книги / Проектирование стальных мостов с учетом пластических деформаций

Потапкин А. А. Проектирование стальных мостов с учетом пластических деформаций. — М.: Транспорт, 1984. — 200 с.

Рассмотрены принципы проектирования стальных мостов с учетом пространственной работы и пластических деформаций. Предложены критерии предельных состояний, методы расчета на прочность и устойчивость в упругопластцческой стадии. Показа­ ны особенности проектирования конструкций автодорожных, же­ лезнодорожных и совмещенных постов.

Предназначена для инженеоов проектировщиков искусствен­ ных сооружений, а также научных работников.

Ил. 70, табл. 8, библиогр. 88 назн

Ре ц е н з е н т П. И. Френкель

З а в е д у ю щ и й р е д а к ц и е й В. Г. Чванов

Р е д а к т о р Е. С. Голубкова

Рекомендовано к изданию Государственным ордена Трудово­ го Красного Знамени проектно-изыскательским институтом по проектированию и изысканиям больших мостов «Гипротрансмост».

Анатолий Алексеевич. Потапкин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ МОСТОВ С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИИ

Обложка художника Г. Я. Казаковцева Технический редактор Т. А. Захарова Корректор-вычнтчик В. Я. Кинареевская

Корректор М. Ю. Ляхович

ИБ № 2725

Сдано п набор 14.06.83. Подписано в печать 19.03.84. Т-07186. Фопмат бОХЭО'Ав. Бум. тип. № 1. Гапнитупа лнтепатуоная. Высокая печать.

Уел. нсч. л. 12,5. Уел. кр.-отт. 13,01. Уч.-изд. л. 13,97. Тираж 3100 экз. Заказ 1673 Цена 75 коп. Изд. № 1-3-1/15 № 2081

Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ», 107174, Москва, Басманный туп., 6а

Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 129041, Москва, Б. Переяславская ул., д. 46

3601020000-114

ПРЕДИСЛОВИЕ

Повышение эффективности всех отраслей народного хозяйства— первостепенная задача, непосредственно вытекающая из решений XXVI съезда КПСС.

Рост объемов мостостроения и расширение транспортного стро­ ительства в различных районах страны требуют создания эконо­ мичных мостовых конструкций, что может быть достигнуто как по­ вышением эффективности использования материалов, так и приме­ нением прогрессивных конструктивных решений. Большое значе­ ние здесь имеют методы расчета и принципы проектирования, ба­ зирующиеся на новейших теоретических исследованиях в этой об­ ласти.

В предлагаемой читателю книге затрагивается ряд важных во­ просов, связанных с учетом пластических свойств стали и простран­ ственной работой сооружения. Пластичность — фундаментальное свойство стали как конструкционного материала. Пластическими характеристиками определяется работоспособность стали в тех или иных условиях, возможность более полного использования ее проч­ ностных свойств. Учет пластических свойств при проектировании стальных мостов требует специального подхода к выбору марки ста­ ли и расчету пролетных строений. В книге систематизированно из­ ложен этот вопрос, рассмотрены механика разрушения стальных элементов, методы деформационной теории пластичности и расчетов на прочность и устойчивость при ограниченных пластических дефор­ мациях, особенности расчета и проектирования пространственных конструкций мостов.

Первые главы посвящены теоретическим и физическим особен­ ностям современных методов расчета и проектирования стальных мостов; рассмотрены энергетические методы расчета и механика раз­ рушения стальных конструкций, учет пластических деформаций и пространственной работы мостов, а также применение деформаци­ онной теории пластичности в расчетах сооружений и развитие метода упругих решений А. А. Ильюшина в форме комбинированного мето­ да. Эти материалы составляют теоретическую базу для разработки прикладных принципов расчета и проектирования стальных мостов.

Уточнение критериев предельного состояния мостовых конст­ рукций имеет большое практическое значение. СТ СЭВ 384-76 «Основные положения по расчету» устанавливает виды критериев без указания их качественных и количественных характеристик.

Учитывая это, в гл. 4 даны деформационные критерии эксплуата­ ционной способности стальных пролетных строений с охватом трех уровней — системы в целом, отдельных элементов и сечения. В пя­ той главе приведены методы расчета пролетных строений с учетом ограниченных пластических деформаций, позволяющие повысить эффективность использования несущей способности стали в пролет­ ных строениях.

