что такое ортотропная конструкция
Ортотропные плиты автодорожных мостов
Страницы работы
Содержание работы
ОРТОТРОПНЫЕ ПЛИТЫ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ
В последние десятилетия в конструкциях автодорожных мостов для уменьшения их собственного веса широко применяется металлический настил, одновременно служащий в качестве проезжей части передающей временную нагрузку на главные несущие элементы, развитого верхнего пояса основной несущей конструкции, верхних и (или) нижних продольных связей. Такой настил состоит из листа, к которому с одной стороны приварена система продольных и поперечных ребер жесткости, в результате чего образуется достаточно жесткая ортотропная плита (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная конструкция коробчатого пролетного строения
с ортотропной плитой проезжей части и нижней ребристой плитой
1 – ортотропная плита; 2 – главная балка; 3 – связи между коробками; 4 – домкратная балка;
5 – связи меду балками; 6 – нижняя ребристая плита; 7 – поперечное ребро
В большинстве случаев металлический настил состоит из нескольких плит по длине и ширине пролетного строения моста (см. рис. 1). Горизонтальные листы плит, их продольные и поперечные ребра жесткости соединены сваркой или высокопрочными болтами (в отдельных проектах, с целью исключения монтажной сварки, не только ребра, но и листы настила между собой и с поясами балок соединены болтами).
В пролетных строениях в качестве ребер плит используют полосы (рис. 2) или профили – двутавровые балки, сварные или полученные при разрезке двутавров тавры, уголки, бульбо-профили, гнутые профили (трапецеидальные, треугольные, прямоугольные), разрезанные вдоль и целые швеллеры, сварные замкнутые профили и т.п. (рис. 3 и 4). Здесь следует отметить, что опыт изготовления на заводах плит с продольными ребрами различного профиля показал, что полосовые ребра с точки зрения технологичности их производства предпочтительнее, поэтому практически все изготовленные за последние годы рядовые плиты имеют полосовые продольные и тавровые поперечные ребра жесткости.
Рис. 2. Монтажная секция ортотропной плиты унифицированной конструкции
с продольными ребрами полосового сечения
Рис. 3. Монтажная секция ортотропной плиты
с продольными ребрами коробчатого сечения (мост через Волгу в Ульяновске)
Рис. 3. Монтажная секция проезжей части
с продольными и поперечными ребрами плиты таврового сечения
(балка жесткости вантового моста через Неву в Санкт-Петербурге)
Следует отметить, что лист настила плит работает под распределенной покрытием местной нагрузкой как пластинка-мембрана, опертая на продольные ребра. Продольные ребра работают совместно с листом настила в качестве элементов проезжей части, преимущественно на изгиб от местной нагрузки, и в составе балки жесткости преимущественно на осевые силы. Элементы ортотропных плит рассчитывают на местные вертикальные нагрузки, а полученные усилия суммируют с усилиями от работы плиты в составе балки жесткости. Действительная работа ортотропной плиты под местной нагрузкой имеет ярко-выраженный пространственный характер.
С учетом того, что удельный вес ортотропных плит в объеме производства некоторых заводов достигает 25%, проектными организациями и заводами по изготовлению мостовых конструкций проведена унификация параметров плит, позволяющая повысить оснащенность технологического процесса их изготовления и уменьшить количество переналадок заводских кондукторов.
