ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ

Грузоподъемность является одним из самых важных эксплуатационных показателей элементов пролетных строений. Учитывая, что пролетное строение состоит из различных конструктивных элементов, его грузоподъемность в целом определяется несущей способностью наиболее слабого элемента.

Грузоподъемность металлических пролетных строений железнодорожных мостов определяется методом классификации по предельным состояниям первой группы: на прочность, устойчивость формы и выносливость [1].

Расчет грузоподъемности включает в себя: классификацию по грузоподъемности пролетных строений, подвижного состава по воздействию на пролетное строение, определение условий эксплуатации мостов [1].

В соответствии с требованиями все мосты классифицируют по грузоподъемности с целью выработки эффективных и безопасных режимов их эксплуатации, решения вопросов об усилении, ремонте или замене сооружений.

В условиях эксплуатации мостов характерно большое разнообразие конструкций пролетных строений, которые отличаются не только материалами, но и техническими нормами, по которым в разные годы проектировали и строили железнодорожные мосты. За прошедшие годы эксплуатации произошли значительные изменения, связанные с увеличением веса поездов, скорости их движения, грузонапряженности линий, техническим состоянием конструктивных элементов и пролетных строений в целом.

Происходящие изменения в условиях эксплуатации мостов обусловливают необходимость расчета их по грузоподъемности, оценки возможности и условий безопасного пропуска по ним поездных нагрузок, существенно отличающихся от тех, которые в свое время учитывались при проектировании.

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

1) конструкцию пролетных строений и отдельных их элементов;

2) вид и механические характеристики материала, из которого изготовлены пролетные строения;

3) физическое состояние пролетных строений, определяемое наличием в них повреждений и конструктивных дефектов;

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

5) поведение пролетных строений под нагрузкой;

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

7) результаты испытаний пролетных строений, если они проводились.

В этой связи в целях расчета грузоподъемности необходимо изучить техническую документацию о пролетном строении, прошедшем этапы проектирования, изготовления и сооружения, а также эксплуатации. К ним относятся архивные данные и чертежи, «Карточка» моста, «Книга среднего или большого моста», материалы обследований, а также испытаний, если они проводились.

Рассчитывается грузоподъемность каждого элемента пролетного строения с учетом геометрических характеристик поперечных сечений и механических характеристик металла. При этом определяется максимальная интенсивность временной вертикальной равномерно распределенной нагрузки - допускаемой временной нагрузки, которая не вызывает наступления предельного состояния при нормальной эксплуатации моста.

Расчет грузоподъемности методом классификации состоит в том, что временную вертикальную нагрузку, которую могут безопасно выдерживать элементы пролетного строения при нормальной эксплуатации, выражают в единицах эталонной нагрузки. В качестве эталонной принята нагрузка по схеме H -1 1931 года. Число единиц эталонной нагрузки, которое может безопасно выдержать элемент, называется его классом грузоподъемности. Наименьший из классов элементов называется классом пролетного строения.

Класс элемента пролетного строения по грузоподъемности определяется из выражения:

, (1)

где - допускаемая временная равномерно распределенная нагрузка по рассматриваемому виду расчета; k_н - эталонная временная вертикальная эквивалентная нагрузка; (1+m) - динамический коэффициент эталонной нагрузки.

Значения допускаемой и эталонной нагрузок k_i и k_н определяются для одной и той же линии влияния в зависимости от ее длины l и положения вершины a.

Временная подвижная нагрузка аналогично выражается в единицах эталонной нагрузки H1. Число единиц эталонной нагрузки, которое по воздействию на пролетное строение эквивалентно действию рассматриваемой подвижной нагрузки, называется классом нагрузки.

Установление возможности дальнейшей эксплуатации пролетного строения под рассматриваемым видом подвижной нагрузки производится при сравнении классов пролетного строения с классом нагрузки.

Грузоподъемность элементов и сечений главных балок пролетных строений со сплошными стенками определяется при действии постоянных нагрузок (вес пролетных строений, мостового полотна, коммуникаций и других), центробежной силы, если мост расположен на кривом участке пути, и временной вертикальной нагрузки от подвижного состава. При расчетах на прочность и устойчивость все нагрузки учитываются с соответствующими коэффициентами надежности, а на выносливость - без них.

Геометрические характеристики рассчитываемого сечения, стыка, прикрепления определяются с учетом ослабления коррозией и другими повреждениями. Элементы, ослабленные отверстиями под заклепки, необходимо рассчитывать на прочность и выносливость по сечениям нетто, а на устойчивость - по сечениям брутто. Элементы с фрикционными соединениями на высокопрочных болтах следует рассчитывать на прочность по сечениям нетто, а на устойчивость и выносливость по сечениям брутто. Комбинированные соединения на заклепках и высокопрочных болтах рассчитываются как заклепочные.

