Проектирование металлического пролетного строения по железнодорожную нагрузку

Введение 

 

В области строительства искусственных  сооружений одним из главных направлений  является дальнейшее повышение индустриализации путем ускорения комплексной  механизации, организации поточного  производства элементов конструкций  и их монтажа. В настоящее время стальные мосты наиболее полно удовлетворяют этим условиям.

Строительные стали  обладают высокой прочностью, пластичностью  и ударной вязкостью. Поэтому  стальные мосты имеют наибольшие пролеты и надежно работают под  тяжелыми динамическими нагрузками.

Стальные пролетные строения имеют  различные статические системы  и разнообразные конструктивные формы. Они легко расчленяются на крупные блоки или элементы, удобные  для изготовления, перевозки и  монтажа. Масса стальных пролетных  строений значительно меньше соответственных железобетонных, что снижает нагрузку на опоры мостов, уменьшает транспортные и другие расходы.

Большим преимуществом стальных мостов является максимальная индустриализация их изготовления на специальных заводах, применение автоматической электросварки, высокое качество и степень заводской готовности комплексной механизации и малая трудоемкость монтажа различными способами, в любое время года и очень короткие сроки.

Стальные пролетные строения имеют  длительный срок службы. Они могут  быть сравнительно просто усилены при увеличении временной подвижной нагрузки.

Стальные мосты сооружают на различных дорогах в районах  с любыми климатическими условиями. На железных дорогах нашей страны они составляют более 50% протяженности  всех мостов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные.

 

1. Характеристики нагрузок, габарита, материального исполнения пролетного строения.

 

В соответствии с заданием на разработку курсовой работы требуется составить  проект стального пролетного строения со сплошной главной балкой под нормативную временную нагрузку от железнодорожного подвижного состава С14.

Габарит приближения  строения «С». Ширина габарита 4900 мм.

Заданный тип исполнения – Северное А. Тип конструкции пролётного строения – биметаллическое. По таблице 47 [2]. Принимаем сталь 15ХСНД – для горизонтальных листов и 10ХСНД – для вертикального листа.

Характеристики принятых марок сталей приведены в таблице 1.1. и 1.2., составленной по данным таблиц 48, 50 [2].

Таблица 1.1.

Прочностные характеристики стали марки 15ХСНД

Нормативное сопротивление, МПа		Расчетное сопротивление, МПа			Модуль упругости Е, МПа
По пределу текучести Ryn	По временному сопротивлению Run	По пределу текучести  Rу	По временному сопротивлению  Ru	Сдвигу   Rs
Толщина проката 8 – 32 мм					2,06*105
340	490	295	415	175,3
Толщина проката 33 – 50 мм
330	470	285	400	170,1

 

 

Таблица 1.1.

Прочностные характеристики стали марки 10ХСНД

Нормативное сопротивление, МПа		Расчетное сопротивление, МПа			Модуль упругости Е, МПа
По пределу текучести Ryn	По временному сопротивлению Run	По пределу текучести  Rу	По временному сопротивлению  Ru	Сдвигу   Rs
Толщина проката 16 – 32 мм					2,05*105
390	530	350	470	201,1
Толщина проката 33 – 40 мм
390	510	350	450	201,1

 

 

 

 

2. Конструктивная характеристика пролетного строения.

 

Типовое пролетное строение по Т.П. Инв. №        представляет собой две двутавровые балки жестко объединенные между собой системой продольных и поперечных связей. Характеристики типового решения пролетного строения приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3.

Характеристики типового пролетного строения l_p = 23,0 м

Расчетная длина lр, м	Полная длина lп, м	Высота балки hб, м	Вес металла, т
			Главных балок	Всего(без МП)
23,0	23,6	1,96	25,3	50,6

 

Главная балка пролетного строения составного сечения. Объединение горизонтальных поясов и вертикальной стенкой – сварное, объединение главных балок в пролетное строение – фрикционное.

Поперечное сечение  пролетного строения приведена на странице

 

 

 

2. Расчет балки пролетного строения.

 

2.1. Сбор нагрузок и  определение расчетных усилий.

 

Расчетные усилия (изгибающие моменты  в середине и четверти пролета  и перерезывающей силы в опорном  сечении и в четверти пролета) определяются от воздействия постоянных и временных нагрузок распределенных по длине пролета. Расчетная схема  балки пролетного строения и схема ее загружения приведена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1. Расчетная схема балки пролетного строения

 

Постоянная нагрузка складывается из нагрузок от веса пролетного строения Р_б , от веса мостового полотна Р_мп и от веса смотровых приспособлений Р_с .

Нагрузка от веса тротуаров в  курсовой работе не учитывается.

Нагрузку от веса пролетного строения определим по выражению:

;   (2.1.)

 

Временная нагрузка от подвижного состава железных дорог u^l_a;к определим по таблице 1.П.5.[2] в зависимости от характеристик линий влияния (l;a). Соответствующие линии влияния приведены на рисунке 2.2.

 

Расчетные усилия по методу предельных состояний для расчетов на прочность  определяются по формуле:

;   (2.2.)