Ниже представлены некоторые утвержденные к применению параметры рядовых плит:
1. Ширина листа настила – 2480 мм (в обоснованных случаях одна из плит между главными балками может быть принята меньшей ширины);
2. Минимальная толщина листа настила определяемая не прочностью, а жесткостью, для обеспечения трещиностойкости дорожного покрытия – 12 мм (в обоснованных случаях возможно увеличение толщины настильного листа отдельных поперечных рядов ортотропных плит до 14, 16, 20 мм с изменением толщины в монтажных стыках). Во всех случаях, упругие прогибы листа должны быть не более 1/300´а – пролета, равного расстоянию между линиями опирания настила на продольные ребра;
3. Длина листа настила – 10 500 мм;
4. Длина продольных ребер жесткости – 10300 мм;
5. Расстояние по осям продольных ребер жесткости – 300 мм; 350 мм. Этот размер принимается единым для всех плит пролетного строения;
6. Высота полосовых продольных ребер жесткости – 180мм;
7. Толщина полосовых продольных ребер жесткости – 14 мм (в обоснованных случаях при толщине настильного листа до 20 мм толщина продольных ребер жесткости может быть равной толщине настильного листа);
8. Высота тавровых поперечных ребер жесткости – 640 мм; 720 мм; 800 мм (в обоснованных случаях высота тавровых ребер жесткости может быть увеличена на значение, кратное 80 мм). Этот размер принимается единым для всех плит пролетного строения;
9. Расстояние между тавровыми поперечными ребрами жесткости – 3000 мм, 3500 мм. Этот размер принимается единым для всех плит пролетного строения;
10. Монтажные соединения – настильные листы на сварке, продольные и поперечные ребра жесткости на высокопрочных болтах.
Подготовлено с использованием материалов:
Мамлин Г.А. Изготовление конструкций стальных мостов. – М.: Транспорт, 1976. – 360 с.
Что такое ортотропная конструкция
Модульная конструкция с закрытыми ортотропными ребрами жесткости
Термин «ортотропный» используется для описания ортогонально-анизотропной структуры. Данный тип структуры обладает различными механическими свойствами вдоль различных перпендикулярных осей. Использование для описания структуры моста термина «ортотропный» означает, что механические свойства моста вдоль направления движения отличаются от его свойств в поперечном направлении.
Существует несколько типов ортотропных конструкций. ВЕСОВАЯ КОМПАНИЯ ТЕНЗОСИЛА использует конструкцию, которая состоит из настила, укрепленного закрытыми ребрами трапецеидальной формы. Эта проверенная временем конструкция широко применяется при строительстве мостов. В частности, ее использовали при замене поверхности моста Золотые Ворота в США, а также при восстановлении инфраструктуры в послевоенной Германии.
Сравнение конструкции с открытыми и закрытыми ребрами.
Существует множество способов конструирования ортотропной мостовой секции. Двумя наиболее распространенными являются платформа с открытыми ребрами (Рисунок 1) и платформа с закрытыми ребрами (Рисунок 2). Обратите внимание, что конструкция с закрытыми ребрами выполнена из отдельных ребер, а не в виде «сэндвича» из плит и балок. Конструкция типа «сэндвич» не дает такой структурной прочности как конструкция с закрытыми ребрами. Хотя концепции с открытыми и закрытыми ребрами похожи, конструкция с закрытыми ребрами значительно прочнее. Давайте разберемся, почему.
Вес грузовика сконцентрирован в местах приложения нагрузки, где его шины соприкасаются с поверхностью моста.
Чтобы уменьшить давление в точках приложения нагрузки, конструкция моста должна распределять как можно больше нагрузки на соседние ребра. Поскольку конструкция с закрытыми ребрами лучше распределяет нагрузку между несколькими ребрами, она является более прочной и более долговечной.
Обратите внимание, как каждая конструкция реагирует, когда нагрузка концентрируется только над одним из ребер (деформации преувеличены для большей наглядности данного эффекта). В конструкции с открытыми ребрами (Рисунок 3) двутавровые балки, расположенные рядом с точкой приложения нагрузки, изогнуты. Поскольку нагрузка не передается по этим балкам по прямой линии, они несут меньшую долю нагрузки.
В конструкции с закрытыми ребрами (Рисунок 4) жесткость ребер при кручении не позволяет нагрузке их деформировать. В результате соседние ребра дают значительную поддержку, и нагрузка распределяется более равномерно.
Другим преимуществом конструкции с закрытыми ребрами является то, что такие ребра обладают сопротивлением продольному изгибу. На рисунке 5 показано открытое ребро под нагрузкой. Ребро балки может изгибаться вправо или влево, вызывая повреждение ребра. Для защиты ребра от деформации необходимо добавить ему элементы жесткости.
На рисунке 6 показана одна сторона закрытого ребра и направление, в котором оно всегда будет изгибаться. На рисунке 7 изображено закрытое ребро трапецеидальной конструкции. Поскольку каждая сторона будет изгибаться вовнутрь ребра, обе эти силы будут противодействовать друг другу. Плоская секция, соединяющая две стороны, передает нагрузку с одной стороны на другую, устраняя возможность изгиба ребра.