Геометрические характеристики G принимаются равными:

G=F_o - при работе элемента на осевое усилие, где F_o - расчетная площадь поперечного сечения рассматриваемого элемента;

G=W_o - при работе элемента на изгиб, где W_o - расчетный момент сопротивления поперечного сечения элемента;

G= - при расчете по касательным напряжениям в стенке балки, где d - толщина стенки балки; - момент инерции брутто поперечного сечения элемента или балки относительно нейтральной оси; S_бр - статический момент брутто отсеченной части поперечного сечения элемента или балки относительно нейтральной оси;

G= F_сп - расчетная площадь стыка или прикрепления по сечению возможного разрушения, где F_сп - расчетная площадь нетто части элемента или накладок, входящих в сечение разрушения F_нm, или приведенная расчетная площадь заклепок (болтов), высокопрочных болтов, сварных швов, прикрепляющих указанную часть элемента F_o^b. Для каждой части элемента принимается меньшее из значений F_нm или F_o^b.

Грузоподъемность элементов пролетных строений методом классификации рассматривается на базе исходного уравнения предельного состояния:

S+S_p+S_v = mRG, (2)

где S - усилие в элементе от временной нагрузки, в том числе включая:

S = S_k+S_т+S_c. (3)

Здесь S_k= e_kn_kh_kkW_k - вертикальное воздействие от временной нагрузки; S_т - воздействие от сил торможения (для ферм); S_с - воздействие от центробежной силы; S_р = e_рW_рSn_рi P_i - усилие от постоянных нагрузок; S_v - n_vh_vS_v^’ - усилие от ветровой нагрузки (для ферм); mRG - несущая способность элемента из расчета на прочность; при расчетах на устойчивость и выносливость несущая способность элемента принимается соответственно: mjRG и mg_вR; k -допускаемая временная нагрузка; P_i - интенсивность каждой из постоянных нагрузок; R - расчетное сопротивление металла; j- коэффициент продольного изгиба; g_в - коэффициент понижения расчетного сопротивления при расчетах на выносливость; m - коэффициент условий работы; S_v - нормативное усилие от ветровой нагрузки; e_k, e_р - доля вертикальной нагрузки от подвижного состава или постоянной нагрузки, приходящаяся на одну балку (ферму); n_pi, n_k, n_v - коэффициенты надежности к постоянным нагрузкам и нагрузкам от подвижного состава и ветра; h_k, h_v - коэффициенты сочетания к нагрузкам от подвижного состава и ветра; W_k, W_p - площади линий влияния усилий, загружаемые соответственно нагрузками от подвижного состава и постоянными нагрузками.

Допускаемая временная нагрузка k при воздействии на рассчитываемый элемент вертикальных и горизонтальных нагрузок определяется из уравнения предельного состояния (2).

Горизонтальная поперечная нагрузка от давления ветра и продольная нагрузка от торможения учитываются только при расчетах на прочность и устойчивость элементов пролетных строений со сквозными фермами, а при расчетах балок сплошностенчатых пролетных строений они не учитываются, поэтому исходное уравнение предельного состояния (2) будет иметь вид:

S_k+ S_с+S_p = mRG. (4)

При определении расчетных характеристик металла элементов пролетных строений следует учитывать:

· модули упругости металла Е принимаются равными для:

· сварочного железа Е=1.8 х10⁵ МПа (1800 тс/см²);

· литого железа и стали Е=2.1х10⁵ МПа (2100 тс/см²);

· коэффициент линейного расширения стали принимается равным 0.000012;

· коэффициент перехода k_n от основных расчетных сопротивлений R к производным расчетным сопротивлениям металла элементов конструкций по таблице 1.

Таблица 1

Коэффициент перехода k_n

от основных расчетных сопротивлений R к производным

· коэффициент перехода от R металла заклепок, болтов повышенной точности и высокопрочных болтов к их производным расчетным сопротивлениям по таблице 2;

Таблица 2

Коэффициент перехода от R металла заклепок и

болтов к их производным расчетным сопротивлениям

Примечание. При расчете на смятие заклепочных и болтовых отверстий переходной коэффициент k_см относится к основному расчетному сопротивлению металла конструкции и принимается равным 2.5.

Нагрузка от центробежной силы учитывается при расположении пролетных строений на кривых участках пути в виде равномерно распределенной горизонтальной поперечной нагрузки q_c, приложенной на высоте 2.2 м от головки рельса и направленной по радиусу от центра кривой.

При расчете грузоподъемности пролетных строений влияние центробежной силы учитывается с помощью коэффициента x_с. При этом допускаемая временная нагрузка k определяется

k = (5)

где k₁ - допускаемая временная нагрузка, определяемая по формулам расчета элементов пролетных строений, расположенных на прямом участке пути; коэффициент x_с для балок пролетных строений определяется

(6)

Здесь: С₀ =0.008V²/r₀£0.15 - коэффициент, определяющий величину нагрузки от центробежной силы; h_цс - расстояние по вертикали от горизонтальной плоскости опирания пролетного строения на опорные части до точки приложения центробежной силы; b - расстояние между осями главных балок; (1+m) динамический коэффициент к эталонной нагрузке; V – расчетная скорость движения поездов, км/час; r₀ – радиус кривой, м.

Динамический коэффициент к эталонной нагрузке принимается равным

(1+m) = 1+ (7)

где l - длина загружения линии влияния вертикальной временной эквивалентной нагрузкой от подвижного состава.