Відновлення експлуатаційного ресурсу та підвищення несучої здатності прогонових будов залізничних мостів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

"Придніпровська державна академія будівництва та архітектури"

УДК 624.21:625.

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Відновлення експлуатаційного ресурсу та підвищення несучої здатності прогонових будов залізничних мостів

Линник Георгій Олегович

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Міністерство транспорту та зв'язку України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Закора Олександр Леонтійович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, доцент кафедри мостів.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Лантух-Лященко Альберт Іванович, Національний транспортний університет, професор кафедри мостів та тунелів;

- доктор технічних наук, професор Савицький Микола Васильович, Державний вищий навчальний заклад "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури", проректор з наукової роботи, завідувач кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій.

Захист відбудеться 28 квітня 2011 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 при Державному вищому навчальному закладі "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури" за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури" (49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а).

Автореферат розісланий 21 березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Е.М. Кваша

Анотації

Линник Г.О. Відновлення експлуатаційного ресурсу та підвищення несучої здатності прогонових будов залізничних мостів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Державний вищий навчальний заклад "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури", Дніпропетровськ, 2011.

Дисертація присвячена теоретичному і експериментальному дослідженню основних причин зменшення залишкового ресурсу, зниження вантажопідйомності металевих прогонових будов та розробці комплексної методики подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових будов залізничних мостів.

У роботі оцінено загальний технічний стан металевих залізничних мостів України, проаналізовано причини виникнення пошкоджень металевих мостів втомлювального характеру, досліджено напружено-деформований стан елементів металевих прогонових будов у залежності від типу мостового полотна, що застосовується, вплив типу мостового полотна на вантажопідйомність та довговічність та подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових будов залізничних мостів.

Результати дисертації впроваджено при капітальному ремонті залізничних мосту через р. Ворскла на 333 км дільниці Полтава - Харків Південної залізниці; через р. Сура на 248 дільниці Дніпропетровськ - Апостолове Придніпровської залізниці.

Ключові слова: металеві прогонові будови, експлуатаційний ресурс, вантажопідйомність, тріщини втоми, безбаластне мостове полотно, напружено-деформований стан, витривалість.

Линник Г.О. Восстановление эксплуатационного ресурса и повышение несущей способности пролетных строений железнодорожных мостов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения - Государственное высшее учебное заведение "Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры", Днепропетровск, 2011.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов деградации металлических пролетных строений железнодорожных мостов и путей увеличения их эксплуатационного ресурса.

В диссертационной работе представлен обзор технического состояния металлических пролетных строений железнодорожных мостов Украины, проведены исследования, направленные на восстановление эксплуатационного ресурса существующих металлических пролетных строений, увеличение их грузоподъемности. Проведен анализ характерных повреждений пролетных строений усталостного характера, анализ причин возникновения трещин усталости.

Проведено сравнение способов ремонта, торможения трещин усталости, а так же влияние на процессы трещинообразования различных типов мостового полотна.

Представлены теоретические исследования напряженно-деформируемого состояния элементов металлических пролетных строений методом конечных элементов с использованием программного комплекса Selena 4.1.1. Определены основные факторы, влияющие на грузоподъемность и эксплуатационный ресурс пролетных строений.

Теоретические исследования проводились на примере пролетного строения с ездой понизу с расчетным пролетом 55 м.

В качестве расчетной модели принято пространственную модель из конечных элементов в виде пластин, которые моделируют балочную клетку.

В ходе теоретических исследований было установлено, что зона максимальных напряжений расположена несколько выше места прикрепления вертикального ребра жесткости к вертикальной стенке балки, что совпадает с местом зарождения трещин в эксплуатируемых пролетных строениях.

Представлены теоретические и экспериментальные исследования работы системы "плита - прокладной слой - балка" при различных усилиях затяжки шпилек и вариантах использования прокладного слоя из древесины и из бетона. В результате проведенных исследований установлено, что конструкция при усилии натяжения шпилек 200кН имеет недопустимые местные деформации верхнего пояса продольной балки, имеет место местное смятие древесины, возникают опасные растягивающие напряжения по верхней фибре плиты мостового полотна.

В результате теоретических исследований определена оптимальная величина усилия затяжки шпилек. Установлено, что сила натяжения шпильки менее 50кН недопустима из-за возможного расслоения (отрыва) конструкций системы. При натяжении более 100кН возникают опасные местные напряжения в элементах конструкции. При проведении натурных испытаний подтверждена целесообразность применения сплошной железобетонной плиты мостового полотна, включенной в совместную работу с продольными балками, грузоподъемность которых недостаточна.

Проведены экспериментальные исследования эффективности способов торможения развития трещин усталости.

Впервые для железнодорожных мостов, находящихся в эксплуатации, использована технологии заваривания трещин, модернизации отдельных элементов с использованием сварки с последующей высокочастотной механической проковкой. Эффективность технологии подтверждена как в процессе лабораторных исследований, так и при ремонте с последующими испытаниями натурного объекта.

Приведены результаты экспериментальных исследований балочной клетки пролетного строения со сквозными фермами с ездой понизу расчетным пролетом 55.0 м при использовании различных типов мостового полотна.

