СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОПУСКА СВЕРХНОРМАТИВНОЙ НАГРУЗКИ ПО ПРОЛЕТНОМУ СТРОЕНИЮ Российский патент 2023 года по МПК G01M5/00 

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля несущей способности строительных конструкций, в частности к способам оперативного определения несущей способности пролетных строений автодорожных мостов при пропуске по ним сверхнормативных нагрузок.

Актуальность заявляемого способа обусловлена возрастающей необходимостью принятия решения о возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению разных статических систем с учетом его фактического эксплуатационного состояния в короткие сроки. Основными недостатками известных способов являются высокая трудоемкость при их осуществлении.

Известен способ определения несущей способности пролетного строения с использованием метода конечных элементов [1], принятый в качестве аналога. Способ предполагает следующую последовательность: проведение обмеров балок пролетного строения, определение толщины и материалов каждого слоя дорожной одежды, составление конечно-элементной модели пролетного строения, загружение модели постоянной и подвижной нагрузкой, получение деформаций и напряжений в элементах пролетного строения. Для реализации расчета созданы программные комплексы MIDAS и Soflstic, которые содержат блоки, специально ориентированные на мостовые конструкции.

Недостатками данного способа является большая трудоемкость и сложность построения конечно-элементной модели пролетного строения.

Известен способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций [RU 2161788 C2, опубликовано 10.01.2001], принятый в качестве аналога, по которому определяют места возможных максимальных линейных или угловых перемещений, в этих местах конструкцию нагружают испытательной механической нагрузкой, не превышающей предельного ее значения по прочности и жесткости конструкции, и определяют значения максимальных перемещений. При этом нагружение конструкции выполняют в одном и том же месте 5-10 раз постоянной по значению механической нагрузкой и осуществляют не менее чем при трех различных ступенях нагрузки. По результатам трех средних значений перемещений и соответствующим нагрузкам строят прямую зависимости нагрузки от перемещения, определяют не менее трех доверительных интервалов измерений перемещений, по точкам которых строят доверительные границы измеряемых перемещений. Прочность конструкции определяют с учетом средних значений перемещений при линейной зависимости между нагрузкой и перемещением.

Недостатками данного способа является высокая трудоемкость при его осуществлении, кроме того оценка несущей способности осуществляется только по критерию предельного перемещения для материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и перемещением.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ определения несущей способности пролетного строения [RU 2771598, опубл. 06.05.2022 г.], принятый в качестве прототипа. При реализации данного способа первоначально пробную нагрузку располагают за пролетным строением моста, после чего датчиками сейсмических колебаний в средней части пролетного строения измеряют частоту собственных колебаний, после этого начинают циклы измерения, каждый из которых включает передвижение пробной нагрузки вдоль пролетного строения в направлении противоположной опоры со скоростью, исключающей динамические колебания пролетного строения, одновременно с этим непрерывно измеряют угловые перемещения пролетного строения и в конце цикла измерений их регистрируют, далее повторяют указанные циклы с установленным шагом до достижения центром тяжести пробной нагрузки середины пролетного строения при этом по частоте собственных колебаний рассчитывают действительный погонный вес q_ce и изгибающий момент от собственного веса пролетного строения М_св с учетом коэффициента β учитывающего неразрезность пролетного строения, а по фиксируемым угловым перемещениям рассчитывают прогиб f в середине пролетного строения, напряжения в нижних и верхних кромках пролетного строения от пробной нагрузки с учетом коэффициента α, зависящего от положения нейтральной оси поперечного сечения пролетного строения, и далее рассчитывают изгибную жесткость EI в середине пролетного строения с учетом фактического эксплуатационного состояния, моменты инерции I и сопротивления W в верхних и нижних кромках пролетного строения, напряжения от собственного веса затем сравнивают суммарные напряжения σ^н, σ^в с расчетными значениями материалов верхней и нижней кромки R^н, R^в, а прогиб f с допустимым прогибом [f_доп].

