3.5. Несущая способность поврежденных металлических опор и ригелей [1988 Кудрявцев А.А. - Несущая способность опорной конструкции контактной сети]

Наиболее характерными видами повреждений металлических опорных конструкций являются равномерная и неравномерная коррозия, погнутость поясов и раскосов. Реже встречаются язвенная и щелевая коррозия, разрушение сварных и заклепочных соединений. В условиях эксплуатации приходится иметь дело в основном с оценкой опасности коррозионных разрушений.

По характеру развития коррозионные разрушения можно подразделить на два вида: местное и общее (равномерное и неравномерное). Местные коррозионные разрушения наблюдаются в зоне заделки поясов и раскосов металлических опор в оголовки, а иногда и выше их, когда оголовки засыпаны грунтом. В ригелях местных коррозионных разрушенний не наблюдается. В этих конструкциях (развивается равномерная и неравномерная коррозия. Повышенный износ поясов и раскосов в них отмечается над путями, по которым происходит движение тепловозов.

Прочность оставшихся сечений поясов и раскосов, стоек и связей в ригелях и опорах должна определяться проверочным расчетом. Это единственный метод оценки состояния конструкций. С достаточной для практики точностью можно рассчитать усилия в поясах, раскосах и стойках, рассматривая опоры и ригели как системы с шарнирными узлами прикрепления элементов. Во многих случаях это позволяет сводить расчеты пространственных конструкций к расчету плоских ферм. Например, усилия в поясных уголках опор, работающих в основном на нагрузку поперек пути, можно определять по простой формуле

где M - изгибающий момент от основных нагрузок; h - высота сечения опоры.

Усилия в поясах ригелей жестких поперечин определяются с учетом работы их на моменты, действующие в двух плоскостях; вертикальные (от основных нагрузок) и горизонтальные (от обрыва проводов и давления ветра на поперечину). Принято считать, что горизонтальные нагрузки от обрыва проводов воспринимаются только фермой нижнего пояса, а нагрузки от давления ветра распределяются пропорционально жесткостям нижнего и верхнего поясов (в горизонтальной плоскости). В аварийном режиме ригели рассчитываются на восприятие вертикальных нагрузок и горизонтального усилия от обрыва проводов, а в нормальном - на те же вертикальные нагрузки и давление ветра на поперечину.

С учетом этого усилие в наиболее нагруженном уголке нижнего пояса:

где ΣM - суммарный момент в рассматриваемом сечении от всех вертикальных сил;

h, b - расчетные соответственно высота и ширина сечения;

A_н, A_в - площади поперечного сечения соответственно нижнего и верхнего поясов.

Если выражения (3.26) - (3.28) умножить на 2h, то получим уравнения моментов, которые обычно используют для проверки прочности поясов:

Эти уравнения используют при привязке ригелей к конкретным условиям, но, пользуясь ими, можно определять и усилия в поясах. При этом находить величины ΣM, M_обр, M_w следует, пользуясь формулами, приведенными в курсах контактной сети [32, 54].

Расчет прочности поврежденных конструкций должен производиться при следующих режимах работы:

I - аварийном (гололед и обрыв провода, ветер отсутствует);

II - нормальном (гололед и давление ветра при скорости u=0,5 u_max);

III - давление ветра при u_max с отсутствием гололеда (летний режим).

Максимальные усилия, как показывают расчеты, возникают в нижнем поясе от нагрузок аварийного режима, а в верхнем - при нагрузках нормального (летнего) режима.

Прочность поясов следует проверять в зоне максимального изгибающего момента и в местах перехода с большего сечения на меньшее, т. е. за стыками секций. В последнем случае проверяется прочность поясов уменьшенного сечения. Максимальные значения изгибающих моментов в ригелях возникают в середине пролетов или близко к этим сечениям (рис. 3.19,б), а в опорах - на уровне заделки в фундаменты. Но наиболее слабыми сечениями иногда оказываются сечения поясов крайних секций в зоне стыков их со средними секциями.