В ходе исследований получены следующие результаты:

- прогиб продольной балки с мостовым полотном на сплошной плите от действия временной загрузки на 13% меньше по сравнению с прогибом при использовании типовой конструкции БМП, и на 30% меньше по сравнению с прогибом при использовании мостового бруса;

- коэффициент понижения расчетного сопротивления стали за счет усталости г_w = 0,6 - 0,66 при коэффициенте асимметрии цикла напряжений с =-0,725 до -0,988. при использовании деревянного бруса; г_w = 0,73 - 0,85 при коэффициенте асимметрии цикла напряжений с=-0,545 при использовании плит БМП;

В выводах обобщены полученные в работе новые научные результаты теоретических и экспериментальных исследований, отмечена высокая эффективность ремонтной методики заваривания трещин усталости с последующей высокочастотной механической проковкой, использования сталежелезобетонной конструкции безбалластного мостового полотна для увеличения эксплуатационного ресурса металлических пролетных строений железнодорожных мостов.

Результаты диссертации внедрены при капитальном ремонте железнодорожных мостов через р. Ворскла на 333 км участка Полтава - Харьков Южной железной дороги; через р. Сура на 248 км участка Днепропетровск - Апостолово Приднепровской железной дороги.

Ключевые слова: металлические пролетные строения, эксплуатационный ресурс, грузоподъемность, трещины усталости, безбалластное мостовое полотно, напряженно-деформированное состояние, выносливость.

Lynnyk G.O Recovery of Exploitation Resource and Increasing Bearing Capacity Span of Railway Bridges. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of a candidate of sciences (technics) by speciality 05.23.01 - building constructions, buildings and structures.- State higher educational establishment "Prydniprovs'ka state academy of civil engineering and architecture", Dnipropetrovs'k, 2011.

Dissertation is devoted to theoretical and experimental research of principal reasons of diminishing of remaining resource, decline of carrying capacity of metallic beam structures and developing complex method of lengthening of operating resource of metallic beam structures of railway bridges.

The general technical state of metallic railway bridges of Ukraine is evaluated, the reasons of origin of damages of metallic bridges of fatigued character are analysed, researched tensely deformed consisting of elements of metallic beam structures depending on the bridge linen which is used, influence of type bridge linen on the carrying capacity and longevity and lengthening of operating resource of metallic beam structures of railway bridges.

The results of dissertation are inculcated at fundamental repair of rail bridges through river Vorskla on 333 km Poltava - Kharkiv section of the South Railway; through river Sura on 248 km Dnipropetrovsk - Apostolove section of the Pridniprovskay Railway.

Keywords: metallic beam structures, operating resource, carrying capacity, cracks of fatigue, antiballistic bridge linen, tensely deformed consisting, endurance.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Актуальність роботи зумовлена нагальною потребою збільшення ресурсу залізничних металевих мостів, що експлуатуються на залізницях України.

На залізницях України експлуатується 929 металевих мостів, на яких установлено 2159 прогонових будов. Із зазначених металевих прогонових будов 298 - вважаються дефектними, 1007 мають недостатній клас навантаження.

За таких умов особливої актуальності набуває питання визначення реального експлуатаційного ресурсу прогонових будов та визначення шляхів його збільшення.

Дослідження, спрямовані на продовження експлуатаційного ресурсу та збільшення вантажопідйомності металевих прогонових будов з низьким класом навантаження, запровадження нових конструкцій мостового полотна мають виключно важливе значення для забезпечення безпеки руху поїздів та необхідної пропускної спроможності залізниць.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження експериментального, теоретичного та прикладного характеру виконані згідно з тематикою науково-дослідницьких робіт, що виконувались згідно з галузевим планом Державної адміністрації залізничного транспорту України за темами: 128/06-Цтех-321/06-ЦЮ від 02.10.2006 "Дослідження та розробка технології підсилення, ремонту та збільшення експлуатаційного ресурсу суцільностінчастих зварних прогонових споруд", 17/08-Цтех- 0277/08- ЦЮ від 18.04.2008 "Проведення досліджень та розробка технічних вказівок з укладання плит БМП на прогонових будовах з низьким класом навантаження", 140/08-Цтех- 0529/08-ЦЮ від 16.07.2008 "Проведення досліджень та удосконалення проїзної частини зварних металевих прогонових споруд залізничних мостів та розробка технологічного регламенту їх ремонту".

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень експлуатаційного ресурсу металевих прогонових будов залізничних мостів є визначення та аналіз основних причин їх деградації та науковий пошук шляхів подовження ресурсу і збільшення вантажопідйомності. Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані та розв'язані наступні основні науково-технічні завдання:

- об'єктивно оцінити загальний технічний стан металевих мостів, проаналізувати причини пошкодження металевих мостів втомлювального характеру;

- дослідити напружено-деформований стан окремих елементів металевих прогонових будов при використанні різних типів мостового полотна, вплив типу мостового полотна на вантажопідйомність та довговічність, подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових будов залізничних мостів;

- теоретично та експериментально дослідити ефективність конструкції мостового полотна на залізобетонних плитах, об'єднаних у сумісну роботу з балками проїжджої частини прогонових будов;

- експериментально перевірити ефективність способів ремонту металевих прогонових будов залізничних мостів щодо подовження їх експлуатаційного ресурсу.

