ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського
національного університету залізничного транспорту, 2021, № 1 (91)

Вступ

Підвищення вантажопідйомності моста та подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових споруд залізничних мостів, з урахуванням виявлених пошкоджень, можливі за умови усунення наявних дефектів утомного характеру, модернізації вузлів спирання поздовжніх балок мостового полотна на поперечні. Поверхове сполучення балок проїзної частини найбільш просте за конструкцією (рис. 1). Його застосовували у випадках, коли будівельна висота проїзної частини дозволяла встановити поздовжні балки на поперечні [1, 3].

Поперечні зв’язки поставлені тільки над опорами, тобто над поперечними балками. Ярусне розташування балок дозволило спростити їх поєднання. У місцях спирання поздовжні балки прикріплені до поперечних болтами, причому отвори для болтів у поясах поздовжніх балок зроблені овальними, щоб створити можливість зрушення поздовжніх балок й усунути вигин поперечних балок у горизонтальній площині в разі деформації поясів. Тільки щодо середньої поперечної балки поздовжні балки жорстко прикріплені до розширених вузлових фасонок поздовжніх зв’язків і передають їм гальмівні сили. Завдяки поверховому розта-шуванню в поздовжніх балках скоротилося число монтажних стиків, які призначені через кожні дві панелі [1].

Рис. 1. Конструкція проїзної частини
поверхового сполучення

Fig. 1. Track-way structure of the staged connection

Але внаслідок конструктивних недоліків такої споруди виникають численні дефекти:

– ослаблення та розрив вертикальних заклепок або болтів прикріплення поздовжніх балок до поперечних;

– нещільність спирання поздовжніх балок на поперечні;

– поздовжні тріщини в нижніх поясних кутиках поздовжніх балок уздовж обушків кутиків на їх кінцевих відрізках;

– тріщини уздовж обушків верхніх поясних кутиків поперечних балок у місцях спирання поздовжніх балок;

– виколи горизонтальних поличок верхніх поясних кутиків поперечних балок у зоні спирання поздовжніх балок.

Усе це свідчить про те, що конструкція сполучення балок проїзної частини з поверховим розташуванням поздовжніх і поперечних балок, застосована на мосту, є невдалою й вимагає підвищення надійності конструкцій прикріплення.

Мета

Проблема в конструктивному вирішенні поверхового з’єднання балок проїзної частини, яка існує сьогодні, полягає в необхідності підвищення надійності конструкції вузла прикріплення поздовжніх балок до поперечних, тобто його підсиленні. Для цього необхідно дослідити деформаційно-напружений стан вузла сполучення поздовжніх балок із поперечними до та після підсилення. У цій роботі для визначення раціональних параметрів конструкцій підсилення вузла балочної клітки поверхового сполучення виконано чисельне дослідження напружено-деформованного стану цього вузла. Метою досліджень було запропонувати конструкцію підсилення вузла, щоб позбутися руйнівних напружень у деталях поздовжніх і поперечних балок проїзної частини. Особливу увагу під час досліджень напружень було звернуто на визначення раціональних параметрів конструкції підсилення за мінімальних затрат, оскільки саме вартість ремонту має суттєве значення в сучасних умовах.

Методика

Неодноразово були пропоновані проєкти підсилення та ремонту поверхової конструкції балок проїзної частини [4]. Основні принципи й конструктивні рішення підсилення прогонових споруд мостів із поверховим розташуванням балок проїзної частини базуються на ідеї забезпечення максимального наближення роботи проїзної частини з поверховим сполученням балок до роботи проїзної частини поздовжніх і поперечних балок за розташування їх в одному рівні. Конструктивно це досягається тим, що під кожною поздовжньою балкою влаштовують додатковий пояс із чотирьох кутиків 125×80×10, що об’єднані між собою та встановлені в рівні нижнього пояса поперечних балок цієї панелі й з’єднують додатковий пояс та поздовжню балку з вертикальними стінками поперечних балок. При цьому об’єднання поздовжніх балок і додаткових поясів підвищує вдвічі висоту поздовжніх балок біля поперечних, відповідно знижуючи розрахункові зусилля в поясах поздовжніх балок над поперечними, збільшує довжину спирання поздовжніх балок і зону передачі від них зусиль на поперечну балку та знижує зусилля в поясах поздовжніх балок у середині панелей. Указане підсилення балок проїзної частини доповнене встановленням горизонтальних жорстких діафрагм, які з’єднують верхні пояси головних ферм із поздовжніми балками для включення останніх у сумісну роботу з поясами ферм від поїзного навантаження. Діафрагми горизонтальні зменшують горизонтальні згинальні моменти в поперечних балках і поліпшують умови роботи поперечних балок.