Основная проблема прототипа заключается в недостоверной оценке несущей способности пролетного строения неразрезного типа, так как не учитывается влияние системы неразрезного пролетного строения на угол поворота опорного сечения, измеряемый с помощью датчиков измерения угловых перемещений, а также существует угроза безопасности как самому пролетному строению, так и пробной нагрузке с водителем в случаях, когда масса пробной нагрузки будет выше текущей несущей способности пролетного строения.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности создания способа оперативного определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению повышающего достоверность ее определения и безопасность пролетного строения, сверхнормативной нагрузки и ее водителя.

Сущность предлагаемого способа оперативного определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению заключается в следующем.

Первоначально датчиком измерения угловых перемещений измеряют угловые отклонения θ опорного сечения пролетного строения под воздействием на него пробной нагрузки, расположенной на пролетном строении в положении, соответствующем максимальному от нее изгибающему моменту, рассчитывают прогиб от пробной нагрузки в середине пролетного строения, допустимый прогиб и максимальные напряжения в нижней и верхней кромке, при этом в качестве пробной нагрузки используют нагрузку с массой соответствующей нормативной, прогиб от пробной нагрузки f_npo6 рассчитывают с учетом коэффициента угла поворота δ, учитывающего влияние системы пролетного строения на угловые отклонения θ, прогиб от сверхнормативной нагрузки определяют расчетным способом путем произведения прогиба от пробной нагрузки на отношение изгибающих моментов от сверхнормативной нагрузки к пробной, а максимальные напряжения в нижней и верхней кромке рассчитывают от сверхнормативной нагрузки с последующим их сравнением с расчетными значениями материалов нижней и верхней кромки, а прогиб от сверхнормативной нагрузки сравнивают с допустимым прогибом.

В частном случае, прогиб от пробной нагрузки рассчитывают по зависимости:

l - длина пролета.

В частном случае, коэффициент угла поворота δ принимают в зависимости от статической системы пролетного строения и положения датчика измерения угловых перемещений на нем: для разрезных пролетных строений - 1,0; для левого края неразрезных пролетных строений на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,77; для правого края неразрезных пролетных на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,54; для неразрезных пролетных строений на двух опорах - 0,36. Осуществление изобретения.

Первоначально на испытываемое пролетное строение 1 (см. фиг. 1) устанавливают с одного из его края датчик измерения угловых перемещений, например, инклинометр 2, и выравнивают его положение относительно горизонта земли, при этом пробную нагрузку 3, массой, соответствующей нормативной для проезда ею по испытываемому пролетному строению 1 и сверхнормативную нагрузку 4, возможность пропуска которой предстоит определить, располагают за пределами пролетного строения 1. После чего определяют положение пробной нагрузки 3 на пролетом строении 1, при котором будет максимальный изгибающий момент М_проб от нее на пролетном строении 1 с использованием, например, построения линии влияния 5 (см. фиг. 2) с расчетом ординат Y_i 6 осей пробной нагрузки 3 и изгибающего момента М_проб от нее по всей длине пролетного строения 1 с заданным шагом расчета, например, через каждые 10 см, с последующим выбором максимального его значения по зависимостям:

M_проб=P_i^⋅Y_i^⋅β,

где: Y_i - ордината 5 линии влияния 4 i-й оси нагрузки;

S_i - расстояние от исходной опоры до i-й оси нагрузки;

- длина пролетного строения;

P_i - нагрузка на i-й ось;

β - коэффициент неразрезности пролетного строения.

Затем, аналогично расчету максимального изгибающего момента от пробной нагрузки 3 М_проб, рассчитывают максимальный изгибающий момент от сверхнормативной нагрузки 4 М_св.