Раскосы и стойки в ригелях и опорах рассчитываются на восприятие поперечной силы Q. Максимальные значения поперечных сил в ригелях возникают на приопорных участках. Форма эпюры поперечных сил, возникающих в ригеле от внешних нагрузок и собственного веса, показана на рис. 3.19,в. В соответствии с принятыми на рисунке обозначениями опорные реакции RA и R в вычисляются по формулам:

У опоры Б поперечная сила Q₄ должна быть равна опорной реакции R_Б o

Рис. 3.19. Расчетная схема (а), эпюры изгибающих моментов (б) и поперечных сил (в) ригеля жесткой поперечины, перекрывающего три пути: 1-4 - участки пролета

Усилия в стойках N_c ригелей принимаются равными поперечным силам Q/2 (на соответствующих участках), а усилия в раскосах N_α=Q/(2 sin α) (где α - угол между раскосом и поясом).

Прочности поясных уголков, раскосов и стоек должны определяться на расчетные значения нагрузок M и Q. При определении их каждый вид нагрузок P и q должен учитываться со своим коэффициентом перегрузки, как указано в параграфе 3.1.

Минимально допустимая площадь поперечных сечений растянутых поясных уголков или раскосов у опор и ригелей, подвергшихся коррозии,

где N_p - расчетное растягивающее усилие в элементе;

γ_c - коэффициент условий работы, принимаемый для растянутых элементов опорных конструкций, равным единице.

Требуемое сечение сжатых элементов определяется с учетом их устойчивости

где φ - коэффициент продольного изгиба, определяемый по табл. 3.5 в зависимости от гибкости λ;

γ_c - коэффициент условий работы, принимаемый равным единице для сжатых поясных уголков и прямолинейных раскосов и стоек. Для раскосов и стоек, имеющих технологические (сварочные) искривления с максимальными прогибами в средней части, равными 3-4 мм, γ_c=0,8.

где l₀ - расчетная длина элемента, равная расстоянию между узлами прикрепления элементов в свету;

r_min - минимальный радиус инерции, определяемый в зависимости от размеров поперечных сечений уголков.

Уменьшение толщины уголковой стали пр;и коррозии в допустимых пределах незначительно изменяет r_min. Поэтому при проверке прочности корродированных элементов в расчет можно вводить радиусы инерции неповрежденных уголков.

Прочностные свойства мягких строительных сталей при поверхностной, равномерной и неравномерной коррозии, как показали испытания, меняются мало. Поэтому расчет прочности следует производить по установленному для СтЗ расчетному сопротивлению 210 МПа.

При проверке прочности сжатых элементов особое внимание следует обращать на искривление их. По вышеприведенным формулам можно определять прочность только прямолинейных элементов или имеющих очень незначительные технологические (сварочные) искривления, не превышающие, как правило, 2-3 мм в пределах панели. Если же пояса, раскосы или стойки имеют дополнительные искривления от механических нагрузок, рассматривать их следует как внецентренно сжатые элементы, которые воспринимают не только сжимающие усилия, но и дополнительный изгибающий момент от внецентренного приложения усилий. Возникающие при этом краевые напряжения не должны превышать расчетных сопротивлений. С увеличением эксцентриситета краевые напряжения резко увеличиваются. Это и ограничивает допустимые прогибы элементов.

Таблица 3.5. Коэффициент ф продольного изгиба центральнссжатых стержней из СтЗ и Ст4

(Например, при гибкости λ=73 коэффициент φ=0,792.)

Продольные деформации от сжимающих (или растягивающих) усилий в погнутых элементах больше, чем в прямолинейных. Поэтому если в пределах панели имеются погнутые и прямолинейные элементы одного назначения, большая часть усилий воспринимается прямолинейными элементами. Доля нагрузки, приходящейся на каждый из двух параллельно работающих элементов, обратно пропорциональна их продольной жесткости.

Наиболее часто в опорных конструкциях погнутыми являются раскосы и стойки, изготовляемые из уголков малого сечения (25X4, 32X4 мм). Такие элементы, как показывают расчеты и испытания, можно считать выключенными из работы уже при прогибах всего 15-20 мм.

