УДК 624.21 А.В. Лившиц, В.О. Мишутин, ИрГУПС, г. Иркутск, Россия

УДК 624.21
А.В. Лившиц, В.О. Мишутин, ИрГУПС, г. Иркутск, Россия
Факторы, оказывающие влияние на неравномерный температурный
нагрев пролетного строения моста, применительно забайкальского края.
Оценка напряженно деформированного состояния металлического пролетного строения
Все созданное человеком на протяжении долгих времен, непрерывно взаимодействует с внешней средой. Задачей любого инженера, является обеспечение
бесперебойного, целевого функционирования создаваемого им сооружения, в
условиях внешней среды.
В ходе эксплуатации внешняя среда воздействует на сооружение, и сооружение также воздействует на внешнюю среду. Грамотный инженер, должен найти
ту самую золотую середину, в которой ущерб от взаимодействия, для обеих сторон будет минимальным.
В настоящее время металлические пролетные строения находят широкое
применение в строительстве мостов с пролетами различных длин и конфигураций. Современные тенденции в строительстве металлических мостов направлены
на экономию металла и снижение трудозатрат при их изготовлении и монтаже.
Это достигается за счет применения сталей повышенной прочности, использования различных типов монтажных соединений, внедрения прогрессивных экономичных систем и более рациональных конструкций пролетного строения. Однако
наряду с изменением параметров металлических пролетных строений изменяется
и доля воздействия различных факторов на их пространственную работу.
Сегодня основным нормативным документом при проектировании мостов
является СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы». Однако из множества факторов
влияющих на безопасность эксплуатации мостов в данном документе в должной
мере не уделено внимания фактору влияния температурных деформаций. При
этом данный фактор оказывает существенное влияние на пространственную работу пролетного строения и, как следствие, на безопасность эксплуатации сооружения в целом.
Из всех материалов используемых в строительстве, металл обладает
наибольшей теплопроводностью. Поэтому в металлических пролетных строениях
температурные деформации проявляют себя наиболее интенсивно, в зависимости
от изменения температуры внешней среды. Другими словами, металлические конструкции очень чувствительны к изменению температуры внешней среды.
В свою очередь изменение внешней среды, обуславливается такими факторами, как колебания температуры воздуха, интенсивность и угол воздействия
солнечной радиации, сила и направление ветра [1]:
Колебания температуры воздуха можно разделить на три категории:
- сезонные колебания температуры с периодом в один год;
- колебания температуры, связанные с прохождением циклонов и антициклонов – непериодический вид колебаний температуры;
- суточные колебания температуры с периодом в 24 часа.
Солнечная радиация оказывает существенное влияние на формирование
температуры различных элементов металлического пролетного строения. Величина нагрева элементов зависит от ориентации пролетного строения относительно
стран света, от материала и вида поверхности, чистоты воздуха, широты местности, высоты над уровнем моря и других причин.
Сила и направление ветра также влияет на распределение температуры по
сечению пролетного строения. Ввиду конструктивных особенностей в пролетном
строении, можно выделить открытые и закрытые зоны. Под воздействием ветра в
открытых зонах теплообмен между внешней средой и элементами пролетного
строения осуществляется более интенсивно, чем в закрытых.
Изменение хотя бы одного из перечисленных факторов, отражается на
напряженно-деформированном состоянии пролетного строения.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что доля воздействия того или
иного фактора будет напрямую зависеть от территориального положения конструкции. На пример, в г. Чита, экстремальные значения температур находятся в
пределах от -47 С до +38 С, диапазон рабочей температуры равен 85 С [3].
Если воздействовать на стержень круглого сечения, длинной 10 метров температурой 85 С, то он изменит свою длину на 1см. При приложении такой же
температуры к пролетному строению моста длинной 100 м, его длина изменится
на 10 см. Различие рассматриваемого стержня от пролетного строения лишь в
том, что его поперечное сечение имеет сложную конструкцию, переменной жесткости и температура по этой конструкции будет распределена неравномерно.
Следовательно, там где температурные нагрузки не реализуются в изменении
геометрических размеров, они перейдут в дополнительные напряжения, которые
необходимо учитывать уже на стадии проектирования.
В значительной степени на распределение температуры по пролетному
строению влияет солнечная радиация. Остановимся на этом факторе подробнее и
рассмотрим 2 случая воздействия на пролетное строение моста:
1. Солнце низко над горизонтом и нагревается только фасадная балка рис.
1а.
2. Солнце высоко над горизонтом и происходит нагрев только ортотропной
плиты рис. 1б.
На рисунке 1. а, представлен случай, когда солнце низко по отношению к
горизонту. При таких условиях воздействию солнечной радиации подвергается
только фасадная балка.
