ПРОЛЕТНАЯ ЧАСТЬ МОСТА "ТРУБА ПРОХОРОВА - ФЛЕКСИОН" Российский патент 2004 года по МПК E01D2/00 E04B1/18 E04C3/07 

Изобретение относится к специальному строительству и может найти широкое применение в мостостроении, а также при сооружении эстакадных монорельсовых дорог.

Профилированный конструкционный элемент - балка - является простейшим и наиболее дешевым вариантом исполнения пролетной части моста или эстакады. Топологически балку можно описать как протяженный объект со связностью 0 (сплошной материал) или 1 (труба различного профиля). В отличие от балки строительная ферма имеет большую связность.

Теория сопротивления материалов определяет балку как “элемент конструкции, работающий преимущественно на изгиб”. Широко известна классическая формула для определения величины прогиба свободно лежащей на опорах “невесомой” балки под действием сосредоточенной нагрузки

здесь δh - прогиб; P - сосредоточенная в центре пролета нагрузка; E - модуль упругости материала (модуль Юнга); J - момент инерции профиля относительно горизонтальной оси симметрии; l - длина балки. В частности, для прямоугольного профиля (ребра) и круглой трубы

здесь b - ширина ребра; h - высота ребра; R - радиус трубы.

Для ребра исходную формулу можно привести к “безразмерному” виду

здесь F - фактор нагружения (безразм.); - параметр формы балки.

Классическая теория хорошо согласуется с реальными данными лишь в области <10. При >10 теория дает явно завышенные результаты. При ~50 профиль балки становится несущественным, а реальный прогиб длинного стержня можно оценить по приближенной формуле

Функция корня кубического означает, что даже под собственным весом длинный стержень заметно прогибается, однако дополнительное нагружение отнюдь не приводит к пропорциональному возрастанию прогиба. Реальные испытания полностью подтверждают данную модель. Если же ≥100, то под собственным весом длинный стержень образует “цепную линию”, описываемую функцией гиперболического косинуса.

Итак, область 10<<50 является наиболее трудной для теоретического анализа, однако для практики именно эта область представляет наибольший интерес. Например, “классический” пролет при длине l~50 м должен иметь высоту h~5 м, что означает огромный расход материала.

В поперечном горизонтальном направлении тонкостенная труба устойчива, а тонкое вертикальное ребро - неустойчиво, его сжатый верхний край при сосредоточенном нагружении дает “волну”. Чтобы стабилизировать верхний край, ребро снабжают горизонтальными “полками” - так образуется базовый Т-образный профиль (“тавр”), широко используемый сегодня при возведении мостов и эстакад из бетона.

В литературе до сих пор бытует мнение, что идеальным профилем для балки является симметричный “двутавр”. Это убеждение (точнее, заблуждение) основывается как раз на классической модели деформации, вовсе не учитывающей общего (пролетного) растяжения балки. На самом деле нижние “полки” отнюдь не дают существенного повышения жесткости, поскольку верхний и нижний края несущего ребра (основы) работают в принципиально различных условиях. Скажем, не имеет особого смысла укреплять нижний край стального “тавра” - качественная сталь имеет предел текучести порядка 100 кг/мм² и более. В случае бетонного тавра нижний край укрепляют, поскольку прочность данного материала на разрыв сравнительно невелика. Однако укрепленный бетонный профиль все равно остается “тавром” - его верхние “полки” шире нижних, а иногда нижние “полки” вообще отсутствуют (их заменяют армированием).

По сравнению с трубой “тавр” проще в изготовлении и удобнее, поскольку не требует промежуточного настила. Однако у “тавра” имеется серьезный недостаток: по линиям соединения ребра и “полок” возникают локальные напряжения. Для устранения указанных напряжений углы скругляют в большей или меньшей степени, что неизбежно требует дополнительного расхода материала. Таким образом, улучшенный “тавр” получает криволинейные поверхности и при дальнейшей модернизации переходит в профиль, напоминающий зодиакальный знак Овен (). Наконец, раздвоенный профиль снабжают “крышкой” и он фактически превращается в трубу (а.с. СССР №1488503, МПК E 21 D 11/14, бюл. № 23 за 1989 г.).

С другой стороны, круглая труба при оптимизации сначала переходит в эллиптическую, а затем становится асимметричной относительно горизонтальной плоскости (“яйцевидный” профиль). Тенденция легко заметна, однако возникает вечная проблема материала.

В патентной литературе имеется множество вариантов решения данной задачи. Чаще всего пустотелую “оптимальную балку” пытаются выполнить из листового материала, изгибаемого различными способами. (пример - конструкции по а.с. СССР № 1698394, МПК Е 04 С 3/10, бюл. № 46 за 1989 г.).