Погнутость растянутых элементов конструкций представляет меньшую опасность, чем сжатых. Растянутые элементы при развитии в них пластических деформаций выпрямляются и в предельной стадии параллельно установленные элементы работают полным сечением.

При небольших искривлениях погнутость раскосов и стоек в ригелях и консольных опорах легко удается ликвидировать обычными методами. Для вьипрямления поясных уголков и раскосов сечением более чем уголок 50X50X5 мм приходится прибегать к применению специальных струбцин. Если же выпрямить погнутые элементы трудно, вместо них (или параллельно им) следует приварить усиливающие уголки. Эксплуатировать конструкции с погнутыми элементами опасно. Имеются случаи потери несущей способности ригелей и опор с такими дефектами под нагрузками даже меньшими, чем расчетные.

Проверочные расчеты прочности сварных швов, заклепочных и болтовых соединений делать нет необходимости, так как разрушение их протекает медленнее, чем поясных уголков и особенно раскосов. Опасность для прочности стыковых соединений может представить только щелевая коррозия, при которой в соединительных элементах появляются дополнительные механические усилия от давления продуктов коррозии между стыкуемыми элементами. На эти усилия ни соединительные накладки, ни сварные швы, заклепки или болты не рассчитывались. При обнаружении таких повреждений конструкции придется менять или применять в зависимости от конкретных условий специальные меры усиления. Особенно опасна щелевая коррозия в такой стадии, когда она привела к местному изгибу стыкуемых элементов (между заклепками, болтами и сварными швами) или стыкуемые элементы отделились друг от друга. В последнем случае материал заклепок или болтов пластически деформирован, а сами они существенно снизили несущую способность или потеряли ее совсем.

Пластические деформации болтов или заклепок приближаются к предельным, когда толщина слоя продуктов коррозии и ширина зазора между поясами и накладками составляет всего 1-1,5 мм. Поэтому обследования стыковых соединений нужно вести особенно тщательно, выявляя даже незначительные искривления и смещения стыкуемых элементов.

В целом можно отметить, что в металлических конструкциях количество повреждений, развивающихся в процессе эксплуатации, невелико. Все они легко обнаруживаются при внешнем осмотре. Главные из них связаны с коррозией и местными непредвиденными механическими воздействиями. Опасность и допустимость этих повреждений может быть определена расчетом применительно к конкретным условиям загружения. Но в подавляющем большинстве случаев уменьшение толщины поясов и раскосов на 20% по отношению к проектному значению можно считать вполне допустимым. Важно при этом, чтобы сами элементы не были чрезмерно искривлены. Разрушение типовых опор и ригелей, как показывают испытания (рис. 3.20), происходит при нагрузках 1,4-1,6 нормативных, а иногда и больших. Но из-за неопределенности величины запаса большое снижение прочности допускать опасно. Можно лишь использовать резервы прочности, связанные с недогрузкой конструкций и обосновывать это расчетом.

Рис. 3.20. Схема расположения нагрузок при испытании ригелей

Инструкцией [19] рекомендовано к опасным повреждениям относить следующие:

сплошную или местную поверхностную коррозию металла или сварных швов, приводящую к уменьшению сечений конструктивных элементов более чем на 20%;

местную нитевидную или подповерхностную коррозию, расслоение металла, трещины в конструктивных элементах, сварных швах, болтах и заклепках;

щелевую коррозию, вызывающую местное искривление сопряженных элементов или дополнительные усилия в связях; ослабление стяжных болтов и заклепок; погнутость сжатых поясов и раскосов при относительном искривлении их, представляющем отношение стрелы прогиба к длине элемента, более 1%, а у растянутых уголков более 5%.

При соответствующем расчетном обосновании коррозионный износ может достигать 35% по сечению, но не более. Расчетный метод обоснования во многих случаях позволяет оставить в эксплуатации опорные конструкции с большими повреждениями, тем самым продлив сроки их службы. На основе расчетных данных можно наглядно представить также, насколько снижается несущая способность ригелей нетиповой сборки, т. е. с перевернутыми блоками.