На основі вивчення технічної документації за типовими проєктами, аналізу результатів попередніх обстежень цих прогонових споруд ПСК з поверховим сполученням балок проїзної частини, аналізу характеру та динаміки розвитку тріщин установлено таке:

– основною причиною появи тріщин і виколів у нижніх поясних кутиках поздовжніх балок у місцях їх спирання на поперечні, тріщин і виколів горизонтальних поличок верхніх поясних кутиків поперечних балок і розладнань вузлів спирання є недоліки прийнятого в проєктах ПСК конструктивного рішення поверхового сполучення балок, яке призвело до місцевих перенапружень у металі;

– несприятливий вплив на напружений стан металу в місцях появи тріщин мають деформації балок, які виникають у разі сумісної роботи балок проїзної частини з верхніми поясами головних ферм під час завантаження всієї прогонової споруди рухомим складом; при цьому верхні пояси ферм скорочуються, поперечні балки згинаються в горизонтальному напрямку й закручуються, а в місці сполучення поздовжніх і поперечних балок виникають додатковий кут взаємного повороту, деформації кінцевих відрізків поясних кутиків поздовжніх балок та деформації верхніх поясних кутиків поперечних балок у місцях спирання на них поздовжніх балок;

– у зв’язку з відсутністю діагоналей поперечних в’язей між поздовжніми балками (у тому числі і в перерізах над поперечними балками) в разі дії горизонтальних поперечних навантажень від рухомого складу можлива деяка деформація контура поперечних в’язей і додаткові напруження в поясних кутиках поздовжніх балок на їх кінцевих відрізках та в кутиках поперечних балок;

– за наявності нещільності спирання поздовжніх балок на поперечні збільшуються динамічні навантаження на балки та з’являються осередки корозії, виплески та вироблення металу в місцях спирання;

– на відміну від з’єднання балок проїзної частини в одному рівні, за поверхового спирання поздовжніх балок на поперечні елементи прикріплення (заклепки або болти) та полички поясних кутиків балок виявились неспроможними сприймати вертикальні моменти, які виникають у разі лінійних та кутових деформацій балок.

З аналізу результатів обстежень металевих прогонових споруд мостів із поверховим розташуванням балок проїзної частини [4÷7] випливає, що в переважній більшості випадків клас прогонової споруди зазвичай визначає клас балок проїзної частини як найбільш дефектних елементів усієї прогонової споруди
(табл. 1).

Одноманітна дефектність визначається як особливостями конструкції металевих прогонових споруд із поверховою проїзною частиною, так і тим фактом, що несприятливий вплив на напружений стан металу в місцях появи тріщин мають деформації балок, які виникають за сумісної роботи балок проїзної частини з верхніми поясами головних ферм.

Основними пріоритетними заходами з підвищення вантажопідйомності та подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових споруд залізничних мостів, з урахуванням виявлених пошкоджень, визначено проведення ремонтних робіт, спрямованих на усунення наявних дефектів утомного характеру, модернізацію вузлів мостового полотна прогонових споруд та відновлення експлуатаційного ресурсу.

