Надёжность и усталостная долговечность мостовых конструкций 2 страница

Выявленное на моделях влияние подкрепления отверстия головка­ми заклепок и болтов на напряженное состояние в окрестностях отвер­стия является максимальным, поскольку оно получено на образцах с обеспечением наиболее полного включения в работу головок заклепок и болтов. В реальных соединениях в зависимости от соотношения сил трения на контакте головки заклепки (шайбы) и элемента и напряжений в элементе это влияние будет изменяться от максимума до нуля. Это необходимо учитывать при оценке напряженного состояния в реальных соединениях в процессе их работы под переменными нагрузками.

Напряжения ад в окрестностях отверстия, вызванные усилием предварительного натяжения заклепки (болта), имеют отрицательный знак и поэтому оказывают положительное влияние на выносливость прикрепляемого элемента. Эти напряжения уменьшаются по мере удале­ния от поверхности соединения к его середине. Поэтому их роль также снижается при приближении к серединной плоскости. Эффект подкреп­ляющего действия головки заклепки (болта) также снижается в этих зонах. Таким образом, в соединениях, работающих в первой и второй стадиях, концентрация напряжений около отверстий при работе элемен­та на растяжение достигает максимума в зонах контактов соединяемых элементов, наиболее удаленных от поверхности пакета. Этому при рабо­те во второй стадии в значительной степени способствует эксцентричная передача усилия непосредственно заклепкой (болтом). Поэтому зарож­дение усталостных трещин обычно наблюдается в этих зонах.

Определение коэффициента концентрации напряжений с учетом его изменения в процессе эксплуатации. В рассматриваемой методике оценки усталостной долговечности элементов пролетных строений с за­клепочными и болтовыми соединениями характеристики сопротивления усталости и их изменения в процессе эксплуатации оцениваются через коэффициент концентрации напряжений для заклепочного (болтового) отверстия а, являющегося в этих элементах, как правило, основным концентратором напряжений, в зоне которого зарождаются усталост­ные трещины. В связи с этим при оценке накопления усталостных по­вреждений необходимо следить за изменением a_ff в зависимости от износа соединения и усилия, действующего на прикрепляемый элемент. Изменение а_д, как показали исследования, практически линейно зависит от износа соединения и осевых напряжений в прикрепляемом элементе.

Под коэффициентом линейного износа к подразумевается вели­чина уменьшения толщины пакета вследствие износа по одному кон­такту при единичном нормальном давлении и суммарном взаимном сме­щении поверхностей контакта. За единичное нормальное давление прини­мается 1 Н/м², а единичное суммарное смещение - \ м. Эта характерис­тика зависит от многих факторов и мало изучена. При испытаниях в лабораторных условиях образцов из малоуглеродистой стали среднее значение к колебалось в пределах 284 • 10~'⁷ - 416" Ю^-17 м²/Н. Усилие начального предварительного натяжения заклепки в соединениях зависит главным образом от толщины склепываемого пакета 2а и диа­метра заклепки d. Начальные напряжения в заклепке увеличиваются с ростом отношения a/d и колеблются в пределах от 50 МПа до предела упругости металла заклепки. При расчетах величину начальных напряже­ний в заклепке принимают равной 50 МПа независимо от конструкции соединения и технологии постановки заклепок, что идет в запас.

Построив диаграмму изменения a_Q для рассматриваемого прикреп­ления, легко определить a_Q no S' и а в любой период работы кон­струкции, используя линейную интерполяцию по S' и а_} (во второй стадии работы прикрепления). При этом ' а вычисляют обычными ме­тодами расчета при действии нагрузок рассматриваемого блока.

Основные положения и методика расчета S^ приведены в работе В. О. Остова "Долговечность металлических пролетных строений экс-288

Рис. 7.13, Осциллограмма напряжений в элементе пролетного строения моста с делением на разряды

плуатируемых железнодорожных мостов" (М.: Транспорт, 1982). Не ¹ останавливаясь на детальном разборе этой методики, рассмотрим лишь некоторые практические приемы оценки S'. Будем считать, что в начале координат диаграммы изменения а (см. рис. 7.7) износ соединения равен нулю. При воздействии каждого блока нагрузки происходит из­нос соединения, характеризуемый S'. Откладывая значения S'_tG по оси S в последовательности, соответствующей действию блоков на­грузки, получим координаты износа SL соответствующие пропуску рассматриваемой нагрузки. Чтобы получить S', необходимо просум­мировать все взаимные упругие сдвиги соединяемых элементов, воз­никающие в результате действия переменных усилий. Для решения этой задачи необходимо иметь информацию о всей совокупности изменений напряжений в элементе по нх-величнне и уровню напряженности и зави­симость упругих сдвигов в соединении от напряжений в элементе.