На рисунке 1. б) представлен случай, когда солнце высоко по отношению к
горизонту. В этом случае воздействию солнечной радиации подвергается ортотропная плита и, возможно, часть крайней балки (в зависимости от размера тротуарной консоли). Из рис. 1б видно, что тротуарная консоль является козырьком и
создает теневую зону, тем самым уменьшая воздействие солнечной радиации на
фасадную балку.
Таким образом, элементы моста находящиеся в тени и на солнце будут
иметь различную температуру и, как следствие, различное удлинение, что приводит к сложным пространственным деформациям и дополнительным напряжениям.
Рис. 1. Случаи воздействия солнечной радиации: а) воздействие СР на фасадную балку;
б)
воздействие СР на ортотропную плиту;
Опытным путем, проводя температурные замеры было замечено, что при
температуре воздуха -10°С, температура освещенной части металла составляла
+22°С.
На основании вышеизложенного была составлена математическая модель
металлического разрезного пролетного строения (ПС), lр=42.0 м и неразрезного
ПС по схеме /3х42.0м/ (рис. 2). Для каждой модели было рассмотрено 2 случая
температурного нагружения в соответствии с рис. 1.:
1. Нагревается только фасадная балка на +200С.
2. Нагревается только ортотропная плита на +200С.
Результаты напряженно деформированного состояния модели представлены на рис. 4-7 и сведены в табл. 1.
Рис. 4 Напряжения в главных и поперечных балках от первого случая температурного воздействия: а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС.
Рис. 5 Напряжения в ортотропной плите от первого случая температурного воздействия: а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС.
Рис. 6 Напряжения в главных и поперечных балках от второго случая температурного воздействия: а) разрезное ПС; б) неразрезное ПС.
Рис. 7 Напряжения в ортотропной плите от второго случая температурного воздействия: а)
разрезное ПС; б) неразрезное ПС.
Табл. 1, напряжения в элементах ПС
Схема
Название
№
ПС
элемента
неразрезное
разрезное
1
2
3
1
2
3
Главная
балка
Поперечная
балка
Ортотропная
плита
Главная
балка
Поперечная
балка
Ортотропная
плита
Расчетное соНапряжения, Напряжения,
Удельный Удельный
противление
МПа
МПа
вес, %
вес, %
стали
10
(1 случай)
(2 случай)
(1 случай) (2 случай)
ХСНД, МПа
16.0
12.6
-56.1
44.4
350.0
-20.3/20.7
-29.1/86.5
350.0
5.9
24.7
19.9
55.0
350.0
5.6
15.7
-79.3
73.4
350.0
22.6
20.9
-16.9/21.9
-30.2/121.9
350.0
6.2
34.8
21.1
55.5
350.0
6.0
15.8
Из таблицы 1 видно, что более неблагоприятно температурные нагрузки
влияют на неразрезное ПС. При этом для главных балок более неблагоприятным
является 1 случай нагружения, для поперечных балок и отртотропной плиты 2
случай. Также видно, что в 1 и 2 случаях напряжения имеют разные знаки, получается, что диапазон напряжений в главной балке составляет 152.7 МПа, в поперечных балках 100.0 МПа, и в ортотропной плите 34.4. Удельный вес напряжений температурных нагрузок от расчетного сопротивления стали 10ХСНД составляет 34.8%.
Вышесказанное позволяет говорить о нереализованных пространственных
температурных деформациях, приводящих к возникновению дополнительных
напряжений, которые не учитываются на стадии проектирования.
Неучтенные температурные деформаций могут привести:
- к изменению схемы работы отдельных элементов;
- переходу работы материала из упругой стадии в стадию пластических деформаций, в свою очередь это приводит к изменению поперечного сечения элемента и как следствие к его возможному разрушению;
- усталости материала, на протяжении нескольких циклов лето-зима/зималето;
- разрушение соединительных элементов (болты, сварка).
Вывод: температурные деформации могут оказывать существенное влияние
на напряженно-деформированное состояние металлических пролетных строений.
В частности фактор солнечной радиации создает дополнительные напряжения в
размере 34.8% от расчетного сопротивления материала для рассмотренной модели. Влияние неравномерного распределение температуры на деформацию пролетного строения требует более глубокого изучения и должно найти отражение в
нормативной литературе.
Библиографический список:
1. Н.Н. Бычковский, В.П. Акатов, В.П. Величко С.И. Пименов – «Сталежелезобетонные мосты», Саратов, - 2007;
2. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы»;
3. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»;
4. С.Р. Владимирский «Металлические пролетные строения мостов с ортотропными
плитами», Санкт-Петербург 2006.