Таблиця 1

Результати класифікацій балок проїзної частини та елементів ферм металевих прогонових споруд мостів із поверховим розташуванням балок

Table 1

Classifications results of track-way stringers and truss elements of metal spans of bridges with a staged location of stringers

№ з/п	Розташування моста	Довжина прогону, м	Клас балок, К	Клас елементів ферм, Кmin
1	Через річку Мокра Московка на 186-му км лінії Кривий Ріг – Волноваха	44	3,9	7,84
2	Через річку Південний Буг на 49-му км лінії Вапнярка – Христинівка	55	4,77	6,38
3	Через річку Прут на 1662-му км лінії Курчуган – Унгени	70,63	4,92	6,53
4	Через річку Мала Вись на 995-му км лінії Шевченко – Помічна	44	4,6	8,2
5	Через річку Інгулець на 109-му км лінії Долинська – Верхівцеве – Ясинувата	55	4,8	6,5

Результати

Як було зазначено раніше, головною проблемою залізничних прогонових споруд із поверховою проїзною частиною є крутний момент, що виникає в поперечній балці та через 4 болти прикріплення поперечної балки до поздовжньої передається на неї. Напруження в горизонтальних полицях кутиків досягають 230–330 МПа [14], що значно перевищує розрахункові значення опору металу.

Коли балки знаходяться в одному рівні (паралельне розміщення балок), ця проблема не виникає, оскільки відсутній ексцентриситет по висоті між поздовжніми та поперечними балками [10–12].

Найпростішим способом усунення цієї проблеми могло б стати вилучення поздовжніх балок із сумісної роботи з поясами ферм [4]. Цього можна досягнути від’єднанням поздовжніх балок від поперечних, але при цьому невирішеною залишиться проблема гальмівних зусиль, геометричної незмінності всієї конструкції. Також за реалізації цього методу суттєво збільшилась будівельна висота прогонової споруди, тому цей напрям був визначений як такий, що важко реалізується в цій конструкції.

Наступним методом, що може перешкодити викручуванню поперечних балок, є об’єднання їх у районі нижнього пояса спеціальними в’язями, як запропоновано проєктним інститутом «Гипротранспуть» [4]. Основна ідея – максимально забезпечити наближення роботи проїзної частини з поверховим сполученням балок до роботи проїзної частини поздовжніх і поперечних балок за розташування їх в одному рівні. При цьому об’єднання поздовжніх балок і додаткових поясів підвищує вдвічі висоту поздовжніх балок біля поперечних, відповідно знижуючи розрахункові зусилля в поясах поздовжніх балок над поперечними, збільшує довжину спирання поздовжніх балок і зону передачі від них зусиль на поперечну балку та знижує зусилля в поясах поздовжніх балок в середині панелей. Зусилля, що виникатимуть у в’язях, будуть утримувати поперечні балки від викручування, а болти прикріплення будуть працювати лише на зсувні зусилля. Але такий спосіб надто затратний за вартістю та трудомісткістю.

Іншим напрямом усунення проблеми є підсилення самого вузла спирання поздовжньої балки на поперечну. Для вирішення проблем конструктивного рішення поверхового спирання балок пропонуємо встановлення консольних листів, розташованих уздовж поздовжньої балки та прикріплених до стінки поперечної балки й посилених сталевими кутиками (рис. 2).

Таку конструкцію направлено на підсилення вузла спирання поздовжньої балки на поперечну, зменшення небажаних деформацій, усунення появи дефектів вузла та зменшення матеріальних затрат і витрат часу під час ремонтних робіт.

Для забезпечення надійної та ефективної роботи запропонованого вузла необхідно відшукати найвигідніші параметри для кожного збірного елемента конструкції вузла окремо та за сумісної роботи всіх елементів разом.

Рис. 2. Вузол спирання поздовжньої балки
на поперечну:
1 – поперечна балка, 2 – поздовжня балка,
3 – консольні опорні листи, 4 – кутики підсилення,
5 – кутики кріплення листів до пояса поздовжньої балки,
6 – кутики кріплення листів до стінки поперечної балки

Fig. 2. Support node of the stringer on the floor beam:
1 – floor beam, 2 – stringer,
3 – cantilever support plates, 4 – strengthening angles,
5 – plates attach angles to the flange of the stringer,
6 – plates attach angles to the wall of the floor beam

Головний критерій підбору параметрів вузла – це зменшення небажаних концентрацій напружень у балках проїзної частини зі встановленими додатковими консольними листами й посиленими сталевими кутиками, описаними раніше, за найменших матеріальних затрат.