Об'єкт дослідження - металеві прогонові будови залізничних мостів.

Предмет дослідження - відновлення експлуатаційного ресурсу та підвищення несучої здатності металевих прогонових будов залізничних мостів.

Методи дослідження. У рамках дисертаційної роботи застосовувались експериментальні методи досліджень, аналітичні методи будівельної механіки та теорії пружності, методи чисельного математичного моделювання напружено-деформованого стану досліджуваних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше теоретично та експериментально досліджений напружено-деформований стан плити безбаластного мостового полотна під статичним та динамічним навантаженням, виявлені причини утворення тріщин під час експлуатації;

- теоретично та експериментально доведено збільшення експлуатаційного ресурсу та вантажопідйомності прогонових будов мостів завдяки об'єднанню залізобетонних плит безбаластного мостового полотна (БМП) з поздовжніми балками проїжджої частини прогонової будови мосту у сталезалізобетонну конструкцію;

- у результаті чисельного моделювання роботи балкової клітки прогонової будови були виявлені причини виникнення тріщин втоми у зоні вузла з'єднання ребра жорсткості зі стінкою балки;

- вперше розроблено галузевий нормативний документ із ремонту елементів прогонових будов залізничних мостів за допомогою зварювання і високочастотної механічної проковки (ВМП).

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результати досліджень знайшли застосування у практиці проектування, реконструкції та ремонту залізничних мостів. Найбільш вагомими практичними надбаннями дослідження є:

- визначення раціональних параметрів елементів мостового полотна за результатами теоретичних досліджень напружено-деформованого стану системи "плита-прокладний шар-балка", проведених методом скінчених елементів, обґрунтовано оптимальну силу натягу шпильок, що суттєво покращує роботу в умовах циклічних навантажень та збільшує експлуатаційний ресурс конструкцій;

- галузевий нормативний документ Укрзалізниці - технологічний регламент із ремонту зварюванням пошкоджених тріщинами втоми елементів прогонових будов залізничних мостів (ЦП - 0214 чинний 01.12.2009);

- рекомендації з огляду, підсилення, ремонту та збільшення експлуатаційного ресурсу суцільностінчастих зварних прогонових будов (ЦП - 0176), затверджено наказом Укрзалізниці № 202-Ц від 03.04.2007

- результати роботи були використані при ремонті прогонових будов мосту через ріку Ворскла на 333 км лінії Київ-Харків та при капітальному ремонті мосту через річку Сура на 248 км залізничної дільниці Дніпропетровськ -Апостолове.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень, експериментальні дані, нова модель напружено-деформованого стану та теоретичні залежності "системи плита-прокладний шар-балка", отримані здобувачем самостійно.

У спільних публікаціях автором оброблені, проаналізовані та узагальнені їх результати, розроблені конструкція та методики розрахунку елементів прогонових будов залізничних мостів при застосуванні мостового полотна, включеного у спільну роботу з поздовжніми балками, виконане порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними, складені висновки з проведених досліджень.

В опублікованих працях у співавторстві [1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 12,13, 15] здобувачу належать наступне:

- порівняльний аналіз існуючих методів ремонту металоконструкцій металевих прогонових будов залізничних мостів;

- програма експериментальних досліджень, аналіз та узагальнення лабораторних даних;

- результати експериментальних досліджень натурних об'єктів при виконанні ремонту тріщин втоми методом заварювання з послідуючою високочастотною механічною проковкою;

- моделі напружено-деформованого стану та методика розрахунку "системи плита-прокладний шар-балка";

- дослідження та впровадження навої конструкції улаштування безбаластного мостового полотна із застосуванням приварних шпильок.

- всі експерименти, зазначені в роботі та публікаціях, виконані під керівництвом та за безпосередньої участі здобувача.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались:

- на Міжнародній науково-практичній конференції "Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика" у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту 11-12 жовтня 2007 р.;

- на VII міжнародному симпозіумі "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій" - м. Київ, 12-16 листопада 2007 р;

- на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми теорії споруд, проектування, будівництва та експлуатації мостів" - м. Київ, 20-21 березня 2008 р;

- на Міжнародній науково-практичній конференції "Збірно-монолітні і збірні попередньо-напружені залізобетонні конструкції та мости" - м. Львів, 12-14 травня 2010 р.

- на Міжнародній науково - практичній конференції "Мости та тунелі: Теорія дослідження практика" м. Дніпропетровськ 27 - 28 травня 2010 р.

Публікації. За результатами дисертації опубліковані 15 друкованих робіт, у тому числі: статей, надрукованих у виданнях згідно переліку ВАК України - 11, матеріалів та тез конференцій - 4.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 107 найменувань та додатків на 14 сторінках. Дисертація включає 152 рисунки і 19 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 209 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та апробацію одержаних результатів, практичну цінність.