После чего пробную нагрузку 3 (см. фиг. 3) располагают на пролетом строении 1 в положении, соответствующим максимальному от нее изгибающему моменту М_проб, измеряют с использованием инклинометра 2 угловые отклонения 7 опорного сечения пролетного строения 1, регистрируя их среднее значение и определяют расчетным путем прогиб f_npo6 в середине пролетного строения 1 с учетом коэффициента угла поворота δ, учитывающий влияние системы пролетного строения 1 на угловые отклонения 7, по зависимости:

θ - угловые отклонения 7.

При этом коэффициент угла поворота д принимают в зависимости от статической системы пролетного строения 1 и положения датчика измерения угловых перемещений 2 на нем:

для разрезных пролетных строений - 1;

для левого края неразрезных пролетных строений на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,77;

для правого края неразрезных пролетных строений на одной опоре (первый и последний пролет) - 0,54;

для неразрезных пролетных строений на двух опорах - 0,36.

Затем расчетным путем определяют прогиб f_св в середине пролетного строения 1 от сверхнормативной нагрузки по зависимости:

После этого расчетным путем определяют напряжения от сверхнормативной нагрузки 4 для нижних и верхних кромок в центре пролетного строения 1 по зависимостям [2]:

где: α - коэффициент, зависящий от положения нейтральной оси пролетного строения;

ρ- коэффициент, зависящий от схемы его загружения, (пробная нагрузка приводится к эквивалентной равномерно-распределенной нагрузке ρ=48/5=9,6);

h - высота балок пролетного строения моста;

Е^н, Е^в - модули упругости материала нижней и верхней кромки соответственно, кгс/см².

Далее рассчитывают изгибную жесткость EI в середине пролетного строения 1 с учетом фактического эксплуатационного состояния по зависимости:

Момент инерции для нижних и верхних кромок в центре пролетного строения из любых конструкционных материалов определяют по зависимостям:

Момент сопротивления для нижних и верхних кромок в центре пролетного строения рассчитывают по зависимостям:

Далее определяют напряжение от собственного веса для нижних и верхних кромок в центре пролетного строения 1 по формулам:

Поле этого определяют суммарные напряжение по формуле:

Суммарные напряжения сравнивают с расчетным сопротивлением материалов нижних и верхних кромок, а прогиб с допустимым:

где: R^н, R^в - расчетное сопротивление материала нижней и верхней кромки соответственно, кгс/см²;

[f_доп] - допустимый прогиб, определенный расчетным путем по зависимости:

В случае выполнения всех неравенств пропуск сверхнормативной нагрузки 4 по пролетному строению 1 разрешают со скоростью, обеспечивающей исключение динамических колебаний пролетного строения 1 во время ее проезда. В случае превышения напряжения или прогиба в центре пролетного строения 1 по сравнению с расчетными сопротивлениями и допустимым прогибом пропуск сверхнормативной нагрузки 4 по пролетному строению 1 запрещают.

Технический результат предлагаемого изобретения, заключающийся в обеспечении возможности создания способа оперативного определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению повышающего достоверность ее определения и безопасность пролетного строения, сверхнормативной нагрузки и ее водителя достигается за счет того, что благодаря учету влияния статической системы пролетного строения на угол поворота опорного сечения, измеряемый с использованием датчика угловых перемещений, а также отсутствию необходимости загонять на пролетное строение сверхнормативную нагрузку, чтоб оценить возможность ее пропуска.

Примерами достижения технического результата являются проведение авторами в 2022 году испытаний:

1) с железобетонными балками пролетного строения автодорожного моста разрезного типа на р. Волковица в Кировской области, в результате оперативного проведения которого был запрещен пропуск сверхнормативной нагрузки из-за превышения прогиба в середине пролетного строения от сверхнормативной нагрузки, определенный расчетным путем с использованием измерений угловых отклонений опорного сечения пролетного строения от пробной нагрузки, допустимого прогиба, тем самым была сохранена безопасность как самого пролетного строения, так и сверхнормативной нагрузки с ее водителем;

2) с металлическими балками пролетного строения путепровода неразрезного типа через железную дорогу на обходе г. Калуги участка Анненки - Жерело, в результате оперативного проведения которого была повышена достоверность определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки на 40-50% благодаря учету влияния статической системы неразрезного пролетного строения на угловые отклонения опорного сечения, измеренные с использованием инклинометра.