Рассмотрим осциллограмму изменения напряжений в элементе про­летного строения моста (рис. 7.13). Разделив весь диапазон изменения напряжений, включая и напряжения от собственного веса а, на равные участки (разряды), можно определить, сколько раз линия осциллограм­мы проходит каждый разряд. Число пересечений данного разряда соот­ветствует числу изменений напряжений, равных разряду, на уровне рас­сматриваемого разряда. Таким образом получим информацию о всей совокупности изменения напряжений а по их величине и уровню напря-I женности при проходе поезда, необходимую для определения 5_f' от его I воздействия. Эти изменения носят случайный характер. Произведя ста­тистическую обработку достаточно большого числа осциллограмм, запи­санных в течение определенного времени, можно установить закономер ность изменения напряжений, т, е. получить функцию плотности распре­деления вероятности напряжений /(с). Для получения необходимой ин­формации диапазон изменения а делят не менее чем на 15 разрядов, чтобы учесть сравнительно небольшие, но часто повторяющиеся измене­ния напряжений. Обработку статистических данных производят от-

Ю Зек. 1188 289

>

определено число пересечений разрядов, используя линейную зависи­мость. Цену разряда определяют для каждого блока нагрузки (поезда) по расчетным экстремальным значениям напряжений а, а., ко­торые вычисляют с соответствующими динамическими коэффициентами.

7.4. Режимы нагружеиия элементов пролетных строений мостов

Режимы нагружеиия элементов пролетных строений (изменение си­ловых факторов, напряжений) представляют собой широкополосный случайный процесс. Изменение напряжений в элементах мостов характе­ризуется значительным разбросом как по амплитудам, так и по средним напряжениям циклов, т. е. процесс нагружеиия является двухпараметри-ческим, в связи с чем задача по определению меры повреждения значи­тельно усложняется. Наиболее полное описание изменения напряжений в элементах мостов можно получить на основании теории случайных процессов.

Согласно рассмотренной в п. 7.2 методике оценки меры поврежде­ния элементов с заклепочными и болтовыми соединениями процесс из­менения напряжений в элементе представляют в виде распределения слу­чайной величины а максимальных напряжений циклов, приведенных к постоянному коэффициенту асимметрии р = const. Для удобства систематизации нагружеиия элементов, накопления статистических дан­ных и использования их в расчетах, действующие на мост подвижные нагрузки удобно разделять на блоки, включающие поезда, обращающие­ся в течение определенного промежутка времени. При этом в каждом блоке раздельно оценивают режимы нагружеиия от локомотивной на­грузки (максимальные огибающие циклы от действия всего поезда: отдельно от пассажирских поездов, грузовых однородных, грузовых смешанных и с порожним составом) и от пассажирских и грузовых составов (однородных, смешанных и порожних).

Наиболее полная оценка режимов нагружеиия может быть получена с использованием математической модели потока подвижных единиц, моделирующей реальный поток движения на определенном участке железной дороги. Основная трудность при создании такой модели со­стоит в многообразии форм сочетаний вагонов и степени их нагружен-ности.

Характеристики режимов нагружеиия элементов мостов от обра­щающейся нагрузки на определенных направлениях железных дорог наиболее быстро можно получить на основании обработки непосредст­венной информации об изменении усилий (напряжений) в элементах мостов при воздействии подвижной нагрузки. При этом сбор информа­ции (запись осциллограмм) должен сочетаться с анализом данных о формировании поездов.

На основании опытных данных установлено, что для большинства элементов главных ферм пролетных строений мостов достаточно иметь информацию (осциллограммы) при непрерывном пропуске 50-100 по­ездов.