У першому розділі представлений огляд особливостей конструкції і критичний аналіз сучасного технічного стану металевих мостів на залізницях України та фактори, що визначають їх експлуатаційний ресурс. Питаннями продовження експлуатаційного ресурсу з позицій тріщиностійкості металів та зварних з'єднань на протязі багатьох років займаються вчені Інституту електрозварювання ім. Патона НАН України (Патон Б.Є., Труфяков В.І., Лобанов Л.М., Кирьян В. І., Шимановський А. В). Додатково слід відзначити фахівців Московського інституту інженерів залізничного транспорту та Науково-дослідного інституту мостів Петербургського університету шляхів сполучення (Росія) Євграфова Є.К., Осипова В.О., Зінкевича В.А. Петропавлівського А.А., Новожилову Н.І., які на протязі багатьох років займалися дослідженням та класифікацією тріщин, що виникали у залізничних мостах. Питаннями вантажопідйомності залізничних мостів на Україні займалась Лабораторія штучних споруд ДІІТу (Бондар М.Г., Закора О.Л., Тарасенко В.П., Борщов В.І.). Значний вклад у формування системи оцінки технічного стану мостів, прогнозування залишкового ресурсу їх елементів внесли фахівці Київського національного транспортного університету(НТУ) Лантух-Лященко А.І., Беспалов Л.М, Клименко М.І.

У розділі проаналізовано дефекти прогонових будов залізничних мостів втомлювального характеру. Значний, якщо не вирішальний вплив на довговічність прогонових будов має конструкція мостового полотна.

Таблиця 1. Основні характеристики мостового полотна

	Тип мостового полотна	Власна вага, т/пог.м	Центральна передача тимчасового навантаження	Захист конструкцій мосту від корозії	Нормативна довговічн. (рік)
1	на щебеневому баласті	6.2	забезпечена	забезпечена	50 (15)*
2	на дерев'яних мостових брусах	0,8	не забезпечена	не забезпечена	до 10**
3	на залізобетонних плитах БМП	2.8	частково забезпечена	забезпечена	до 50**
Примітки:* - у дужках вказана нормативна довговічність верхньої будови колії; ** - нормативна довговічність визначена Положенням про проведення планово - запобіжних ремонтно-колійних робіт на залізницях України.

Звісно, статичну складову тимчасового навантаження на прогонову будову конструкція мостового полотна не змінить, але може забезпечити певний поглинаючий динамічний ефект чи мінімальну позацентровість передачі зусилля на балки.

У прогонових будовах зі наскрізними фермами з їздою низом мостове полотно влаштовують на проїжджій частині, яка складається з поперечних та поздовжніх балок. Саме експлуатаційний ресурс, надійність поздовжніх балок балочної клітки у решті решт визначає вантажопідйомність та експлуатаційний ресурс всієї прогонової будови, тому саме дослідженню останніх у роботі приділено найбільшу увагу.

У другому розділі представлено теоретичні дослідження напружено - деформованого стану елементів металевих прогонових будов. Визначено основні чинники, що впливають на вантажопідйомність прогонів та обумовлюють зародження тріщин втоми у поздовжніх балках прогонових будов.

Для теоретичних досліджень використано прогонову будову з наскрізними фермами з їздою низом з розрахунковим прогоном 55 м. Дослідження проводились у панелі 2-3. У якості тимчасового прийнято навантаження від локомотива 2ТЕ 116. Завантаження конструкції проводилось поетапно окремо для різних типів мостового полотна, а саме: для мостового полотна на дерев'яному брусі,на залізобетонних плитах, укладених за типовою схемою та плитах, об'єднаних у стале залізобетонну конструкцію.

Теоретичні дослідження проводились за допомогою методу скінченних елементів з використанням універсального програмного комплексу для розрахунку будівельних конструкцій Selena 4.1.1. У якості розрахункової моделі поздовжньої балки було прийнято просторову модель зі скінченних елементів у вигляді пластин, що моделюють поздовжню балку даної прогонової будови (рис. 1).



Рис. 1. Розрахункова схема поздовжньої балки.

Проаналізувавши поля напружень, можна констатувати суттєву концентрацію напружень у області прикріплення вертикальних ребер жорсткості до вертикальної стінки балки, обумовлену позацентровим прикладенням тимчасового навантаження, при цьому стінка балки у місці приєднання до неї ребра жорсткості перебуває у складному напружено-деформованому стані. Згідно з результатами досліджень, проведеними на чисельній моделі, визначено, що точка максимальних напружень знаходиться на декілька сантиметрів вище початку вертикального шва прикріплення ребра до стінки балки. Саме в цих місцях найчастіше фіксуються тріщини втоми у вертикальних стінках поздовжніх балок прогонових будов залізничних мостів.

За допомогою метода скінченних елементів у програмному комплексі Selena 4.1.1 визначені напруження у поздовжніх балках від тимчасового навантаження з врахуванням постійного навантаження від мостового полотна різних типів. Результати розрахунку надані у вигляді графіка (рис.2).



Рис. 2. Результати теоретичного розрахунку прогонової будови

На графіку: Т1 - напруження по верхньому поясу балки; Т3 - напруження по нижньому поясу балки; (1) - напруження для мостового полотна на дерев'яних брусах; (2) - напруження для мостового полотна при типовій схемі укладання БМП; (3) - напруження для плит БМП, об'єднаних у сталежалізобетонну конструкцію

Об'єднання плити з поздовжніми балками дає змогу максимально ефективно використати переваги обох елементів - металевої балки та залізобетонної плити. Проаналізувавши поля розподілу нормальних напружень в балці, стає зрозумілим, що при забезпеченні подібного рішення залізобетонна плита буде знаходитись у стисненій зоні, де залізобетон працює найбільш ефективно, а практично весь переріз металевої поздовжньої балки - у розтягнутій (нейтральна вісь проходить по верхній полиці балки).