Параметри елементів, що підлягали дослідженню, це:

– величина консолі;

– товщина консольного опорного (фасонного) листа;

– розмір кутиків підсилення (величина та товщина стінки);

– величина деформації (прогину) характерної точки, що впливає на кут повороту опорного перерізу поздовжньої балки, та її залежність від підібраних елементів підсилення.

Для визначення величини консолі була побудована просторова консольна розрахункова схема зі стрижневих та плоских кінцевих елементів [11]. За розрахункову модель поздовжньої балки будо взято просторову модель із кінцевих елементів у вигляді пластин, що моделюють балки цієї прогонової споруди. Розрахунки проведено за допомогою методу скінченних елементів у програмному комплексі Selena 4.1.1 (ліцензійний ключ 1802619725) [9].

Розміри всіх пластин (верхня та нижня полиця, стінка балки) змодельовано чітко відповідно до реальної конструкції. Кутики підсилення консолі взято як стрижень. За розрахункове було взято статичне рівномірно розподілене навантаження, величина якого становить 50 кН/м. Отриману просторову модель показано на рис. 3.

Рис. 3. Просторова модель для визначення
величини консолі

Fig. 3. Spatial model for determining
the cantilever size

Параметр величини консолі було підібрано за максимальними величинами напружень у нижньому поясі поздовжньої балки та верхньому поясі поперечної балки. Отримані напруження подано в табл. 2.

Таблиця 2

Отримані напруження в поздовжніх та поперечних балках за різної величини консолі

Table 2

Obtained stresses in the stringers and floor beams for different sizes of the cantilever

Величина консолі, см	Максимальні напруження, МПа				Прогин консолі, мм
	Поздовжня балка		Поперечна балка
0	660	–180	1560	–120	103,4
20	188	–36	75	–18	3,2
30	72	–108	82,5	–7,5	1,65
40	30	–33	84	–6	1,1
50	33	–23	88	–4	0,84
60	32	–16	88	–4	0,67
70	33	–29	88	–4	0,63
80	33	–10	88	–4	0,59
90	33	–11,2	88	–4	0,56
100	33	–11,5	88	–4	0,54

Графіки максимальних напружень показано на рис. 4 та 5, а отримані поля напружень поясів балок при цьому зображено рис. 6 та 7.

Рис. 4. Максимальні напруження
поздовжньої балки, МПа

Fig. 4. Maximum stresses of the stringer, MPa

Рис. 5. Максимальні напруження
поперечної балки, МПа

Fig. 5. Maximum stresses of the floor beam, MPa

Максимальні напруження поздовжньої та поперечної балок за величини консолі більше ніж 40 см достатньо стабільні.

Рис. 6. Напружений стан поясів поздовжньої балки просторової моделі без консолі, МПа:
а – верхнього; б – нижнього

Fig. 6. Stress-strain state of the stringer flanges of the spatial model without a cantilever, MPa:
a – the upper one; b – the lower one

Проаналізувавши поля головних напружень, можна з упевненістю сказати, що робота балок у рази гірша без консолі. Напруження в обох балках стабілізуються, починаючи з величини консолі в 40÷50 см. Але за величини консолі 80 см напружений стан поздовжньої балки є мінімальним. Прогини фіксованої точки (див. рис. 8), що впливає на кут повороту вузла спирання балок, свідчать, що за величини консолі в 70 та 80 см різниця зменшення величини прогину є кращим критерієм для визначення раціональних параметрів.