Разработаны и применяются различные методы систематизации цик­лов изменения напряжений. Метод полных циклов следует считать наиболее надежным для оценки режимов нагружеиия элементов мостов. Результаты обработки осциллограмм представляют в виде мат­риц циклов, которые составляют раздельно для локомотивной нагруз­ки, пассажирских и грузовых составов или целиком для блока поездов. Матрица циклов представляет собой таблицу, в которую записывают количество циклов п.. с соответствующими значениями максималь-pix (а_{т ах} .) и минимальных (р_{т jn} •) напряжений, и имеет следующую (Ьорму:

Главным условием приведения двухпараметрического процесса из­менения напряжений к однопараметрическому является сохранение ра­венства накопления усталостных повреждений, определенных по исход­ным и приведенным режимам нагружеиия. Приведение двухпараметри­ческого процесса к однопараметрическому при условии линейного сум­мирования усталостных повреждений и параллельности линий усталости

Коэффициент приведения А является характеристикой, завися­щей от коэффициента концентрации напряжений, материала, из которо­го изготовлен рассматриваемый элемент, условий его работы и т. п. Следовательно, даже для однотипных (по схеме) элементов мостов, эксплуатируемых под воздействием одних и тех же нагрузок, но изго­товленных из разных материалов и имеющих различную концентрацию напряжений, будут различные характеристики приведенных напряжений. Это значительно усложняет накопление информации о режимах нагруже­ния и ее использование в расчетах. Неучет же таких факторов, как кон-дентрация напряжений, качество материала при оценке режимов нагру­жения может привести к значительным ошибкам. В МИИТе Е. П. Феоктистовой разработана методика, позволяющая определять параметры распределения а при любом коэффициенте триведения А по параметрам, полученным при коэффициенте приве­дения А. Характеристики распределения приведенных напряжений три обработке осциллограмм (исходная информация о характеристиках гежимов нагружения определенных типов элементов по схеме моста) /добно определять при коэффициенте приведения А = 0,5. Их полу-ают для каждого блока нагрузки по матрицам циклов. В результате 5удем иметь характеристики статистического и соответствующего ему еоретического распределения а для рассматриваемых элементов при юздействии соответствующих блоков нагрузки. Для перехода от Полу­ниных характеристик распределения а при А = 0,5 к характерис-икам распределения о для аналогичного элемента с коэффициентом

Таким образом, достаточно иметь исходную информацию о режи­мах нагружения элементов при А, чтобы получить характеристики ре­жимов нагружения для однотипного элемента при любом А. Учитывая, что на железных дорогах нашей страны эксплуатируется много однотип­ных по схеме и размерам пролетных строений, элементы которых изго­товлены из различного металла и имеют различные конструктивные фор мы и прикрепления, этот способ позволяет значительно сократить объем накопляемой информации о режимах нагружения. Но для этого при обра­ботке матриц циклов необходимо, кроме числа циклов, основных характе­ристик распределения а (математического ожидания, дисперсии и их доверительных интервалов), определить параметры а а а. Осциллограммы обрабатывают следующим образом (рис. 7.15). Максимальное изменение напряжений в рассматриваемом элементе при пропуске всех исследуемых поездов блока (с учетом напряжений от собственного веса а) разбивают на 10—20 равных участков (разря­дов). Результаты систематизации заносят в матрицу циклов. Приведение всех циклов к циклам с напряжением а при р = 0 удобно делать при А = 0,5 с использованием формулы (7.41). На основании полу­ченных данных строят гистограммы (рис. 7.16) и определяют числовые характеристики теоретического распределения, соответствующего ста­тистическому. Результаты обработки представляют в виде таблицы. Установлено, что статистическое распределение а для элементов главных ферм достаточно хорошо согласуется с нормальным законом.

Рис. 7.15. Осциллограмма («) и условные циклы напряжений от локомотив­ной (б) и вагонной (в) нагрузок

Анализ накопленных данных о режимах нагружения показывает, что ха­рактеристики режимов нагружения в основном зависят от вида нагруз­ки и параметров линий влияния. При длинах однозначных участков линий влияния от 10 до 30 м число циклов примерно равно числу ваго­нов в поезде, а при длинах участков более 30 м оно зависит от сочетания различных групп вагонов, уменьшаясь с увеличением длины линии влия­ния. При длинах линий влияния менее Юм число циклов примерно со­ответствует числу осей или тележек.