Перспективним, з точки зору забезпечення довговічності конструкції, є застосування приварних шпильок для прикріплення плит мостового полотна, що забезпечує центральну передачу на балки тимчасового навантаження. У розділі надано особливості розрахунку об'єднання сталезалізобетонної балки за допомогою приварних шпильок з врахуванням їх напруження від попереднього натягу .

де - сила натягу шпильки, кН;

- робоча площа перерізу шпильки, см ².

У роботі запропонована методика щодо визначення доцільності застосування сталезалізобетонної конструкції безбаластного мостового полотна. Вантажопідйомність балок визначається з припущення, що мінімальний клас балок був визначений з розрахунку на міцність по нормальним напруженням.

Клас за вантажопідйомністю балки з об'єднаною плитою буде визначатись з виразу:

,

де - клас поздовжньої балки з розрахунку на міцність за нормальними напруженнями із типовими плитами БМП ;

W_пб - момент опору поздовжньої балки;

W_зв - момент опору зведеного перерізу;

т - коефіцієнт, що враховує можливість неповного об'єднання плити та балки, т = 0,9.

Коефіцієнт збільшення несучої здатності поздовжніх балок визначається з виразу:

,

- клас поздовжньої балки з розрахунку на міцність за нормальними напруженнями з мостовим полотном на дерев'яному брусі;

за умови використання об'єднаної плити БМП обґрунтоване

У розділі 3 проведено дослідження напружено деформованого стану системи "плита - прокладний шар - балка", проаналізовано відомі способи об'єднання залізобетонної плити і металевих балок у сумісну роботу.

За даними теоретичних досліджень напруження в поздовжніх балках зменшується більш ніж на 30%. Для детального дослідження напружено-деформованого стану конструкції змодельована частина плити, сперта через дерев'яну підкладку на верхній лист поздовжньої балки. У якості навантаження було використано дві зовнішні сили, що моделювали притиснення плити до балки. Верхній лист поздовжньої балки змодельований як пластина, на яку спирається підкладка. Ширина пластини - 0,3м, товщина - 0,12м.

Рис. 3. Розрахункова схема системи "плита-прокладний шар- балка"

Аналіз напружень та деформацій дерев'яної підкладки свідчить про наявність зминання деревини у зоні шпильки. Місцеві напруження в матеріалі підкладки суттєво перевищують граничну міцність деревини на зминання. Для забезпечення надійної роботи плити необхідно замінити дерев'яну підкладку на елемент з більшою жорсткістю та зменшити до оптимального значення зусилля натягу шпильок, оскільки суттєві деформації верхнього листа балки є фактором, що негативно впливає на довговічність конструкції. залізничний міст вантажопідйомність ремонт

Розрахунок місцевих деформацій системи плита-прокладний шар - балка проведено з варіантами величини натягу високоміцної шпильки - 200 кН, 100кН, 50кН та без затягування шпильки.

У результаті розрахунку були побудовані поля деформацій для кожного випадку, а також поля головних напружень. Важливою для подальшого аналізу була побудова полів нормальних напружень по осям X та Y, а також поля дотичних напружень.

Узагальнені результати розрахунку плити з балкою на місцеві навантаження зведені до таблиці 2. У даній таблиці знак "-", означає, що конструкція стискається, знак "+" - розтягується

Таблиця 2. Результати розрахунку плити та поздовжньої балки на місцеві навантаження

Натяг, кН	Деформації у полиці	Напруження у полиці	Напруження у плиті	Прокладний шар на відрив
	деформація Ux	деформація Uz	ух, МПа	уу, МПа	фху, МПа	ух, МПа	уу, МПа	фху, МПа	уу, МПа
200	-1,80E-06	2,30E-05	-47,70	-41,10	64,8	-11,700	-0,8940	3,240	-0,7450
100	-1,86E-06	1,72E-05	-23,00	-20,20	13,90	-0,2620	0,2310	0,1300	-0,2350
50	-	-	-7,03	-2,92	3,40	-0,0671	0,2280	0,0177	0,0210
0	-1,97E-06	1,13E-05	0,86	0,68	0,68	-0,0256	0,3000	0,0344	0,2760

При забезпеченні сили натягу у шпильках менше 5 т можливий місцевий відрив прокладного шару від плити або балки, наслідком якого є утворення тріщини у цьому місці.

Графіки зміни напружень у конструкції у залежності від величини натягу шпильок представлені нижче (рис. 4-7).



При досягненні повного об'єднання залізобетонної плити безбаластного мостового полотна з балками суттєво збільшується їх вантажопідйомність Особливо актуальним це питання є для старих мостів, що були запроектовані свого часу під навантаження Н-7; улаштування щільного і достатньо міцного прокладного шару між балкою та плитою практично знімає всі запитання щодо тріщиностійкості плити під дією місцевих навантажень; експлуатаційний ресурс поздовжніх балок суттєво збільшується у наслідок усунення ексцентриситету обпирання плит на них.

У четвертому розділі представлені експериментальні дослідження щодо відновлення експлуатаційного ресурсу металоконструкцій прогонових будов залізничних мостів, що експлуатуються.

