элек-трической и тепловозной тягой при недостаточной грузоподъемности металли-

ческих пролетных строений

Грузоподъемность элементов металлических пролетных строений определяется с учетом постоянных нагрузок (вес пролетных строений, мостового полотна, коммуникаций и др), центробежной силы при расположении мостов на кривых участках пути, ветровой нагрузки и торможения (силы тяги). Горизонтальные удары подвижного состава, создающие относительно небольшие усилия в элементах, не учитываются.

Горизонтальная поперечная нагрузка от давления ветра и продольная нагрузка от торможения (или силы тяги) учитываются только при расчетах на прочность и устойчивость поясов (торможение учитывается для грузовых поясов) и портальных рам сквозных главных ферм, а также опорных частей. В расчетах на выносливость горизонтальные нагрузки от торможения и давления ветра не учитываются.

При расчетах на прочность и устойчивость все нагрузки принимаются с соответствующими коэффициентами надежности. При учете тормозной и ветровой нагрузок ко всем нагрузкам, кроме постоянных, вводятся также коэффициенты сочетания нагрузок.

При расчетах на выносливость коэффициенты надежности для нагрузок не учитываются.

 Грузоподъемность элементов металлических пролетных строений методом классификации рассчитывается на основе исходного уравнения предельного состояния:

где  – усилие в элементе от временной нагрузки, включая вертикальное воздействие , торможение  и центробежную силу :

или

здесь                               ;

– коэффициент, учитывающий влияние торможения;

– то же центробежной силы;

– усилие от постоянных нагрузок;

– усилие от ветровой нагрузки;

mRG –несущая способность элемента при расчетах на прочность;прирасчетах на устойчивость и выносливость несущая способность элемента принимается соответственно: mϕRG и mγ_BRG;

k –допускаемая временная нагрузка;

p_i –интенсивность каждой из постоянных нагрузок;

R –расчетное сопротивление металла;j-коэффициент продольногоизгиба;

γ_B–коэффициент понижения расчетного сопротивления при расчетахна выносливость;

G –геометрическая характеристика поперечного сечения элемента(площадь, момент сопротивления и др.);

m –коэффициент условий работы;

S_V –нормативное усилие от ветровой нагрузки;

, – доля вертикальной нагрузки от подвижного состава или постоянной нагрузки, приходящаяся на одну ферму (балку);

n_pi , n_k , n_V –коэффициенты надежности к постоянным нагрузкам и

нагрузкам от подвижного состава и ветра;

η_k , η_V – коэффициенты сочетания к нагрузкам от подвижного состава и ветра;

W_p , W_k – площади линий влияния усилий, загружаемые соответственно

постоянными нагрузками и нагрузками от подвижного состава.

Допускаемая временная вертикальная нагрузка k в общем случае учета совместного воздействия на рассчитываемый элемент вертикальных и горизонтальных нагрузок, определяемая из уравнения предельного состояния [2], равна при расчетах на:

прочность

_;            (5)

устойчивость

_;        (6)

выносливость

_.                               (7)

На основании этих общих формул  в методических указаниях приведены частные формулы, учитывающие конкретные условия расчета.  

Грузоподъемность элементов металлических пролетных строений определяется с учетом постоянных нагрузок (вес пролетных строений, мостового полотна, коммуника-ций и др.), центробежной силы при расположении мостов на кривых участках пути, вет-ровой нагрузки и торможения (силы тяги). Горизонтальные удары подвижного состава, создающие относительно небольшие усилия в элементах, не учитываются.

Горизонтальная поперечная нагрузка от давления ветра и продольная нагрузка от торможения (или сила тяги) учитываются только при расчетах на прочность и устойчи-вость поясов (торможение учитывается для грузовых поясов) и портальных рам сквозных

главных ферм, а также опорных частей. В расчетах на выносливость горизонтальные на-грузки от торможения и давления ветра не учитываются.

При расчетах на прочность и устойчивость все нагрузки учитываются с соответ-

ствующими коэффициентами надежности. При учете тормозной и ветровой нагрузок ко всем нагрузкам, кроме постоянных, вводятся также коэффициенты сочетания нагрузок.

При расчетах на выносливость коэффициенты надежности для нагрузок не учиты-ваются.

Элементы, ослабленные отверстиями под заклепки, нужно рассчитывать на проч-ность и выносливость по сечениям нетто, а на устойчивость – по сечениям брутто.

ЗАДАНИЕ № 1

В этом задании необходимо выполнить следующее:

– определить грузоподъемность (классы) продольной балки пролетного строения методом классификации;

– классифицировать нагрузку от подвижного состава;

– определить условия пропуска нагрузки по продольной балке.

Исходные данные для задания приведены в ниже.

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ДЛЯ ЗАДАНИЯ №1

Примечание: м.б. – мостовые брусья; жбп – железобетонные безбалластные плиты.

СЕЧЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ БАЛКИ

Определение грузоподъемности продольной балки

Грузоподъемность балок проезжей части (продольных и поперечных) определяется по результатам следующих расчетов:

– на прочность по нормальным напряжениям;

– на прочность по касательным напряжениям;

– на прочность поясных заклепок (или поясных сварных швов).

Кроме перечисленных расчетов в задание на самостоятельную работу не включе-ны, но в реальных условиях выполняются расчеты:

– на общую устойчивость балки;

– на местную устойчивость стенки балки;

– на выносливость по нормальным напряжениям;

– на прочность прикрепления продольных балок к поперечным и поперечных ба-лок к главным фермам.