Рис. 7. Напружений стан поясів поздовжньої балки просторової моделі з консоллю 80 см, МПа:
а – верхнього; б – нижнього

Fig. 7. Stress-strain state of the stringer flanges of the spatial model without with a cantilever of 80 cm, MPa:
a – the upper one; b – the lower one

Рис. 8. Графік залежності прогину фіксованої точки на поздовжній балці від величини консолі

Fig. 8. Dependence graph of a fixed point deflection on the stringer on the size of the console

Одночасний аналіз напружено-деформо-ваного стану балок просторової моделі засвідчує, що оптимальна величина консолі становить 80 см.

Для вирішення питань підбору товщини металевого листа консолі та величини кутиків підсилення було проведено розрахунки моделі зі стрижневих та плоских кінцевих елементів, де параметри елементів змінювались. Товщину металевого листа розглядали від 8 до 12 мм, а кутики підсилення – від 80×80×7 до 125×125×8. Завантаження балки також виконано статичним рівномірно розподіленим навантаженням, величина якого 20 кН/м. Результати розрахунків наведено в табл. 3.

У результаті аналізу отриманих показників, можна зробити висновки, що розмір кутика майже не впливає на напружений стан металевого горизонтального листа балок. Напружений стан самого кутика залежить більше від товщини полиці кутика ніж від величини кутика, і напруження рівномірно зменшуються залежно від товщини листа консолі та розміру самого кутика. У реальних конструкціях прогонових споруд встановлені кутики 100×100×10 та листи товщиною 10 мм. Тому, зважаючи на уніфікацію конструктивних проєктних рішень, доцільно в посиленні вузла спирання балок одна на одну теж узяти кутики 100×100×10 та металеві листи товщиною 10 мм.

Таблиця 3

Результати розрахунків параметрів елементів підсилення

Table 3

Calculation results of the parameters of the strengthening elements

№ з/п	Кутик, мм	Товщина листа, мм	Напруження, МПа		Прогин характерної точки, мм
			Кутик	Лист
1	2	3	4	5	6
1	80×80×7	Δ=8	43,7	6,0	4,18
		Δ=10	35,8	5,0	3,83
		Δ=12	34,5	4,5	3,55
2	80×80×10	Δ=8	37,6	5,0	3,44
		Δ=10	33,8	4,4	3,19
		Δ=12	30,6	3,6	2,99
3	90×90×7	Δ=8	40,7	6,0	3,89
		Δ=10	36,0	5,0	3,58
		Δ=12	32,2	4,4	3,33
4	90×90×9	Δ=8	36,4	5,0	3,37
		Δ=10	32,8	4,4	3,13
		Δ=12	29,6	4,0	2,94
5	100×100×7	Δ=8	38,0	5,5	3,63
		Δ=10	33,8	5,0	3,36
		Δ=12	30,4	4,4	3,13
6	100×100×10	Δ=8	32,1	4,4	2,93
		Δ=10	29,1	3,6	2,75
		Δ=12	26,5	3,6	2,59
7	125×125×8	Δ=8	30,7	4,4	2,86
		Δ=10	27,2	4,0	2,69
		Δ=12	25,3	3,6	2,54

Дослідження напружено-деформованого стану запропонованого вузла спирання поздовжніх балок на поперечні. Для визначення величини напружень у балках зі встановленими додатковими консольними листами й посиленими сталевими кутиками, описаними раніше, було змодельовано просторовий вузол з’єднання балок поверхового типу з елементами підсилення (рис. 9). Для побудови моделі в натуральну величину також використано кінцеві елементи трикутної форми, які було генеровано в поверхні відповідної товщини металу у збірці.

Рис. 9. Загальний вигляд просторової моделі
вузла з підсиленням

Fig. 9. General view of the spatial model
of the node with reinforcement

У результаті було отримано скінченно-елементну модель, що складається з 17 107 вузлів та 34 374 кінцевих елементів.

Навантаження на модель виконували за крайовими умовами з урахуванням отриманих зусиль у просторовій моделі ферми, аналогічних навантаженню попередніх розрахунків без підсилення вузла.

