авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Cвершенствование конструктивно-технологических решений шарнирных соединений автодорожных мостов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сухов Игорь Сергеевич

CОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2011 г.

Работа выполнена в открытом акционерном обществе “Научно-исследовательский институт транспортного строительства” (ОАО ЦНИИС).

Научный руководитель: Доктор технических наук

Платонов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Потапкин Анатолий Алексеевич

Кандидат технических наук

Игнатьев Евгений Григорьевич

Ведущая организация: ООО “Союздорпроект”

Защита состоится “23” Сентября 2011 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ.303.018.01 при Научно-исследовательском институте транспортного строительства по адресу: 129329, г. Москва, ул. Кольская, д. 1, ОАО ЦНИИС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС. Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан “___” августа 2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Петрова Ж.А.

Краткая характеристика работы.

Актуальность работы. Шарнирные соединения являются ответственными функциональными элементами стальных конструкций автодорожных мостов, широко используемыми:

- в узлах сопряжения вант и кабелей с пилонами и балками жесткости пролетных строений вантово-балочных и висячих систем, включая цепные конструкции кабелей;

- в узлах сопряжений подвесок с кабелями, арками и балками жесткости пролетных строений;

- в шарнирных узлах решетчатых и сплошностенчатых, преимущественно сборно-разборных, пролетных строений различного назначения;

- в устройствах опорных частей, антисейсмических закреплений, деформационных швах;

- в узлах сопряжения понтонов наплавных мостов и элементов инвентарных конструкций.

Несмотря на столь широкое применение и высокую значимость этих соединений для надежного функционирования мостов, действующий актуализированный СНиП 2.05.03.84* “Мосты и трубы” содержит лишь отдельные требования к их конструкционным материалам и расчетным сопротивлениям и только для случая плотного положения шарнира в отверстии. Расчетное сопротивление при свободном касании цилиндрических поверхностей не нормируется. Вместе с тем шарнирные соединения с неплотным положением шарнира в отверстии применяются, как правило, в сборно-разборных автодорожных пролетных строениях предназначенных для временного и краткосрочного восстановления мостов, что обусловлено необходимостью обеспечения быстрой сборки и разборки конструкций.

В последнее время наметилась тенденция к широкому внедрению в мостостроение висячих, вантово-балочных и других сложных систем пролетных строений, появились новые виды стального проката с улучшенными потребительскими свойствами. С учетом вышеизложенного и с целью повышения технологичности, сокращения сроков и стоимости строительства мостов представляется целесообразным и актуальным проведение исследований направленных на обоснование применения шарнирных соединений с неплотным положением шарнира в отверстии (при безусловном обеспечении их эксплуатационной безопасности), а так же исследований по применимости современных видов стального проката для шарнирных соединений.

Целью работы является разработка научно обоснованных конструктивно-технологических решений шарнирных соединений стальных автодорожных мостов, повышенной надежности и технологичности.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

  1. Выполнен аналитический обзор теоретических исследований и анализ существующего опыта применения шарнирных соединений в мостостроении;
  2. Разработаны расчетные модели и выполнены исследования напряженно-деформированного состояния шарнирных соединений при плотном и свободном положении шарнира в отверстиях соединяемых им элементов на основе современного метода конечных элементов с использованием программных комплексов NASTRAN и COSMOSWorks.
  3. Выполнены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния шарнирных соединений (с использованием физического моделирования) для проверки полученных теоретических результатов;
  4. Обоснованы технологичные допуски на плотное и свободное положение шарнира в соединении.
  5. Проведен анализ современных видов стального проката и разработаны предложения по адаптации их физико-механических и сварочно-технологических свойств для шарнирных соединений мостовых сооружений обычного и северных А и Б исполнений – в свете требований актуализированного СНиП 2.05.03.84* “Мосты и трубы”.
  6. Сформулированы повышенные требования к расчетным проверкам прочности шарнирных соединений, физико-механическим и сварочно-технологическим свойствам конструкционных материалов.