Відновлення експлуатаційного ресурсу металоконструкцій прогонових будов залізничних мостів, що експлуатуються, можливо досягти шляхом застосування конструктивних заходів попередження зародження тріщин втоми. Серед них найбільш ефективними є модернізація вузла прикріплення вертикального ребра жорсткості прогонової будови до горизонтального листа; використанню безбаластного мостового полотна (БМП) на залізобетонних плитах, що забезпечує центровану передачу навантаження від рухомого складу на головні балки.

У розділі представлені результати досліджень ефективності високочастотної механічної проковки (ВМП) для підвищення опору втомі металоконструкцій, які перебувають в експлуатації і мають значне накопичення втомних пошкоджень в зонах концентраторів напружень. Випробування на втому проводили при віднульовому циклі змінного навантаження (R_у = 0) на зразках із сталі Ст 3сп.

Рис. 8. Графіки втоми таврових зварних з'єднань (Ст 3сп): Ў - вихідний після зварювання стан; о - ВМП відразу після зварювання; - ВМП після випробування до 50% довговічності; ¦ - те саме до 95%.

Перша серія зразків була у вихідному стані після зварювання, друга - оброблена ВМП одразу після зварювання, третя - оброблена ВМП після циклічного навантаження і накопичення в зварних з'єднаннях втомних пошкоджень на рівні приблизно 50% і 95% від тих, які відповідають зародженню тріщини.

Отримані графіки втоми (рис. 8) демонструють підвищення довговічності зразків третьої серії (залиті кружки), випробуваних в діапазоні змін напружень у_max = 175…225 МПа, порівнюючи зі зразками першої (залиті трикутники) та другої (світлі кружки) серій відповідно на порядок і більше ніж у 2 рази. При цьому межі витривалості на базі 2·10⁶ циклів теж зросли порівняно з вихідним станом відповідно на 66 і 50 %.

Підвищення рівня напружень у_max = 175…225 МПа при напрацюванні 50% довговічності й випробуванні зразків третьої серії пов'язані з тим, що навіть після накопичення близько 95% пошкоджень від втомленості й ВМП довговічність виявилась більше нормативної 2·10⁶ циклів (залитий квадрат на рис. 8).

Таблиця 3. Результати експериментальних досліджень ефективності способів

№	Спосіб гальмування тріщини	N циклів	Кд
1	Вихідний стан	35000	1
2	Висвердлювання отворів ? 23мм	52200	1,45
3	Висвердлювання отворів ? 23мм з послідуючою наклепкою поверхні отворів високочастотною механічною проковкою	84500	2,41
4	Установка у отвори високоміцних болтів ?22мм з натягом 20тс.	730550	20,87
5	Локальне нагрівання	668300	19,09
6	Ремонт тріщини заварюванням	1450000	41,43
7	Ремонт тріщини заварюванням з послідуючою високочастотною механічною проковкою	2000000

Результати ефективності способів гальмування тріщин, досліджено в лабораторних умовах, і надано в таблиці 3. Ефективність застосування технології заварювання тріщин втоми з послідуючою ВМП досліджено на діючому залізничному мості ч/р Ворскла лінії Київ-Харків. З метою оцінки технічного стану мосту та проведення моніторингу у післяремонтний період до початку ремонтних робіт були проведені його випробування з використанням комплексу акустичної емісії АЕ ГАЛС-1, який дає можливість проводити локацію джерел АЕ. У якості випробувального навантаження було використано 12-вісний тепловоз 2ТЕ 116 масою 276 т, з осьовим навантаженням 225,4 кН.

Перетворювачі акустичної емісії (ПАЕ) установлювалися на вертикальні листи лівих поздовжніх балок. Усього було встановлено 7 ПАЕ на відстані не більше 3,5 м.

При першому статичному завантаженні було отримано 9583 сигнали АЕ, за якими були злоковані 406 подій.

Тріщини, виявлені під час випробувань були заварені та оброблені з використанням високочастотної механічної проковки.

Після проведення ремонтних робіт були проведені повторні випробування прогонової будови з використанням комплексу акустичної емісії ГАЛС - 1, за програмою, аналогічною попереднім.

Локаційна картина діаграми розподілу амплітуд сигналів АЕ уздовж локаційної координати і їхнє порівняння з даними попереднього випробування, вказують на відсутність індикації АЕ в місцях, де раніше були розташовані тріщини, що підтверджує ефективність проведених ремонтних робіт. Досвід експлуатації даної прогонової будови на протязі 2-х років після ремонту довів ефективність прийнятого методу ремонту.

Таким чином ми можемо констатувати що завдяки проведеним ремонтним роботам відбувся процес із відновленням, тобто процес, який повертає елемент із стану і до вищого стану j., що відповідає новим фізико-механічним властивостям елемента з ресурсом Т_pj >T_i..

У розділі 5 наведено результати експериментальних досліджень балкової клітки з різними типами мостового полотна, проведених на мостовому переході через ріку Сура на 248 км дільниці Дніпропетровськ - Лошкарівка.

У якості піддослідної конструкції було використано металеву прогонову будову з наскрізними фермами із їздою низом розрахунковим прогоном 55м. У якості тимчасового навантаження використовувався локомотив 2ТЕ 116.