Пример. Проверить несущую способность ригеля жесткой поперечины П13-22,5 и определить допустимый износ его элементов (поясов, раскосов, стоек). У ригеля правый блок перевернут, т. е. в блоке неправильно ориентированы раскосы и пояса поменялись местами. Схема загружения ригеля показана на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Расчетная схема ригеля

Ригель эксплуатируется на линии постоянного тока. Подвески на главных путях М-120+2МФ-100, на станционных ПБСМ-70+МФ-85. Длина продольного пролета 60 м.

Данные по собственному весу элементов контактной сети, гололеду, ветровому напору взяты из книги А. В. Фрайфельда "Проектирование контактной сети" (М.: Транспорт, 1984. 327 с.).

Линия расположена в гололедном III и ветровом II районах. Расчетная толщина стенки гололеда 0,015 м, максимальная расчетная скорость ветра 31 м/с.

Для рассматриваемой поперечины, состоящей из двух блоков, необходимо проверить несущую способность по изгибающему моменту в середине пролета и по поперечной силе - на приопорных участках.

Вертикальные нагрузки от контактной подвески по оси пути

где g_н, g_к - вес 1 м соответственно несущего троса и контактного провода; g_а - вес армировки по всей длине продольного пролета, g_а = 400 Н.

Вертикальные нагрузки от гололеда на проводах контактной подвески с учетом веса гололеда на струнах

где g_гн, g_гк - вес гололеда на 1 м соответственно несущего троса и контактного провода;

g_г_стр - вес гололеда на струнах, приведенный к весу гололеда на 1 м пролета.

Нормативный изгибающий момент от постоянных нагрузок

где α, β - коэффициенты, характеризующие место расположения расчетного сечения в пролете; при расположении расчетного сечения в середине пролета α=β=0,5;

G_i - вертикальные нагрузки от подвески и гололеда на ней, Н;

a_пi, a_лi - расстояние от опоры до нагрузок, расположенных соответственно справа и слева от расчетного сечения.

Нормативный изгибающий момент от постоянных нагрузок для расчетного сечения в середине пролета

Нормативный изгибающий момент от гололеда на проводах

Изгибающий момент в середине пролета при аварийном режиме

где h, b - соответственно высота и ширина ригеля в осях между поясами, м;

Продольная нагрузка на ригель от обрыва провода, Н,

где Q_c - вес контактной подвески с учетом гололеда; Q_c=2104 Н;

φ₁ - коэффициент сопротивления перемещению троса в седле; φ₁=0,7;

P_в - сопротивление выдергиванию зажатого плашками троса; P_в=1500 Н.

Жесткая поперечина П13-22,5 имеет размеры: 0,70X0,45 м; длина панели l_m=0,8 м; верхний пояс - уголок 50X5 мм; нижний пояс - уголок 45X5 мм; раскосы - уголок 25X4 мм; стойки - уголок 32X4 мм; g_p=312 Н/м; g_pг=140,9 Н/м.

Нагрузка на ригель от ветра максимальной интенсивности

где γ - коэффициент, учитывающий сопротивление ригеля ветровому напору.

Нагрузка на ригель от ветра в режиме гололеда

Изгибающий момент в середине пролета при нормальном режиме гололеда с ветром

где S_в - коэффициент для верхнего пояса, учитывающий распределение давления между нижним и верхним поясами; S_в=1,06.

Изгибающий момент при нормальном режиме максимального ветра

Максимальная поперечная сила возникает на приопорных участках. По абсолютному значению она равна опорной реакции:

где g_p - нагрузка от собственного веса ригеля и гололеда на нем;

a_i - расстояние от опоры С до вертикальной силы.

где F_i - вертикальные силы от контактной подвески, гололеда на ней и обрыва провода. Вертикальная нагрузка от обрыва провода принимается равной весу подвески с гололедом с коэффициентом динамичности к_д=1,9;

x - расстояние от опоры С до расчетного сечения.