А что, если закрытые ребра были бы квадратными (Рисунок 8), а не трапецеидальными? Как и в конструкции с двутавровыми балками, стороны могут изгибаться в обоих направлениях. Плоское дно ребра хуже, поскольку обе стороны могут изгибаться в одном направлении, что приведет к разрушению ребра.
Сложно определить реальную прочность структуры ортотропного моста. Расчетная прочность обычно составляет лишь долю реальной прочности. Испытания показали, что реальная прочность конструкции с открытыми ребрами в 10,3 раза превышает расчетную. Аналогичное испытание конструкции с закрытыми ребрами не было завершено, поскольку испытательное оборудование сломалось при прочности в 42 раза выше расчетной
Конструкция стальной платформы с закрытыми ортотропными ребрами обладает несколькими дополнительными преимуществами. Три из них позволяют увеличить срок службы весов за счет уменьшения усталости металла и внутренней коррозии.
Конструкция с закрытыми ребрами уменьшает усталость металла, поскольку на участках моста, подверженных наибольшему напряжению, отсутствуют сварные швы. Сварные швы располагаются как можно ближе к нейтральной оси. Что такое нейтральная ось? Когда транспортное средство заезжает на весы, соответствующий элемент конструкции весов изгибается
Его верхняя поверхность сдавливается (подвергается сжатию), а нижняя поверхность растягивается (подвергается растяжению). Степень сжатия уменьшается в направлении вниз от верхней поверхности, а в направлении вверх от нижней поверхности уменьшается степень растяжения.
В некоторой точке возле центра структуры уровень напряжения будет равен нулю (нет ни сжатия, ни растяжения).
Эта точка и называется нейтральной осью. Положение нейтральной оси будет меняться в зависимости от геометрии модуля.
В конструкции с закрытыми ребрами нейтральная ось расположена ближе к верхней поверхности платформы (Рисунки 9 и 10). Наибольшее напряжение будет на самой удаленной от нейтральной оси поверхности, в данном случае на дне ребра. Сварные швы располагаются в области низкого напряжения, где ребра соединяются с низом платформы, вблизи нейтральной оси и далеко от дна ребра. Сама конструкция также уменьшает усталость металла благодаря сварке ребер и весовой платформы непрерывным швом. В начале или в конце сварного шва наблюдается увеличение локальных напряжений и потенциала повреждения
Конструкция с закрытыми ребрами помогает продлить срок службы весов, снижая вероятность возникновения внутренней коррозии. Каждое ребро полностью герметично, что не допускает попадания внутрь влаги. Если в процессе производства небольшое количество влаги оказалось внутри герметично закрытого ребра, то оно прореагирует с металлом с образованием оксида железа (ржавчины), и процесс ржавления немедленно остановится. Поскольку влага больше не может проникнуть внутрь, ржавление весов изнутри невозможно.
Весовая компания Тензосила вложила немало времени и средств в разработку и производство лучших в отрасли весов для транспортных ср едств.
Технические характеристики весов ВЕСТА-80
Ортотропная пластина
Содержание
Происхождение термина
сказка
Ортотропная пластина была легче, чем уже известные конструкции. Это сэкономило строительные материалы и вес, и можно было построить особенно тонкие мосты с большими пролетами.
Для общего применения конструкция с ортотропными плитами настила была заменена мостами с бетонными балками, которые могут быть построены более экономично, поскольку больше не требуются дорогостоящие сварочные работы. Кроме того, при необходимости бетонные мосты могут быть построены на месте без сборных деталей. Ортотропные балки настила теперь используются только для мостов, где вес играет решающую роль, таких как подвижные мосты или длинные вантовые и подвесные мосты.
Строение и функции конструкции
Ортотропная пластина состоит из накладки, приваренных снизу продольных ребер и поперечин.