Важнейшее значение при проектировании стальных конструкций имеет обеспечение устойчивости как отдельных пластин, так и це­ лых стержней (балок). Данному вопросу посвящена гл. 6, в которой изложены наиболее сложные случаи устойчивости пластин и стерж­ ней в упругопластической стадии, показана связь прочности и ус­ тойчивости стальных конструкций при учете в расчетах пластичес­ ких деформаций. Разработанные и изложенные в книге соответст­ вующие методы расчета составляют один из принципов проектиро­ вания стальных конструкций — принцип устойчивой прочности в упругопластической стадии. В гл. 7 рассмотрены также особенности расчета и конструирования стальных пролетных строений автодо­ рожных и железнодорожных мостов с использованием разработок автора при проектировании значительного числа стальных мостов.

Теоретические исследования позволили установить некоторые важные принципы проектирования, реализация которых дает воз­ можность на новой качественной основе подойти к созданию прогрес­ сивных конструктивных решений.

Автор выражает благодарность инж. П. И. Френкелю, давшему ряд полезных предложений при подготовке книги к опубликованию.

Замечания и пожелания по затронутым в книге вопросам просьба направлять по адресу: Москва, 107174, Басманный тупик, 6а, изда­ тельство «Транспорт».

Автор

Здесь логично вслед за уточнением воздействия заменой Nn на Мр последовало уточнение сопротивления — замена [а] на R. При этом не только не произошло неоправданного утяжеления конструк­ ции, но наоборот, появилась возможность ее облегчить и повысить равнопрочность за счет дифференцированного учета перегрузки для каждого из элементов.

С переходом от упрощенных расчетных схем к уточненным и про­ странственным расчетам тоже должны претерпеть изменение обе час­ ти основного неравенства, которое в этом случае упрощенно можно записать так:

а=/(Лр, Мр, IFXtfnp,

можностью дефференцированного учета сложного напряженного со­ стояния каждого элемента конструкции за счет использования уточ­ ненного пространственного расчета и дифференцированного назна­ чения Rnр с учетом особенностей материала и формы сечения каждо­ го из элементов. Таким образом, дальнейшая разработка новых мето­ дов расчета должна сопровождаться уточнением критериев предель­ ного состояния, и следовательно, должна изменяться как левая, так и правая часть основного уравнения проверки несущей способности.

Современное состояние метода предельных состояний отражено в главе СНиП П-А. 10-71 «Основные положения проектирования» и стандарте СЭВ 384-76 «Основные положения по расчету». Вместо трех прежних введены две группы предельных состояний: г р у п п а I — по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации (в проекте СНиП 11-43 «Мосты и трубы» эта группа разделена на две подгруппы IA и 1Б); г р у п п а II — по непри­ годности к нормальной эксплуатации. Естественно, что эти норма­ тивные документы не устанавливают качественных и количествен­ ных критериев предельных состояний по типам сооружений, но в об­ щей форме их содержат. При этом расчет имеет целью не допускать наступления предельных состояний в течение всего срока службы сооружения.

В нормах на проектирование мостов СН 2000-62 отсутствуют чет­ кие качественные и количественные критерии предельных состоя­ ний по прочности, что служит их определенным недостатком. Кроме того, эти нормы не содержат положений для проектирования новых типов пролетных строений, например коробчатых.

Критерии предельных состояний целесообразно формулировать на основе строительной механики и они должны удовлетворять сле­ дующим требованиям: 1) характеризовать эксплуатационные каче­

ства сооружения; 2) учитывать степень повреждаемости материала конструкции и отражать ее несущую способность; 3) способство­ вать получению конструкций с минимальным расходом материала. Кроме того, критерии необходимо базировать на определенной тео­ рии прочности.

Феноменологические теории, например, классическая теория упругости, рассматривают бездефектный материал, и условия проч­ ности (пластичности) имеют вид функциональной зависимости между напряжениями и деформациями. Предельное состояние при этом для идеально-пластичного материала отождествляется с развитием пластичности по всему объему тела.