Методы исследований. Для решения вышеизложенных задач использованы современные теоретические и экспериментальные методы, представленные в структурной схеме.

Научная новизна.

  1. На основе метода конечных элементов (МКЭ) разработаны расчетные модели для оценки напряженно-деформированного состояния шарнирных соединений стальных конструкций мостов при плотном (в пределах допусков на подвижную посадку) и неплотном положении шарнира в отверстии соединяемых элементов.
  2. Выявлены новые закономерности распределения нормальных и касательных напряжений в “проушинах” (наиболее распространенных в мостостроении элементах шарнирных соединений) при плотном и неплотном положении шарнира в отверстии.
  3. Разработаны физические модели для экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния шарнирных соединений.
  4. Исследованы причины хрупких разрушений шарниров больших диаметров и установлены критерии безопасности шарниров в эксплуатации.

Практическая значимость работы.

Результаты исследования обеспечивают повышенную технологичность и эксплуатационную надежность шарнирных соединений стальных конструкций мостов различных систем, при использовании в мостах обычного и северных исполнений, исключая возможные экономические, социальные и экологические потери в случае частичного или полного отказа их работы.

Адаптированы к потребительским свойствам современного толстолистового проката физико-механические и сварочно-технологические требования к металлу элементов соединяемых шарнирами.

Обоснованы технологичные допуски на плотное и свободное положение шарнира в соединении.

Результаты исследований использованы:

- при проектировании деформационного шва, разработанного в филиале ОАО ЦНИИС “НИЦ Мосты” для реконструкции мостового перехода через р. Селенгу на 124 км автомобильной дороги “Байкал”;

- в проекте надземного пешеходного перехода на пересечении ул. Павлюхина и ул. Халева в г. Казани, при проектировании узлов крепления подвесок к балке в арочном пролетном строении (ОАО “Татдорпроект”).

На защиту выносятся:

  1. Обоснование расчетных моделей на базе МКЭ для теоретического исследования напряженно-деформированного состояния элементов шарнирных соединений стальных конструкций мостов.
  2. Новые закономерности напряженно-деформированного состояния элементов в виде “проушин” при плотном и неплотном положении шарнира в отверстии (по результатам теоретического исследования).
  3. Методы формирования физических экспериментальных моделей шарнирных соединений и результаты исследования их напряженно-деформированного состояния
  4. Результаты анализа причин имевших место при хрупких разрушениях шарниров.
  5. Вопросы адаптации физико-механических и сварочно-технологических свойств современных материалов к конструкциям шарнирных соединений мостов обычного и северного исполнений.
  6. Достоверность основных научных положений и результатов обусловлена корректностью применения современных методов исследования, подтверждаемых практикой мостостроения, а также количественной и качественной идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы доложены на следующих научных форумах:

  1. Заседаниях Секции «Проектирование и строительство искусственных сооружений на железных и автомобильных дорогах» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2008-2011 гг.
  2. Научно - технической конференции Фонда “Амост” “Инновации в мостостроении” (в рамках международного форума “Строительство городов. City Build”, “Вестник мостостроения”, №1, 2010 г., с. 79-80).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 работы в журнале “Транспортное строительство”, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка. Общий объем работы 137 стр., включая 71 иллюстрацию и 6 таблиц. Библиографический список содержит 119 источников, в т.ч. 8 иностранных.

Диссертация выполнена в Филиале ОАО ЦНИИС “НИЦ “Мосты”.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе изложены в историческом аспекте материалы краткого аналитического обзора научных исследований и практики проектирования, строительства и эксплуатации мостов с шарнирными соединениями стальных конструкций. На его основе сформулированы цель и задачи диссертации, а также методы теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для решения поставленных задач.

Началом научных исследований шарнирных соединений в мостостроении следует считать первое десятилетие XIX века, когда в России и других странах началось проектирование и строительство мостов висячей системы с металлическими цепными кабелями. В России эти исследования по заданию Главного управления Министерства путей сообщения возглавил крупный специалист-мостовик А.А. Бетанкур.