Крышка
Продольные ребра
Первоначально использовались I, L и T профили, в которых покровный лист и продольное ребро не образовывали замкнутой полости. Эти конструкции более мягкие на кручение по сравнению с конструкциями с закрытыми продольными ребрами, но их легче рассчитать. Кроме того, нижняя сторона крышки менее хорошо защищена от коррозии, поскольку большая площадь подвергается воздействию воздуха по сравнению с ортотропными пластинами с закрытыми профилями.
Поперечины
Поперечные перемычки, с одной стороны, поддерживают защитную пластину в поперечном направлении, но вместе с продольными ребрами также образуют решетку, повышающую прочность пластины.
Приложения
Ортотропные плиты настила также используются в мостах, где вес играет очень важную роль, таких как подвижные мосты или длинные вантовые и подвесные мосты. По сравнению с конструкциями из чистого бетона, ортотропные плиты могут сэкономить до четверти веса таких мостов, поскольку как балки проезжей части, так и несущие части легче.
Ортотропные плиты также могут использоваться для усиления существующих мостов путем замены существующего бетонного настила ортотропной плитой.
Балочные пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части
Страницы работы
Фрагмент текста работы
Балочные пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части.
— оптимальны в диапазоне от 63 до 150 м, однако при определеннных условиях могут быть целесообразны и при пролетах 15…30 м, а также в отдельных случаях до 200 м (мост через Енисей в Красноярске).
Появились ортотропные плиты в Германии после второй мировой войны, когда вопрос экономии материала стоял очень остро. Включение в совместную работу с главными балками материала ортотропной плиты позволяло сэкономить металл и более эффективно его использовать.
Появлению ортотропных плит также способствовало совершенствование технологии сварки, в особенности появление сварочных автоматов, а также появление теорий расчета.
Первый опыт эксплуатации ортотропных плит обнаружил два недостатка – малую усталостную прочность стали в конструкции плиты и разрушение асфальтобетонного покрытия на плите. Этим двум недостаткам ортотропной плиты были посвящены годы исследований и в настоящее время создан ряд рекомендаций для уменьшения этих неблагоприятных факторов.
В общем случае ортотропная плита состоит из листа настила, подкрепленного продольными и поперечными ребрами. Продольные ребра иногда называют стрингерами, а поперечные ребра также иногда называют поперечными балками.
Продольные ребра могут быть любого поперечного сечения – полосовые, коробчатые, уголковые, тавровые, полособульб и т.п.
Поперечные ребра выполняют, как правило, таврового сечения.
Полосовые продольные ребра выпускались за рубежом с 1947 года до середины 50-х годов. В настоящее время за рубежом их уже не делают, у нас до сих пор применяют.
Достоинство у полосовых ребер одно – простота изготовления и монтажа.
Недостатков много – малая крутильная жесткость, недостаточно высокая изгибная жесткость, что требует их частой установки. Как следствие малой жесткости, низкая долговечность покрытия проезжей части.
Параметры полосовых ребер – высота не менее 180…200 мм, толщина не менее 12 мм, рекомендуемый шаг ребер 300…320 мм при толщине листа настила не менее 12 мм, в последние годы, в связи с появлением нагрузки А14, толщина листа назначается не менее 14 мм.
Параметры поперечных ребер определяются расчетом плиты на местную нагрузку (высота ребра, сечение нижнего пояса и толщина стенки), а шаг поперечных ребер назначается обычно в интервале 2,5…3,5 м.
Поперечное сечение пролетного строения путепровода через железную дорогу на Красносельском шоссе.
Расчеты ортотропных плит основаны на предпосылке замены реальной плиты балочным ростверком, где продольные ребра рассматриваются как неразрезные балки на упругих опорах.
До конца 80-х годов определение усилий в ортотропных плитах выполнялось вручную, по таблицам Гомберга. При расчленении плиты на балочную клетку лист настила аппроксимируется непрерывной системой, с приведенной жесткостью на погонный метр ширины плиты. При этом для поперечного ребра это 0,2L, но не более l, где l – расстояние между поперечными ребрами. Методика расчета плиты хорошо изложена в книге Корнеева М.М.
На практике для расчета плиты на местные нагрузки применяются программные средства, позволяющие создать пространственную модель плиты, которая загружается сосредоточенными нагрузками, моделирующими временную нагрузку.
Из расчета на местные нагрузки получаем напряжения в листе настила