Проведем проверку несущей способности левого блока ригеля. Растягивающее усилие в нижнем поясе

Требуемая площадь поперечного сечения нижнего пояса

Действительная площадь поперечного сечения некорродированного уголка 45X45X5 мм равна 4,29•10^-4м². Несущая способность нижнего пояса достаточна. Однако запас прочности составляет всего 9%. Коррозионный износ нижнего пояса допустить нельзя.

Продольное усилие в уголке верхнего сжатого пояса

где φ - коэффициент продольного изгиба, определяемый по табл. 3.5 в зависимости от марки стали и гибкости элемента конструкции;

i_min - минимальное значение радиуса инерции уголка, м.

Расчетные длины сжатых элементов принимаются согласно СНиП 11-23-81 "Стальные конструкции". Для сжатого пояса l_ef=l_m; для сжатой стойки l_ef=0,8l_c; Для сжатого раскоса l_ef=μ_dl_d (где l_m, l_c, l_d - расстояния между центрами узлов фермы, которые соединяет сжатый элемент; μ_d - коэффициент приведения расчетной длины раскоса, принимается по табл. 15 СНиП И-23-81).

Для сжатых раскосов ригелей жестких поперечин коэффициент приведения длины μ_d во всех случаях можно принимать равным 0,74.

Для верхнего пояса уголок 50X50X5 мм l_m=0,8 м; i_min=0,98•10^-2м; λ=0,80/0,0098=81,6; φ=0,74.

Требуемая площадь поперечного сечения верхнего пояса

Действительная площадь сечения уголка 50X50X5 мм составляет 4,80•10^-4м². В данном случае возможно уменьшение сечения сжатого пояса при коррозии на 25%.

Сжимающее усилие в стойке на приопорном участке

Стойки выполнены из уголка 32X32X4 мм; imin = 0,62•10^-2м, тогда

Действительная площадь сечения некорродированного уголка 32X32X4 мм равна 2,34•10^-4м². Таким образом, уменьшение сечения стоек левого блока ригеля при коррозии вполне допустимо.

Растягивающее усилие в раскосах приопорного участка с учетом геометрии решетки

Требуемая площадь поперечного сечения раскоса

что меньше площади сечения уголка 25X25X4 мм (A=1,86•10^-4м²). В раскосах можно допустить износ до 35%.

Проверим несущую способность правого блока ригеля (блок перевернут). Пояса в нем поменялись местами, раскосы работают на сжатие, а стойки - на растяжение.

Расчетные изгибающие моменты для обоих блоков ригеля одинаковые. Поэтому и расчетные усилия в поясах блоков

Действительная площадь сечения пояса (уголок 50X50X5 мм) равна 4,8•10^-4м². Коррозионное уменьшение сечения нижнего пояса возможно на 15%.

Для сжатого верхнего пояса (уголок 45X45X5 мм) l_m=0,8 м; i_min=0,0088 м, тогда λ=0,80/0,0088=90,9; φ=0,608.

Требуемая площадь сечения верхнего пояса такой гибкости

Действительная площадь сечения пояса 4,29•10^-4м². Несущая способность верхнего пояса достаточна для восприятия расчетных усилий, но коррозионный износ уголка допустить нельзя.

Растягивающее усилие в стойке на правом приопорном участке

Действительная площадь стойки (уголок 32X32X4 мм) составляет 2,43•10^-4м². Запас прочности стоек правого блока по сравнению с левым увеличился. Коррозионный износ его можно допустить.

Действительная площадь сечения раскоса составляет 1,86•10^-4м². Несущая способность правого блока обеспечена, однако сжатые раскосы не имеют запаса прочности и при появлении незначительной коррозии их необходимо усиливать.

Определим, нужно ли усиливать раскосы на среднем участке правого блока. Для этого найдем действующую здесь поперечную силу

Требуемая площадь сечения раскоса на этом участке

Таким образом, усиливать раскосы в правом блоке ригеля необходимо только на приопорном участке, т. е. на участке между опорой В и контактной подвеской крайнего пути.