По результатам исследования были обоснованы важнейшие расчетные проверки несущей способности шарнирных соединений, а именно: для шарниров при работе на изгиб, срез металла по поперечному сечению и контактному смятию, а для элементов соединяемых шарниром при работе на растяжение, срез металла вдоль соединения и контактному смятию.

Чрезвычайно важным этапом совершенствования шарнирных соединений следует считать полученное в 1881 г. физиком Г. Герцем строгое решение задач о напряженно-деформированном состоянии (при упругой работе материала) двух тел любой формы, контактно соприкасаемых между собой, в том числе и тел с цилиндрической поверхностью, характерных для шарнирных соединений.

Отмечен также большой вклад Ф. Блейха в оценку напряженно-деформированного состояния элементов шарнирных соединений в виде “проушин” на основе теории расчета “кривых брусьев” по уравнениям Мюллера-Бреслау. Одновременно практика проектирования, изготовления и эксплуатации шарнирных соединений позволила разработать эмпирические соотношения основных размеров этих соединений.

Дальнейшему прогрессу шарнирных соединений способствовали теоретические решения на основе законов теории упругости задач о напряженно-деформированном состоянии пластин с различными контурными условиями, особенно пластин с круговым отверстием, являющимся резким концентратором напряжений.

Результаты экспериментальных исследований, выполненных Н.А. Нивиным, показали, что характер напряженно-деформированного состояния элементов соединяемых шарнирами, при их плотном и неплотном положении в отверстии, принципиально отличается. Наибольшая концентрация напряжений при неплотном положении шарнира, наблюдается в сечении вдоль оси соединяемых элементов, а не поперек, как это имеет место в конструкциях с плотным положением шарнира в отверстии. Концентрация напряжений возрастает при этом по мере увеличения разницы диаметров отверстия и шарнира. Кроме того, для сборно-разборных конструкций сделан вывод о том, что область работы элементов шарнирного соединения должна ограничиваться упругой работой материала, в противном случае резко ухудшатся условия сборки и разборки соединения.

Большой вклад в исследования шарнирных соединений стальных конструкций внесли: в нашей стране Бетанкур А.А., Патон Е.О., Проскуряков Л.Д., Стрелецкий Н.С., Гибшман Е.Е., Протасов К.Г., Уманский А.А., Дарков А.В., Якобсон К.К., Сахновский М.М., Лялин Н.Б., Большаков К.П., Потапкин А.А., Нивин Н.А., Кручинкин А.В., Платонов А.С., Игнатьев Е.Г., Егоров В.П., Тарасов А.М. и другие, а также зарубежные ученые: Блейх Ф.,Герц Г., Форсгер М., Фалтус Ф., Шапер Г. и другие.

В работе приведены примеры ряда уникальных исторических мостов висячей системы со стальными цепными кабелями, листовые звенья которых объединяются шарнирами, а также примеры современных мостов вантово-балочной системы с шарнирными прикреплениями вант к главным балкам и пилонам.

Особо акцентировано внимание на то обстоятельство, что в 50-е годы прошлого столетия в отечественном и зарубежном мостостроении наметилась тенденция к отказу от недостаточно технологичных клепаных конструкций и переход на сварные и болто-сварные конструкции. Производство клепаных конструкций в нашей стране прекратилось полностью в начале 70-х годов. В это же время произошло значительное увеличение объемов строительства мостов в северных районах.

Эти обстоятельства потребовали не только рационализации механических, структурных и сварочно-технологических свойств металла конструктивных элементов шарнирного соединения, но и адаптации их к требованиям актуализированного СНиП 2.05.03-84* “Мосты и трубы” для мостовых конструкций обычного и северных А и Б исполнений.

Значительное место в аналитическом обзоре уделено научным работам последних 20 лет, направленных на существенное улучшение физико-механических и сварочно-технологических свойств толстолистового проката для конструкций мостов, сортового проката и поковок для шарниров.