Рис. 7.16. Гистограммы и кри­ вые теоретической плотности распределения а в раскосах 3-4 и 4 - f при воздей­ ствии грузовых составов при движении в направлении, ука­ занном стрелкой (о-в раз- 7 рядах)

При определении v. значение п. вычисляют путем умножения числа поездов и пассажирских составов, входящих в рассматриваемый

блок нагрузки, на число циклов от соответствующей нагрузки. Цену разряда для каждого блока нагрузки определяют по расчетным экстре­мальным значениям напряжений а_т и о., предварительно приве­денным к ст_п(тах> и <7_n(jnin) ⁼ 0. Расчетные значения напряжений а и а. вычисляют обычным способом с учетом динамических

max mm „ ' ■ ",

коэффициентов. Вследствие непрямой передачи усилии наблюдается не­которое перенапряжение элементов в зонах их Прикрепления. Повыше­ние в них номинальных напряжений по сравнению со средними значе­ниями, которые определяются обычным расчетом, зависит от доли так называемой непосредственно перекрытой части сечения. Это повыше­ние напряжений учитывают путем умножения расчетных напряжений на коэффициент условий работы m, который принимают в зависимости от величины непосредственно перекрытой части сечения: при непосредствен­ном перекрытии 80 - 90 % сечения прикрепляемого элемента m = 1,04; 60 - 80 % сечения - m = 1,1; 40 - 60 % сечения - m = 1,25 и менее 40 % - m = 1,3. В случае определения величин номинальных напряже­ний в сечениях по наиболее напряженным рядам заклепок (болтов) "точным" способом, коэффициент гп принимают равным единице.

Значительные трудности возникают при оценке режимов нагруже-
ния элементов мостов от воздействия ранее обращавшихся и перспек­
тивных нагрузок. В первом приближении можно принять условие сохра­
нения подобия распределения повторяемости, т. е. сохранения постоян­
ства параметров распределения напряжений (в разрядах) для всех бло­
ков нагрузки. Тогда задача решается просто. Значения <?_{т ах} и а _т.
от воздействия соответствующего блока нагрузки для проверяемого
элемента определяют как было рассмотрено выше. Характеристики рас­
пределения (в разрядах) и закон распределения о принимают как для
современных поездов, а цену разряда вычисляют по расчетным экстре­
мальным напряжениям а и сг _}п, предварительно приведенным

I

P к а,, и а,.. = 0. Число циклов изменения напряжений опре-
п(тах) п(тт) ^ г г

деляют с учетом массы поезда, его длины или числа осей путем введения коэффициентов, учитывающих соотношение этих величин для поездов рассматриваемого блока и поездов, от воздействия которых определено число циклов. При наличии характеристик кривых усталости для циклов с различ­ными р определение меры повреждений можно выполнить, используя непосредственно матрицу циклов:

в общую дисперсию динамической составляющей нагружения элементов главных ферм железнодорожных мостов. Дополнительные циклы изме­нения усилий (напряжений) в элементах мостов могут возникать и от других воздействий, например, местных от подвижной нагрузки. С неко­торыми допущениями режимы нагруженности многих элементов пролет­ных строений можно рассматривать как двухчастотные процессы. Экспериментальные исследования показывают, что долговечность металлических элементов, работающих в условиях циклического нагру­жения, значительно снижается при наложении дополнительных вибраций (циклов). Снижение усталостной прочности при двухчастотном нагру-жении обычно оценивают коэффициентом снижения долговечности х. равным отношению долговечности при одночастотном N и двухчас­тотном N нагружениях. На этот коэффициент наиболее существенное влияние оказывают частотные и амплитудные отношения составляющих двухчастотного нагружения, а также свойства материала. Экспериментальные исследования усталостной прочности мосто­вых сталей марок Ст. 3 и 15ХСНД при двухчастотном нагружении, про­веденные в МИИТе В. К. Матвеевым, показали, что с увеличением амплитудных и частотных отношений долговечность и предел выносли­вости этих сталей резко уменьшаются, при этом между логарифмом сни­жения долговечности lg x и отношением а /а (здесь а, а — ,_, „ -. fiB 8Н „ вВ ЯН амплитуды второй и первой частот) существует линейная зависимость. Эти закономерности хорошо согласуются с результатами, полученными В. И. Труфяковым и В. С. Ковальчуком на основании исследований низ­коуглеродистых и хромоникелевых сталей в институте электросварки им. Е. О. Патона. Ими получена зависимость