Після розрахунку отримано поля напружень, які зображено на рис. 10.

Якщо порівняти ці результати з попереднім випадком, коли підсилення відсутнє, то можна констатувати, що напруження в кутиках горизонтальних полиць поздовжньої балки з підсиленням зменшилось на 73 % до 54 МПа, а напруження за верхніми горизонтальними полицями кутиків поперечної балки з підсиленням зменшилось на 43–48 % до 170 МПа.

Рис. 10. Напружений стан за горизонтальними полицями кутиків із підсиленням, МПа:
а – поздовжньої балки; б – поперечної балки

Fig. 10. Stress-strain state behind the horizontal legs of the angles with reinforcement, MPa:
a – stringer; b – floor beam

Наукова новизна та практична
значимість

У ході дослідження вивчено технічну документацію за типовими проєктами «Проєктстальконструкції», проведено аналіз результатів попередніх обстежень даних прогонових споруд ПСК з поверховим сполученням балок проїзної частини, аналіз характеру та динаміки розвитку тріщин. Також проаналізовано результати обстежень металевих прогонових споруд мостів із поверховим розташуванням балок проїзної частини [4÷7] й виявлено, що в переважній більшості випадків клас прогонової споруди зазвичай визначає клас балок проїзної частини як найбільш дефектних елементів усієї споруди.

У роботі досліджено напружено-деформований стан підсилення вузла спирання металевих балок проїзної частини поверхового розташування. Запропоновано нову конструкцію підсилення вузла спирання поздовжніх балок на поперечні з підбором раціональних параметрів конструкції.

Представлена конструкція, на відміну від попередніх:

– не усуває включення в сумісну роботу поздовжніх балок;

– не протидіє виникненню крутного моменту в поперечній балці.

Головна мета цієї конструкції – більш плавно передати зусилля з поперечної балки на поздовжню, суттєво збільшуючи площу їх взаємного спирання.

За отриманими результатами було оформлено патент на корисну модель № 109806 від 12.09.2016 [2].

Особливістю прогонових споруд, створених за кресленнями «Проєктстальконструкції», є однотипність проїзної частини, що дозволило розробити креслення консолей підсилення, які підійдуть до будь-яких прогонових споруд за цією серією. Додатковою перевагою цього способу є той факт, що матиме місце суттєве збільшення вантажопідйомності поздовжніх балок. Цей спосіб ремонту найбільш раціональний (рекомендовано для моста через річку Інгулець на 109-му км лінії Верхівцеве – Долинська, договір № 94/2011–Цтех–177/2011-ЦЮ від 30.09.2011 [8]. «Проведення досліджень стану залізничних металевих мостів з двоповерховою проїзною частиною та шляхи їх реконструкції під сучасні вимоги»).

Висновки

За результатами розрахунків та комп’ютерного моделювання визначено, що основною причиною появи тріщин є конструктивна недосконалість вузлів спирання поздовжніх балок на поперечні прогонової споруди з поверховою проїзною частиною, характерна для аналогічних конструкцій. Аналіз напружено-деформованого стану наявної конструкції вузла спирання поздовжніх балок на поперечні свідчить про складні умови роботи балочної клітини. Напруження в горизонтальних полицях кутиків досягають 230–330 МПа, що значно перевищує розрахункові значення опору металу.

Запропонована нова конструкція вузла спирання поздовжніх балок на поперечні усуває недолік концентрації напружень. Виявлено раціональні параметри вузла: величина консолі підсилення становить 80 см, величину елементів вузла взято за конструктивними характеристиками типового проєкту тому, що ці величини мають малий вплив на НДС вузла.

Дослідження напружено-деформованого стану запропонованого вузла спирання поздовжніх балок на поперечні показало, що максимальні напруження в горизонтальних поличках поясних кутиків поздовжніх і поперечних балок (за цих умов) зменшились на 43–73 % та становлять 100–170 МПа.

Creative Commons Attribution 4.0 International

doi: 10.15802/stp2021/227222
© С. В. Ключник, 2021