Значительный вклад в дальнейшее совершенствование стального проката в мостостроении внесли: Большаков К.П., Передереев Б.М., Платонов А.С., Конюхов А.Д., Гребенчук В.Г., Подберезный Н.И., Кручинкин А.В., Звирь В.И., Гоцуляк А.А., Тополин Л.И., Левин Д.Ю., Пемов И.Ф., Морозов Ю.Д., Паршин В.М., Гладштейн Л.И. и другие.

Большой научный интерес в аналитическом обзоре представил анализ причин хрупкого разрушения в 2007 г. шарнира “Л” образного пилона конструкции ККЦ “Крылатское” в г. Москве. Выполненные в ОАО ЦНИИС и в ряде других научных организациях исследования выявили серьезную материаловедческую проблему по обеспечению стабильных и однородных потребительских свойств металла по всему поперечному сечению шарнира, в первую очередь по ударной вязкости, особенно в шарнирах большого диаметра. Решение этой проблемы требует большого внимания, поскольку увеличение пролетов висячих и вантово-балочных пролетных строений неизменно приведет к необходимости увеличения диаметров (против ранее известных) шарниров в шарнирных соединениях.

Начиная с 50-х годов прошлого столетия и до настоящего времени, в зарубежном и отечественном мостостроении доминирует тенденция к расширенному применению сложных висячих, вантово-балочных и комбинированных систем пролетных строений, в которых на смену цепных кабелей пришли более прочные и технологичные системы вант и кабелей, компонуемых из высокопрочной проволоки. Однако эта тенденция не умолила, а, наоборот, обострила проблему совершенствования шарнирных соединений в конструкциях современных мостов.

Большой вклад в развитие современных конструкций мостов с шарнирными соединениями внесли в нашей стране проектные институты: ЗАО “ЦНИИПСК им. Мельникова”, ОАО “УкрПроектстальконструкция”, ОАО “Гипротрансмост”, ОАО “Институт Гипростроймост”, ЗАО “Институт Гипростроймост С-Петербург”, ОАО “Союздорпроект”, Киевский филиал ОАО “Союздорпроекта”, ОАО “Трансмост”, ОАО “Стройпроект”, ОАО “Мостовик”, а также производственные организации отрасли.

Аналитический обзор научных исследований, практики проектирования и строительства мостов с применением шарнирных соединений показал, что остаются вопросы в области совершенствования шарнирных соединений при обеспечении надежности и безопасности работы конструкции.

Во второй главе диссертации изложены результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния наиболее распространенного в мостостроении и других областях техники элемента шарнирного соединения в виде “проушин”.

Рассмотрение существующего «метода кривого бруса» для расчета “проушин”, основанного на теории расчета брусьев большой кривизны (по подобию предложения Ф. Блейха, отмеченного в главе 1) при плотном и неплотном положении шарнира в отверстии “проушин”, показало, что этот метод применим лишь для анализа закономерностей распределения усилий в виде изгибающего момента, поперечных и продольных сил, а также соответствующих напряжений исходя из правил “сопротивления материалов”. Эта теория не позволяет выявить концентрации напряжений около кругового отверстия и закономерности распределения контактных напряжений в зоне воздействия шарнира на «проушину».

В связи с этим было признано целесообразным, в целях получения более достоверной картины напряженно-деформированного состояния “проушин”, применить современный метод конечного элемента (МКЭ), строго отражающий закономерности теории упругости.

Рассмотрены две задачи: с плотным (в переделах допусков на подвижность) и свободным положением шарнира в соединении при двух вариантах автоматизированного расчета - по программе Nastran (пластинчатая плоская модель) и по программе COSMOSWorks (твердотельная модель).

Физические модели, принятые к исследованию, отвечали полностью требованиям актуализированного СНиП 2.05.03-84* “Мосты и трубы” к шарнирным стальным соединениям, а расчетные модели построены в соответствии с положениями метода МКЭ и предпосылками указанных программ.

Для анализа использованы эпюры напряжений , и , а также интенсивности напряжений (по условию Мизеса) которые находятся в известной зависимости: .



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.