где:  S_р – расчетное усилие;

g_fgi и g_fgu - коэффициенты надежности по нагрузке (постоянной и временной соответственно), определяемые по таблице 8, таблице 13 [2];

Рисунок 2.2. Линии влияния изгибающих моментов и

перерезывающих сил  в балке

 

1+m - динамический коэффициент, для железнодорожных мостов вычисляемый по формуле (18)[2]:

;      (2.3.)

g_fgi = 1,1; g_fgi = 1,3;  g_fu (при l = 23,0м) = 1,22;  

 (кНм);

 (кНм);

 (кН);

 g_fu (при l =17,25м) = 1,25;  

 (кН)

Расчетные усилия для расчетов на выносливость определяют по формулам:

;   (2.4.)

где: Е – коэффициент, исключающий из временной подвижной нагрузки влияние транспортера, определенный по таблице 9 [2].

Е (при l = 23,0м) =0,85;  

 (кНм);

 (кНм)

Вычисленные величины расчетных усилий сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Значение расчетных  усилий

Расчетное усилие	Для расчетов по прочности	Для расчетов на выносливость
М0,5	10695,76 кНм	7045,89 кНм
М0,25	8519,40 кНм	5601,50 кНм
Q0	2092,93 кН
Q0,25	1243,74 кН

 

 

2.2. Подбор сечения  главной балки.

 

2.2.1. Краткая  характеристика главной балки.

 

Главная балка выполнена из листового  проката стали марки 15ХСНД – горизонтальные  и 10ХСНД – вертикальный лист. Поперечное сечение балки – двутавровое. Объединение вертикальной стенки балки и горизонтальных поясов – сварное.

 

 

2.2.2. Нахождение требуемого  момента сопротивления.

 

Требуемый момент сопротивления W_тр сечения балки определим из условия прочности по нормальным напряжениям, принимаем:

;     (2.5.)

где: m – коэффициент условий работы. Для северной зоны А m = 0,9

Преобразуя (2.5.) получим:

;

(м³)

2.2.3. Приблизительное  назначение размеров 

вертикальной стенки балки.

 

Высоту вертикальной стенки балки  первоначально назначаем из типового проекта. По типовому проекту инв.№333 вертикальная стенка h_w=2,0 м. Толщину вертикальной стенки t_w принимаем равной 12 мм.

 

 

2.2.4. Определение высоты  стенки балки.

 

А) из экономических соображений

Требуемую высоту стенки балки определим  по выражению:

;     (2.6.)

где: k = 1,15 – конструктивный коэффициент

(м)

 

Б) из условия жесткости

Требуемую высоту стенки балки определим по формуле:

;  (2.7.)

 

где: ;  ;

(м)

 

Окончательно назначаем высоту балки h = h^э_тр = 1,96м

 

 

2.2.5.Корректировка  толщины вертикальной стенки.

 

Производится из условия прочности в опорном сечении по формуле Журавского:

;                                  (2.8.)

 

(м);

Принятая раньше толщина  мм в корректировке не нуждается.

2.2.6.Определение требуемого момента инерции сечения балки

Требуемый момент сечения балки  определяем по формуле:

;     (2.9.)

(м )

Момент инерции вертикальной стенки балки определим по формуле:

;     (2.10.)

Высоту стенки балки  определим из условия:

;     (2.11.)

Принимая толщину пояса  балки, равную 0,025 м получаем:

(м)

(м );

Требуемый момент инерции пояса  балки определим по выражению:

;     (2.12.)

(м⁴);

 

 

2.2.7.Определение ширины пояса  балки

 

Ширину пояса балки  выразим из выражения:

;    (2.13.)

Преобразовав (2.13.) получаем:

;

(м)

В ходе дальнейших расчетов установлено, что ширины пояса балки  равной 0,98 м достаточно (с запасом), и следует принимать ширину пояса 0,5 м.

Окончательное сечение  балки приведено на рисунке 2.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3. Поперечное сечение балки в середине пролета.

 

Геометрические характеристики сечения балки в середине пролета  приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Геометрические характеристики сечения  балки в середине пролета

Схема сечения	Состав сечения	А, м2	Ix , м4	Wx , м3	So , м3	Sп , м3
1	2	3	4	5	6	7
	Вертикальный  hw*tw=1,91*0,012	0,0234		0,089
	Горизонтальный  2*bf*tf=0,5*0,025*2	0,059				0,0121
			0,0304		0,0176

 

 

 

 

2.3. Расчет на  прочность по нормальным напряжениям.

 

Производится по формуле:

;     (2.14.)

где  c₁ – коэффициент, учитывающий ограниченное развитие пластических деформаций, определяемый по таблице 61[2];

W_n – минимальный момент сопротивления сечения нетто, для биметаллических конструкций он равен:

;

где

c₁ определяется в зависимости от соотношения площадей

 и 

; ;c₁=1,079

(МПа) < (МПа);

d = 68,54 %.

 

 

2.4. Расчет на  выносливость.

 

Производится по формуле 187 [2]:

;

где s_max,ef – абсолютное наибольшее нормальное напряжение,

c₃ – коэффициент, принимаемый равным 1,05;

g_w – коэффициент, определяемый по формуле 189 [2]:

где z – коэффициент, равный 1,0 для железнодорожных мостов;

u – коэффициент, в К.Р. принимаемый по условию 192 [2];

a,d  – коэффициенты, учитывающие марку стали и не стационарность режима загруженности, определяемый по таблице 78 [2];

b – эффективный коэффициент концентрации напряжений принимаемый по таблице 1.п.17 [2];

r – коэффициент асимметрии цикла переменных напряжений.