Задачею експерименту є дослідження технічних параметрів конструкції при використанні мостового полотна на дерев'яному брусі та на плитах БМП, укладених за типовою схемою та при об'єднанні у сталезалізобетонну конструкцію залізобетонної плити мостового полотна та поздовжніх балок металевої прогонової будови, а також дослідження напружено - деформованого стану плити БМП, при різних зусиллях натягу шпильок.

Для проведення натурних випробувань розроблено конструкцію об'єднання поздовжніх балок та плит БМП із використанням гнучких приварних анкерів - шпильки з різьбою М 22, приварених напівавтоматичним методом до верхнього поясу поздовжніх балок.

Графік зміни напружень в поясах поздовжньої балки під дією тимчасового навантаження надано на рис. 9.

При порівнянні даних констатуємо значний збіг результатів теоретичного розрахунку та експерименту як у якісному, так і у кількісному відношенні.

Заміна мостового полотна на дерев'яних брусах на мостове полотно на залізобетонних плитах (БМП) викликає не тільки кількісну, а й якісну зміну напружень в стінці балки. Аналіз свідчить про роботу стінки поздовжньої балки на позацентровий стиск. При цьому, якщо з мостовим полотном на дерев'яних брусах, зовнішня поверхня стінки поздовжньої балки від дії тимчасового навантаження переважно розтягнута, то з мостовим полотном на залізобетонних плитах БМП - навпаки стиснута. Внутрішня поверхня стінки поздовжньої балки при різних конструкціях мостового полотна під дією тимчасового навантаження працює у знакоперемінному режимі.



Рис. 9. Графік зміни напружень у поясах балки при різних схемах навантаження (середні значення)

При цьому, якщо на поздовжню балку укладене мостове полотно на дерев'яних брусах, то при дії тимчасового навантаження коефіцієнт асиметрії циклу () для перерізу стінки поздовжньої балки змінюється від -0,725 до -0,988. Той же переріз стінки поздовжньої балки з мостовим полотном на стінках БМП характеризується коефіцієнтом асиметрії циклу . У першому випадку коефіцієнт змінюється в межах від 0,6 до 0,66, а в другому - від 0,73 до 0,85, що свідчить про більш сприятливі умови роботи перерізу стінки поздовжньої балки з мостовим полотном на залізобетонних плитах на витривалість.

У межах даного експерименту було виконано вимірювання напружень по верхній грані плити при різних ступенях натягу високоміцних шпильок. Дані показань знімались за допомогою тензорезисторів, розташованих у трьох перерізах - (1-1), розташований над віссю поздовжньої балки; (2-2), розташований між рейкою та контркутником; (3-3), розташований по осі колії (табл. 4).

Таблиця 4. Результати статичних випробувань плити

Переріз	Натяг шпильки 80кН	Натяг шпильки 100кН	Натяг шпильки 120кН
		у, МПа		у, МПа		у, МПа
1-1	0,529	0,02	-2,95	-0,1	-3,89	-0,14
2-2	47,35	1,7	50,01	1,8	57,55	2,07
3-3	29,64	1,07	33,45	1,21	36,65	1,32

Із отриманих результатів можна констатувати наявність суттєвих розтягувальних напружень на поверхні плити, що збільшується при збільшенні натягу шпильок, максимальне виміряне значення складає 2,07 МПа, що практично рівне граничному значенню =2,1 МПа.

Висновки

1. Виконаний у рамках дисертації аналіз сучасного технічного стану металевих залізничних мостів України свідчить про наявність негативних тенденцій щодо зменшення експлуатаційного ресурсу цих споруд через невідповідність вимогам сучасного навантаження об'єктів, що збудовані за застарілими нормами та накопичення дефектів втомлювального характеру.

2 Основними пріоритетними заходами з подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових будов залізничних мостів визначено проведення ремонтних робіт, спрямованих на усунення наявних дефектів втомлювального характеру, модернізації вузлів прогонових будов та мостового полотна, спрямованих на відновлення експлуатаційного ресурсу.

3. Розроблено моделі напружено-деформованого стану та методологію розрахунку елементів прогонових будов, які обґрунтовано лабораторними дослідженнями та перевірено на реальних об'єктах ефективність усунення тріщин втоми методом їх заварювання, що підвищує довговічність елемента у порівнянні із вихідним станом більш ніж у 40 разів, а у комплексі з високочастотною механічною проковкою до межі нормативної - 2·10⁶ циклів.

4. Досліджено напружено-деформований стан поздовжніх балок при використанні різних типів мостового полотна. Теоретично обґрунтовано та перевірено на реальному об'єкті ефективність використання безбаластного мостового полотна на залізобетонних плитах, зокрема об'єднаних у стале залізобетонну конструкцію з поздовжніми балками, що дозволяє до 30% збільшити вантажопідйомність поздовжніх балок та забезпечити подовження експлуатаційного ресурсу прогонової будови вцілому.

5. За допомогою розробленої скінченно-елементної моделі проведено дослідження напружено-деформованого стану безбаластного мостового полотна як єдиної системи "плита-прокладний шар-балка". У результаті теоретичних досліджень перевірених на реальних об'єктах оптимальним визначено зусилля для затягування шпильки 5-10т. Існуючі нормативні вимоги що до необхідності забезпечення зусилля 20 тс визнані неприпустимими.