У изображенной на фиг.2 конструкции-аналога по краям просматриваются подобия эллиптическом трубы, но в центре пролета присутствуют два независимых ребра. С учетом вышесказанного под сосредоточенной нагрузкой возникнет “волна” и балку “поведет”. Конструкция на фиг.5 образована из соединенных понизу ребер (перевернутый П-образный профиль). Однако нижняя “полка” не в состоянии предотвратить развитие боковой неустойчивости на верхних краях ребер.

Кроме того, П-образный профиль можно выполнить только из мягкого листа (типа кровельной жести). О прочностных качествах подобного листа говорить не приходится Выше уже указывалось, что углы являются “концентраторами напряжений” и их всегда стараются скруглить.

Можно определенно сказать, что любая попытка сформировать “оптимальную балку” из традиционных пластичных (холодный прокат) или хрупких (бетон) материалов заведомо обречена на провал. Необходимо использовать новые, нетрадиционные для строительной области материалы.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению являются конструкции, описанные в а.с. СССР №1483028 МПК Е 04 В 7/08, бюл. № 20 за 1989 г., хотя они относятся к другой области строительства. Авторы четко указывают на использование УПРУГОдеформируемого листового материала, что зафиксировано в формуле изобретения. Соответственно на прилагаемых чертежах изображены некие криволинейные поверхности (большепролетные перекрытия). Эти весьма изящные формы можно классифицировать как “естественные” - они образуются, если внешние деформирующие силы приложены только к краям упругого листа.

Но “естественные” формы отнюдь недостаточны, если ставится задача формирования “оптимальной балки”. При небольших углах изгиба упругий лист принимает примерно параболическую форму, но в ходе дальнейшего изгибания верх профиля переходит в окружность. Наконец, при изгибании на 360° (до соприкосновения краев листа) получаем 240° окружности (круглой трубы), а остальные 120° приходятся на “хвост” - образуется “яйцевидный” профиль. Возникает проблема соединения краев листа, так как сварка по линии максимального растяжения нежелательна (теряются прочностные качества).

Кроме того, круглая труба все же не обладает достаточной “локальной” жесткостью по верху. Лучше - труба эллиптическая, но оптимальный профиль верха - арка по форме “цепной линии” (функция гиперболического косинуса, приближенно представляемая параболой). Для формирования балки исходный упругий лист необходимо сжимать не по краям, а выше.

Задачей создания изобретения является разработка конструкции предварительно напряженной балки из упругого листового материала, позволяющей обеспечить максимальную жесткость изделия при минимальной массе.

Кроме того, выполнение пролетной части из листового материала позволяет производить монтажные работы прямо на месте возведения моста (эстакады) и доставлять исходный материал в компактном виде (на барабане).

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п.1 формулы изобретения и общих с прототипом, таких как пролетная часть моста, эстакады или иного перекрывающего сооружения, выполненная из цельного по длине пролета тонкого упругого листа, предварительно напряженного путем плавного профилирования относительно вертикальной плоскости симметрии, и отличительных существенных признаков - края исходного листа совмещены, а образованная листом замкнутая поверхность - труба - снабжена периодически установленными внутри нее поперечными элементами, при этом результирующий профиль поверхности определяется формулой

где у - текущее расстояние от вертикальной линии симметрии профиля, x=h/2h₀; h - текущее расстояние от высшей точки профиля; h₀ - расстояние от высшей точки профиля до уровня его максимальной ширины.

Следует особо отметить, что теоретически кривая y(x) является незамкнутой (уходит на бесконечность). Однако уже при x=2 y(x)=4% от максимального значения, т.е. практически h≈4h₀.

В п.2 формулы изобретения отражена возможность усовершенствования заявленной конструкции, а именно посередине пролета внутри замкнутой поверхности - трубы - установлен дополнительный элемент жесткости типа каркаса, например, треугольного профиля, при этом длина дополнительного элемента как минимум вдвое превосходит высоту основного профиля, а ширина дополнительного элемента соответствует максимальной ширине основного профиля.

П.3 отражает возможность дальнейшего усовершенствования, а именно под дополнительным элементом жесткости установлен шкив-блок, а два других блока установлены на концах пролета, при этом через блоки пропущен натяжной трос таким образом, что центральный блок огибается тросом снизу, а концевые блоки - сверху.

Указанные выше отличительные признаки - каждый в отдельности и все совместно - направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использования предлагаемого сочетания существенных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности “новизна”.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является неочевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 показан расчетный профиль балки-трубы; на фиг.2 - общий вид готовой пролетной части с установочными опорами; на фиг.3 отдельно показан примерный вид дополнительного элемента жесткости; на фиг.4 схематично показана конструкция пролетной части с натяжным тросом.

Автор изобретения предлагает для расчетного профиля (фиг.1) название “труба Прохорова”, а для готового изделия (фиг.2) название “Флексион” - от латинск. Flexus - “изогнутый” и Onustus - “нагруженный”. Строго говоря, флексион уже не является балкой, а несколько напоминает ферму.