Таким образом, используя основные закономерности кривых уста­ лости, можно учитывать повреждающее действие циклов второй частоты при оценке меры повреждения элементов металлических мостов. Основ­ ная задача состоит в определении коэффициентов снижения долговеч­ ности х и выборе значений а а /и/ для каждого, цикла. низкочастотных напряжений. ^н Во многих случаях (при проектировании пролетных строений, оценке воздействия перспективных нагрузок и др.) удобно использо­вать осциллограммы, полученные путем "прокатки" нагрузки по лини­ям влияния на ЭВМ. Как отмечалось в предыдущем параграфе при оценке усталостного ресурса сварных сплошностенчатых балок в качестве эталонного поезда принят поезд, состоящий из трехсекционного локомотива (в каждой секции восемь осей с нагрузкой по 300 кН) и тридцати восьмиосных полувагонов габарита Т с нагрузкой на ось 250 кН. Режимы нагруже­ния от воздействия этого поезда для разрезных балок пролетом от 18 до 55 м для семи сечений, равномерно распределенных по длине, были получены путем "прокатки" поездов по линиям влияния на ЭВМ. Воз­можные отклонения загруженности вагонов учтены путем "розыгрыша" осевой нагрузки случайным образом по нормальному закону с матема­тическим ожиданием 250 кН и коэффициентом вариации 0,125. Динамическое воздействие подвижного состава учитывали путем введения динамических добавок к амплитудам циклов. При этом рас­пределение динамического коэффициента к амплитудам циклов прини­мали по нормальному закону. Для получения статистических характе­ристик режимов нагружения по каждой линии влияния "прокатыва­лось" не менее 40 поездов. Анализ полученных процессов нагружения балок показал, что они носят двухчастотный характер (см. рис. 7.9) и распределение амплитуд циклов изгибающих моментов второй частоты удовлетворительно согла­суется с законом Релея, а распределение максимумов огибающих циклов хорошо согласуются с нормальным законом. Коэффициент снижения у^лостной долговечности к /-му низкочастотному циклу определяли по формуле:

Исследованиями установлено, что углы поворота главных площадок в характерных зонах сварных простых балок при проходе по ним поез­дов изменяются в среднем до 15, и их влияние на накопление усталост­ных повреждений пока не учитывают.

7.5. Ресурс элементов пролетных строений и способы его повышения

Накопление усталостных повреждений в элементах главных ферм, изготовленных по различным расчетным нормам, происходят крайне неравномерно. Это связано с особенностями конструкции пролетных строений и отдельных элементов, их прикреплений и характера измене­ния напряжений.

Для оценки и прогнозирования усталостного ресурса и надежности мостов важно знать не только величину накопленных повреждений в данный момент эксплуатации, но и скорость ее роста при воздействии обращающихся поездов и особенно более тяжелых перспективных на­грузок, которые готовятся к вводу в эксплуатацию. Последнее обстоя­тельство приобретает особое значение в связи с предстоящим значитель­ным повышением веса подвижных нагрузок и интенсивности их обра­щения.

В табл. 7.2 приведены отдельные результаты оценки усталостной долговечности и надежности по изложенной выше методике наиболее слабых по выносливости элементов главных ферм пролетных строений, схемы которых представлены на рис. 7.17. В табл. 7.2 даны характерис­тики главных ферм пролетного строения (расчетные нормы, год по­стройки, тип прикрепления и классы элемента по прочности) и значения меры повреждения: за период примерно до 1992 г.; при пропуске 100 тыс. грузовых поездов с локомотивом ВЛ80 и вагонов с распреде­ленной нагрузкой q = 65 кН/м и 100 тысяч перспективных поездов Т, состоящих из локомотива с нагрузкой на ось 276 кН и состава из вось-миосных вагонов длиной 16,75 м и нагрузкой на ось 224 кН с распреде­ленной вагонной нагрузкой 105 кН/м. Поезда типа Т постепенно бу-дрг'введены в обращение по всей сети железных дорог и станут основ­ными в ближайшей перспективе. В связи с этим влияние этой нагрузки на рост накопления усталостных повреждений в элементах пролетных строений, изготовленных по различным расчетным нормам, представ­ляет значительный интерес с точки зрения прогнозирования их усталост­ного ресурса и надежности.

Анализ результатов оценки усталостной долговечности и надежно­сти элементов главных ферм, часть которых приведена в табл. 7.2, по­казывает, что наиболее интенсивное накопление усталостных повреж­дений происходит в раскосах, работающих при преимущественном рас­тяжении, и в подвесках, когда раскосы и подвески прикреплены одно-

Рис. 7.17. Схемы главных ферм клепаных пролетных строений

срезными заклепками. Значительно медленнее накапливаются усталост­ные повреждения в элементах нижних поясов главных ферм, работаю­щих на растяжение. Однако встречаются элементы нижних поясов глав­ных ферм, в которых мера повреждения приближается в отдельных случаях к критическому значению v =0,3. Более интенсивный рост

Дата добавления: 2015-06-30