6. Вперше застосовано приварні шпильки для кріплення плит БМП, що значно підвищує надійність та довговічність конструкцій за рахунок центрального прикладання тимчасового навантаження на повздовжні балки та ліквідації розтягуючих зусиль на верхній фібрі плит БМП. Результати досліджень напружено-деформованого стану плит мостового полотна та поздовжніх балок, отримані при випробування прогонової будови, підтвердили ефективність, технологічність конструкції.

7. Отримані у рамках дисертаційної роботи результати стали основою двох нормативних документів Укрзалізниці, спрямованих на подовження експлуатаційного ресурсу металевих прогонових будов залізничних мостів та наблизили створення нормативного документу рівня ГСТУ .

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Линник Г.О. Продовження терміну експлуатації зварних металевих прогонових будов мостів з тріщинами втоми / В.І. Кир'ян, В.В. Книш, Г.О. Линник // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - К.: НТУ, 2006.- Вип. 73. - С. 121-125.

2. Линник Г.О. Утримання штучних споруд на залізницях України / Г.О. Линник // Дорожня галузь України. - 2007. - № 1. - С. 31-32.

3. Линник Г.О. Испытания стальных пролетных строений мостовых конструкций при помощи АЭ комплекса ГАЛС-1 / Г.О. Линник, Д.Л. Ивашкевич, Д.В. Галаненко // Неразрушающий контроль. - 2007. - №3. - С. 18-21.

4. Рекомендації з огляду, підсилення, ремонту та збільшення експлуатаційного ресурсу суцільностінчатих зварних прогонових будов / [В.І. Кир'ян, В.О. Ковтуненко, В.Д. Позняков, В.В. Книш, І.І. Вальтеріс, В.М. Мірянін, О.В. Войтенко, В.О. Яковлєв, В.О. Систренський, Д.Л. Івашкевич, Г.О. Линник] - К.: "Наш Друк", 2007. - 76 с.

5. Линник Г.О. Причини виникнення тріщин втоми у зварних прогонових будовах / О.Л. Закора, Г.О. Линник // Дороги і мости. - К.: ДерждорНДІ, 2007. - Т.1. Вип. 7.- С. 174-178.

6. Линник Г.О. Испытание пролетных строений железнодорожных мостов с применением метода акустической эмиссии / Г.О. Линник, Д.Л. Ивашкевич // Дороги і мости. - К.: ДерждорНДІ, 2008. - Вип. 9. - С. 145-148.

7. Линник Г.О. Дослідження несної здатності прогонових будов металевих мостів з різними типами мостового полотна / Г.О. Линник // Дороги і мости. - К.: ДерждорНДІ, 2008. - № 9. - С. 141-144.

8. Линник Г.О. Испытание стальных пролетных строений мостовых конструкций при помощи АЭ комплекса ГАЛС-1 / Г.О. Линник, Д. Галаненко // Теорія і практика неруйнівного контролю матеріалів і конструкцій. Серія: Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2008. - № 13. - С. 107-113.

9. Линник Г.О. Забезпечення працездатності зварних суцільностінчатих прогонових будов залізничних мостів / В.І.Кир'ян, В.В Книш, Г.О Линник // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Дніпропетровськ: Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, 2009. - Вип. 27. - С. 181-189.

10. Линник Г.О. Дослідження конструктивних особливостей мостового полотна на безбаластних мостових плитах / Г.О. Линник // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій. - Львів: Каменяр, 2009. - Вип. 8. - С. 685 - 690.

11. Линник Г.О. Систематизація пошкоджень залізобетонних плит безбаластного полотна залізничних мостів / А.А. Плугін, О.А. Забіяка, С.В. Мірошніченко, Г.О. Линник, А.І. Бабенко // Проблеми надійності та довговічності інженерних споруд і будівель на залізничному транспорті. - Харків: УкрДАЗТ, 2009.- Вип. 109. - С. 120 - 131.

12. Технологічний регламент із ремонту зварюванням пошкоджених тріщинами втоми елементів прогонових будов залізничних мостів: ЦП-0214/відповідальний за випуск Г.О. Линник - Київ: ТОВ "НВП Поліграфсервіс", 2009. - 36 с. (Нормативний документ Укрзалізниці. Головне управління колійного господарства).

13. Линник Г.О. Експериментальні дослідження несучої здатності повздовжніх металевих балок залежно від типу мостового полотна/ О.Л. Закора, Г.О. Линник, В.В. Марочка // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Теорія і практика будівництва. - Львів: Національний університет "Львівська політехніка", 2010. - №662. - С. 193-195.

14. Линник Г.О. Дослідження місцевих деформацій бетонного прокладного шару при використанні мостового полотна на плитах БМП / Г.О. Линник // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Серія: Теорія і практика будівництва. - Львів: Національний університет "Львівська політехніка", 2010. - №662. - С. 293-295.

15. Линник Г.О. Дослідження роботи стінки поздовжньої балки залізничних металевих мостів при різних типах мостового полотна / О.Л. Закора, Г.О. Линник, В.В. Марочка // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Дніпропетровськ: Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, 2010. - Вип. 33. - С. 88 - 92.

Размещено на Allbest.ru

...