Позициями на фиг.1-4 обозначены: 1 - поверхность изогнутого упругого листа; 2 - линия формирующих стяжек по точкам перегиба образующей кривой; 3 - линия укрепляющих стяжек в области максимальной ширины; 4 - установочные бетонные опоры-подушки с “инверсным” профилем; 5 - дополнительный элемент жесткости; 6 - центральный шкив-блок; 7 и 8 - концевые блоки; 9 - натяжной трос.

Кривая y(x) является произведением двух “оптимальных” функций: ln(1+...) - обратный гиперболический косинус (“ареакосинус”), а exp(-x²) - кривая “максимального охвата”, более известная как функция нормального распределения случайной величины.

Точки перегиба образующей профиль функции y(x) приходятся на x=1. Наличие точек перегиба позволяет выполнить балку-трубу 1 из трех упругих продольных листов, склепанных “внахлест”. На точки перегиба должны приходиться основные (формирующие) стяжки 2 с периодом, не меньшим высоты профиля. Также необходимы стяжки 3 по линии максимальной ширины, предотвращающие “расплющивание” трубы под локальной (т.е. “сконцентрированной в точке”) нагрузкой. Еще ближе к оптимальному расчетному профилю позволяет подойти третья система стяжек несколько выше линии максимальной ширины. Чисто теоретически сформировать профиль точно по расчетной кривой можно лишь при помощи особых поперечных “лекал” (сплошных криволинейных элементов), однако практически вполне достаточно стяжек 2 и 3, показанных на фиг.1.

Жесткость заявленной асимметричной трубы-балки превышает жесткость обычной круглой трубы и “тавра”, однако у нее имеются “опасные зоны”. Первая зона - это область максимального сжатия вокруг верхней точки центра пролета. Именно в этой точке круглая труба дает “надлом”, после чего цилиндрическая поверхность сплющивается и происходит обрушение балки. Для предотвращения катастрофической (необратимой) деформации в центр пролета вводится дополнительный элемент жесткости 5, снимающий изгибную деформацию с верха трубы и передающий ее на боковые поверхности.

После устранения опасности в центре остается опасность развития боковой неустойчивости (“волны”). Максимальная деформация “волны” имеет место на расстоянии от центра пролета δl‰h. Именно поэтому длина дополнительного элемента жесткости должна превышать 2h.

Для сооружения пешеходного моста достаточно всего одного флексиона с дополнительным настилом. Возможен также вариант с двумя подвесными “коридорами” по обеим сторонам балки.

Для использования флексиона в качестве балки монорельсовой дороги его необходимо снабдить двумя зеркально-симметричными “ездовыми полками”, имеющими в профиле форму цифры “7”. По горизонтальным поверхностям “семерок” должны двигаться опорные ролики, а по боковым поверхностям с отрицательным наклоном примерно 10° - боковые стабилизирующие ролики. Для осуществления скоростного движения желателен максимально ровный путь, что обеспечивается системой компенсации прогиба в соответствии с п.3 настоящего изобретения. За счет блоков 6, 7, 8 и натяжного троса 9 балка 1 получает обратный прогиб с учетом усредненного веса экипажа. При прохождении экипажем пролета обе деформации взаимно компенсируются.

Автомобильный мост можно создать на базе двух или трех параллельных флексионов аналогично используемым параллельным “таврам”. Главное - эффективно перераспределить локальное давление от колес через промежуточный жесткий настил.

Сформированные на берегу флексионы можно транспортировать по воде, для этого достаточно снабдить их боковыми “заглушками”. Чтобы флексионы не переворачивались на плаву и хорошо проходили через мелководье, их необходимо соединить попарно или группами большего числа ребрами вверх - наподобие плота.

Изобретение относится к специальному строительству и может найти широкое применение в мостостроении, а также при сооружении эстакадных монорельсовых дорог. Пролетная часть моста, эстакады или иного перекрывающего сооружения выполнена из цельного по длине пролета тонкого упругого листа, предварительно напряженного путем плавного профилирования относительно вертикальной плоскости симметрии. Новым является то, что края исходного листа совмещены, а образованная листом замкнутая поверхность - труба - снабжена периодически установленными внутри нее поперечными элементами, при этом результирующий профиль поверхности определяется из математической зависимости. Техническим результатом изобретения является разработка конструкции предварительно напряженной балки из упругого листового материала, позволяющей обеспечить максимальную жесткость изделия при минимальной массе. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пролетная часть моста, эстакады или иного перекрывающего сооружения, выполненная из цельного по длине пролета тонкого упругого листа, предварительно напряженного путем плавного профилирования относительно вертикальной плоскости симметрии, отличающаяся тем, что края исходного листа совмещены, а образованная листом замкнутая поверхность - труба снабжена периодически установленными внутри нее поперечными элементами, при этом результирующий профиль поверхности определяется формулой

,

где y - текущее расстояние от вертикальной линии симметрии профиля, x=h/2h₀;

h - текущее расстояние от высшей точки профиля;

h₀ - расстояние от высшей точки профиля до линии максимальной ширины.