Потапкин - Проектирование стальных мостов с учетом пластических деформаций (1984)

Потапкин А. А. Проектирование стальных мостов с учетом пластических деформаций. 1984.

Рассмотрены принципы проектирования стальных мостов. С учетом пространственной работы и пластических деформаций. Предложены критерии предельных состояний, методы расчета на прочность и устойчивость в упругопластической стадии.  Показаны особенности проектирования конструкций автодорожных,  железнодорожных и совмещенных мостов.

Предназначена для инженеров проектировщиков  искусственных сооружений, а также научных работников.

ПРЕДИСЛОВИЕ

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

Рост объемов мостостроения и расширение транспортного строительства в различных районах страны требуют создания  экономичных мостовых конструкций, что может быть достигнуто как  повышением эффективности использования материалов, так и  применением прогрессивных конструктивных решений. Большое  значение здесь имеют методы расчета и принципы проектирования, базирующиеся на новейших теоретических исследованиях в этой  области.

В предлагаемой читателю книге затрагивается ряд важных  вопросов, связанных с учетом пластических свойств стали и  пространственной работой сооружения. Пластичность — фундаментальное свойство стали как конструкционного материала. Пластическими характеристиками определяется работоспособность стали в тех или иных условиях, возможность более полного использований ее  прочностных свойств. Учет пластических свойств при проектировании стальных мостов требует специального подхода к выбору марки  стали и расчету пролетных строений. В книге систематизированно  изложен этот вопрос, рассмотрены механика разрушения стальных элементов, методы деформационной теории пластичности и расчетов па прочность и устойчивость при ограниченных пластических  деформациях, особенности расчета и проектирования пространственных конструкций мостов.

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

Уточнение критериев предельного состояния мостовых  конструкций 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  эксплуатационной способности стальных пролетных строений с охватом трех уровней — системы в целом, отдельных элементов и сечения. В  пятой главе приведены методы расчета пролетных строений с учетом ограниченных пластических деформаций, позволяющие повысить эффективность использования несущей способности стали в  пролетных строениях.

Важнейшее значение при проектировании стальных конструкций имеет обеспечение устойчивости как отдельных пластин, так и  целых стержней (балок). Данному вопросу посвящена гл. 6, в которой изложены наиболее сложные случаи устойчивости пластин и  стержней в упругопластической стадии, показана связь прочности и  устойчивости стальных конструкций при учете в расчетах  пластических деформаций. Разработанные и изложенные в книге  соответствующие методы расчета составляют один из принципов  проектирования стальных конструкций — принцип устойчивой прочности в упругопластической стадии. В гл. 7 рассмотрены также особенности расчета и конструирования стальных пролетных строений  автодорожных и железнодорожных мостов с использованием разработок автора при проектировании значительного числа стальных мостов. Теоретические исследования позволили установить некоторые важные принципы проектирования, реализация которых дает  возможность на новой качественной основе подойти к созданию  прогрессивных 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,  издательство «Транспорт».

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОСТОВ

1.1. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование сооружений — расчет и конструирование их — основывается как на нормативной базе. Нормативная база содержит качественные и количественные критерии предельных состояний, устанавливаемые в зависимости от функционального назначения конструкции и опыта ее эксплуатации. Теоретические основы методов проектирования позволяют  сформировать соответствующие критерии на основе строительной механики и раскрыть поведение системы при различных нагрузках и 'действиях. Конструирование узлов и элементов пролетных строений существенным образом опирается на методы расчета. Нормативные критерии предназначены обеспечивать рациональность и надежность конструкций в эксплуатации.

При пользовании приближенными методами расчета их неточности компенсируются общим коэффициентом запаса при назначении допускаемых напряжений, обеспечивающим, как правило, вполне надежные, но часто недостаточно экономичные сооружения.

Разработанные новые методы расчета позволяют уточнить размер и характер распределения напряжений. Однако если при этом читать неизменным расчетное сопротивление (допускаемое напряжение), то результатом тоже будет неоправданное утяжеление конструкции, что следует из рассмотрения основного неравенства расчета на прочность.

Прогрессивность нового подхода определяется  возможностью дефференцированного учета сложного напряженного  состояния каждого элемента конструкции за счет использования  уточненного пространственного расчета и дифференцированного  назначения  с учетом особенностей материала и формы сечения  каждого из элементов. Таким образом, дальнейшая разработка новых  методов расчета должна сопровождаться уточнением критериев  предельного 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: группа I— по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации (в проекте СНиП П-43 «Мосты и трубы» эта группа разделена на две подгруппы IA и 1Б); группа II —-по  непригодности к нормальной эксплуатации. Естественно, что эти  нормативные документы не устанавливают качественных и  количественных критериев предельных состояний по типам сооружений, но в  общей 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  четкие качественные и количественные критерии предельных  состояний 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  следующим требованиям: 1) характеризовать эксплуатационные качества сооружения; 2) учитывать степень повреждаемости материала конструкции и отражать ее несущую способность; 3) способствовать  получению конструкций с минимальным расходом материала.

Кроме того, критерии необходимо базировать на определенной теории прочности.

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

В действительности конструкции имеют разного рода начальные дефекты как технологические, так и конструктивные,  ограничивающие пластическую деформацию, при которой начинается разрушение. Таким образом, эти деформации не успевают распространиться ил весь объем тела, что говорит в пользу критерия  ограниченном пластической деформации. Для диаграммы с упрочнением такое ограничение служит естественным критерием. Несущую способность элемента (конструкции) при этом можно назвать конструктивной или эксплуатационной прочностью, верхней границей  которой для бездефектного материала служит предельное равновесие; а нижней — хрупкая прочность при наличии соответствующих дефектов или условий. Следовательно, ограниченная пластическая деформация характеризует физическое состояние материала и  отражает степень использования несущей (эксплуатационной) способности элемента или конструкции в целом.

Для практических исследований и расчетов конструкций целесообразно сочетание феноменологических теорий с физическими критериями, устанавливаемыми по тем или иным условиям — работоспособность материала, эксплуатационные требования. Этому и отвечают предлагаемые автором расчеты по ограниченным пластическим деформациям. С учетом изложенного и, исходя из условий прочности, приняты следующие деформационные критерии эксплуатационной способности: 1) интегральный для системы, в качестве которого принимается дополнительная энергия системы; 2) перемещения узлов и элементов конструкции; 3) физический для интенсивности ограниченной пластической деформации в сечении 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  группы I (из условий прочности) предлагается ограниченная пластическая деформация в сечениях элементов от расчетных нагрузок  (местный критерий) или ограниченное общее остаточное перемещение конструкции (общий критерий), являющееся" функцией местных пластических деформаций. Если местный критерий характеризует степень повреждаемости материала и степень использования несущей способности сечения, то общее остаточное перемещение характеризует работу сооружения и невозможность его эксплуатации в  предельном состоянии.

В качестве критерия предельного состояния группы II (из условий прочности) предлагается не допускать 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  нормальной 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  состояний необходимы методы расчета как в упругой, так и в упруго-пластической стадиях, причем на первый план выдвигаются пространственные расчеты, как наиболее полно отражающие действительную работу конструкций. Это позволит дать предложения по нормированию 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  исследований самого материала (стали) и испытаний конструкций стальных мостов. Все отмеченное в едином комплексе позволит перейти на новый качественный уровень методов расчета и конструирования стальных мостов, что приведет к созданию более экономичных, равнопрочных, совершенных и надежных сооружений, а следовательно, в известной степени решится важнейшая проблема— проблема экономии стали.