Таким образом, заявленный способ обеспечивает возможность создания способа оперативного определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению повышающего достоверность ее определения и безопасность пролетного строения, сверхнормативной нагрузки и ее водителя.

Литература:

1. Секулович М. Метод конечных элементов. - Москва: Стройиздат, 1993,661 с.

2. Проектирование мостовых и строительных конструкций: учебное пособие / Саламахин П.М. - Москва: КНОРУС, 2010, 402 с.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля несущей способности строительных конструкций, в частности к способам оперативного определения несущей способности пролетных строений автодорожных мостов при пропуске по ним сверхнормативных нагрузок. При реализации способа первоначально датчиком измерения угловых перемещений измеряют угловые отклонения в опорного сечения пролетного строения под воздействием на него пробной нагрузки, расположенной на пролетном строении в положении, соответствующем максимальному от нее изгибающему моменту. Затем рассчитывают прогиб от пробной нагрузки в середине пролетного строения, допустимый прогиб и максимальные напряжения в нижней и верхней кромках. При этом в качестве пробной нагрузки используют нагрузку с массой, соответствующей нормативной, прогиб от пробной нагрузки рассчитывают с учетом коэффициента угла поворота, учитывающего влияние системы пролетного строения на угловые отклонения. Прогиб от сверхнормативной нагрузки определяют расчетным способом путем произведения прогиба от пробной нагрузки на отношение изгибающих моментов от сверхнормативной нагрузки к пробной, а максимальные напряжения в нижней и верхней кромках рассчитывают от сверхнормативной нагрузки с последующим их сравнением с расчетными значениями материалов нижней и верхней кромок, при этом прогиб от сверхнормативной нагрузки сравнивают с допустимым прогибом. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания способа оперативного определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению повышающего достоверность ее определения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оперативного определения возможности пропуска сверхнормативной нагрузки по пролетному строению, характеризующийся тем, что первоначально датчиком измерения угловых перемещений измеряют угловые отклонения θ опорного сечения пролетного строения под воздействием на него пробной нагрузки, расположенной на пролетном строении в положении, соответствующем максимальному от нее изгибающему моменту на пролетном строении, рассчитывают прогиб от пробной нагрузки в середине пролетного строения, допустимый прогиб и максимальные напряжения в нижней и верхней кромках, отличающийся тем, что в качестве пробной нагрузки используют нагрузку с массой, соответствующей нормативной, прогиб от пробной нагрузки f_проб рассчитывают с учетом коэффициента угла поворота δ, учитывающего влияние системы пролетного строения на угловые отклонения θ, прогиб от сверхнормативной нагрузки рассчитывают путем произведения прогиба от пробной нагрузки на отношение изгибающих моментов от сверхнормативной нагрузки к пробной, а максимальные напряжения в нижней и верхней кромках рассчитывают от сверхнормативной нагрузки с последующим их сравнением с расчетными значениями материалов нижней и верхней кромок, при этом прогиб от сверхнормативной нагрузки сравнивают с допустимым прогибом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прогиб от пробной нагрузки рассчитывают по зависимости:

где l - длина пролета.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что коэффициент угла поворота δ принимают в зависимости от статической системы пролетного строения и положения датчика измерения угловых перемещений на нем: для разрезных пролетных строений - 1,0; для левого края неразрезных пролетных строений на одной опоре первый и последний пролет - 0,77; для правого края неразрезных пролетных на одной опоре первый и последний пролет - 0,54; для неразрезных пролетных строений на двух опорах - 0,36.