В действительности конструкции имеют разного рода начальные дефекты как технологические, так и конструктивные, ограничиваю­ щие пластическую деформацию, при которой начинается разруше­ ние. Таким образом, эти деформации не успевают распространиться на весь объем тела, что говорит в пользу критерия о г р а н и ч е н ­ н о й п л а с т и ч е с к о й деформации. Для диаграммы с упроч­ нением такое ограничение служит естественным критерием. Несущую способность элемента (конструкции) при этом можно назвать конст­ руктивной или эксплуатационной прочностью, верхней границей которой для бездефектного материала служит предельное равнове­ сие, а нижней — хрупкая прочность при наличии соответствующих дефектов или условий. Следовательно, ограниченная пластическая деформация характеризует физическое состояние материала и от­ ражает степень использования несущей (эксплуатационной) спо­ собности элемента или конструкции в целом.

Для практических исследований и расчетов конструкций целе­ сообразно сочетание феноменологических теорий с физическими критериями, устанавливаемыми по тем или иным условиям — рабо­ тоспособность материала, эксплуатационные требования. Этому и отвечают предлагаемые автором расчеты по ограниченным пласти­ ческим деформациям. С учетом изложенного и исходя из условий прочности приняты следующие д е ф о р м а ц и о н н ы е к р и ­ т е р и и эксплуатационной способности: 1) интегральный для сис­ темы, в качестве которого принимается дополнительная энергия системы; 2) перемещения узлов и элементов конструкции; 3) физичес­ кий для интенсивности ограниченной пластической деформации в сечеиии или точке элемента. Эти критерии характеризуют'свойства сооружения как единого целого, так и отдельных его элементов и материала.

Таким образом, в качестве критерия предельного состояния груп­ пы I (из условий прочности) предлагается ограниченная пластичес­ кая деформация в сечениях элементов от расчетных нагрузок (мест­ ный критерий) или ограниченное общее остаточное перемещение конструкции (общий критерий), являющееся" функцией местных пластических деформаций. Если местный критерий характеризует степень повреждаемости материала и степень использования несу­ щей способности сечения, то общее остаточное перемещение характе­

ризует работу сооружения и невозможность его эксплуатации в пре­ дельном состоянии.

В качестве критерия предельного состояния группы II (из усло­ вий прочности) предлагается недопускать пластические деформации в сечениях элементов от нормативных нагрузок, т. е. обеспечивать упругую работу конструкции. Этот критерий характеризует работу сооружения с точки зрения затруднения нормальной эксплуатации под обращающимися или нормативными (максимальными для нор­ мальной эксплуатации) нагрузками. В данном случае проверка по прочности совпадает по своему характеру с проверкой жесткости, а количественными нормативами будут расчетное сопротивление для прочности и допускаемое перемещение для жесткости.

В соответствии с рассмотренными критериями предельных со­ стояний необходимы методы расчета как в упругой, так и в упругопластической стадиях, причем на первый план выдвигаются прост­ ранственные расчеты, как наиболее полно отражающие действитель­ ную работу конструкций. Это позволит дать предложения по норми­ рованию расчетов, а также изучить особенности работы стальных пролетных строений, что, в свою очередь, пополнит рекомендации норм по конструированию.

Установление численных нормативов и уточнение расчетных схем невозможно без анализа результатов экспериментальных ис­ следований самого материала (стали) и испытаний конструкций стальных мостов. Все отмеченное в едином комплексе позволит перейти на новый качественный уровень методов расчета и конструи­ рования стальных мостов, что приведет к созданию более эконо­ мичных, равнопрочных, совершенных и надежных сооружений, а следовательно, в известной степени решится важнейшая проблема— п р о б л е м а э к о н о м и и стали.

1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИИ

Энергетические методы и принципы имеют фундаментальное значение в теории сооружений и могут эффективно применяться к постранственным конструкциям различных типов [1, 3, 19, 69].

Рассмотрим принцип в о з м о ж н о й работы, который форму­ лируется следующим образом. Если конструкция находится в рав­ новесии и ей придается малое возможное (кинематически совмест­ ное) перемещение, то приращение ÔU7 возможной работы внешних сил равно приращению fit/ возможной работы внутренних сил. Для приращения возможной работы внешних сил имеет место зави­ симость (действительные силы совершают работу на возможных пере­ мещениях)

Ш —J [Гх ^ ч + Г у à o + r z ÔIP] d iq -J [Fx 6 u+ F v So+Fz № \ d S , (1. 1)

где Fi — объемные силы; и, v, w — составляющие перемещений ; F , _ поверхностные силы.