МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ ГЛАВНЫХ ФЕРМ Приложение 24

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ ГЛАВНЫХ ФЕРМ

 

1. Основные положения

1.1. Настоящие Методические указания предназначены для оценки усталостного ресурса преимущественно растянутых раскосов, подвесок и нижних поясов, клепаных главных ферм с треугольной решеткой, балочных разрезных пролетных строений, изготовленных из углеродистых сталей.

1.2. Усталостный ресурс ¹ – наработка объекта от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние, за которое принято повреждение элемента усталостной трещиной.

Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

Ресурс связывается с вероятностью отказа (предельного состояния). Вероятность отказа оценивается отношением числа поврежденных трещинами элементов к общему числу одинаковых по конструкции элементов при одинаковой наработке.

Остаточный ресурс представляет собой разницу между ресурсом элемента и наработкой к рассматриваемому моменту времени.

Ресурс и наработка определяются либо пропущенным тоннажем, либо повреждением от расчетного поезда.

В Методических указаниях учтена вероятность появления отказов в среднем по сети дорог для групп пролетных строений и для отдельных элементов, изменение основных характеристик усталостной прочности, грузонапряженности и структуры грузопотоков за время эксплуатации мостов.

1.3. В Методических указаниях даны приближенные способы определения ресурса и наработки. Таблицы мер повреждений оставлены для элементов главных ферм с треугольной решеткой, в предположении о практическом отсутствии сил трения между элементами пакета. Таблицы коэффициентов наработки даны в укрупненном виде.

При необходимости расчета ресурса для элементов из низколегированных сталей, других конструктивных форм и условий работы, уточнения расчетов или отражения индивидуальных особенностей пролетных строений следует использовать методики, имеющиеся в научных организациях (см. разд. 3).

2. Оценка ресурса.

2.1. Оценка ресурса раскосов и подвесок производится по величине пропущенного тоннажа.

2.2. Исходной информацией для определения величины пропущенного тоннажа за рассматриваемый период является грузонапряженностью участка на известный год (данные службы пути).

Тоннаж определяется с помощью кривых изменения грузонапряженности А, В и С (рис. П.24.1) по табл. П.24.1.

Если значение грузонапряженности не лежит на кривых и (или) границы рассматриваемого периода не совпадают с приведенными в табл. П.24.1, следует пользоваться линейной интерполяцией и экстраполяцией.

В случае скачкообразного изменения грузонапряженности за период эксплуатации пролетного строения (строительство параллельных дорог, новых веток, вторых путей и т.п.) пропущенный тоннаж определяется как сумма по периодам с плавным изменением грузонапряженности.

 2.3. Вероятность образования трещин в элементах главных ферм пролетных строений определяется с помощью табл. П.24.2 (в подвесках) и табл. П.24.3 (в раскосах) пропорционально значению пропущенного тоннажа.

Исходными данными для определения вероятности являются нормы проектирования конструкции, длина панели, очертание поясов ферм и положение рассматриваемого раскоса.

Приведенные в табл. П.24.2 и П. 24.3 значения пропущенного тоннажа являются средними, т.е. половина соответствующих случаев образования трещин вызвана пропущенным тоннажем, не превосходящим указанной величины.

В табл. П.24.2 и П.24.3 указаны два значения вероятности отказа: по всей совокупности конструкций на сети дорог и по совокупности только тех конструкций, в элементах которых наблюдались трещины.

Принадлежность рассматриваемого пролетного строения к конструкциям, в которых были замечены трещины, определяется по табл. П.24.4. Для этих конструкций величины вероятности отказов, приведенные в табл. П.24.2 и П.24.3 для конструкций с трещинами, следует рассматривать как более точные.

2.4. Если значение пропущенного тоннажа соответствует вероятности отказа элемента 2% и более, следует, руководствуясь физическим состоянием прикрепления, решать задачу об усилении прикрепления или замене конструкции. До выполнения этих мероприятий необходимо установить тщательное наблюдение за узлами прикрепления элементов к верхнему поясу.

Следует учитывать, что лидирующим по отказам являются элементы с односрезными прикреплениями, с признаками расстройства заклепочных соединений и имеющие длину линии влияния до 50 м.

2.5. Для оценки остаточного ресурса в связи с планируемым изменением режима эксплуатации (ввод новых нагрузок), установления очередности появления трещин в элементах пролетного строения, определения эффективности усиления соединения с помощью высокопрочных болтов производится расчет наработки в условных поездах.

2.6. Наработка в условных поездах

, (1)

где - повреждение, вызванное действием одного расчетного поезда; - число поездов i-го типа; - коэффициент наработки, принимаемый по табл. П.24.5 – П.24.8 в зависимости от параметров линии влияния, вида тяги и типа локомотива и вагонов.

Число грузовых поездов за каждый год эксплуатации берется из статической отчетности дорог, форма ЦО-4, раздел М «Показатели использования подвижного состава по поездо-участкам и направлениям». Там же указан процент порожних вагонов от общего, по которому можно определять число порожних поездов. Сведения о числе пассажирских поездов находятся из расписания движения.

В приближенных расчетах для периодов до 1985 г. можно пользоваться табл. П.24.9, в которой число поездов дано нарастающим итогом в единицах грузопотока за 1985 г. С помощью этой таблицы, зная число прошедших по участку поездов за один год эксплуатации, можно определить суммарное число поездов. Процентное содержание порожних, груженых и пассажирских поездов в грузопотоке можно считать неизменным.

Примечания.

1. В таблицах значений коэффициентов наработки , где а – расстояние от вершины положительного участка линии влияния до ее ближайшего конца, l – полная длина линии влияния.

2. Для значений l, выходящих за пределы таблиц, величина принимается по первой или последней строке таблиц.

Наработка за период до 1940 г. определяется по табл. П.24.10. Необходимо учитывать резкие изменения грузопотока в связи со строительством вторых путей или вводом новых линий. Для периода с 1985 г. сведения о числе поездов следует иметь за каждый год эксплуатации.

Повреждение от расчетного поезда

, (2)

где - повреждение, определяемое по табл. П.24.11 в зависимости от напряжений в элементе (п. 2.7 настоящего приложения), теоретического коэффициента концентрации напряжений [формула (1) приложения 10] и отношения (а – расстояние от вершины положительного участка линии влияния до ее ближайшего конца, l – длина линии влияния); - коэффициент, определяемый по рис. П.24.2, учитывающий длину панели d, пролета l и отношение . Для l=20…30 м значения определяются по линейной интерполяции при условии, что =7,5, если l=20 м (для раскосов) и =1, если dм (для подвесок).

2.7. Напряжения в рассматриваемом элементе

, (3)

где - коэффициент условий работы, принимаемый по табл. П.24.12 (для подвесок ); - эквивалентная нагрузка от расчетного поезда, кН/м пути (табл. П.24.13); - динамический коэффициент:

, (4)

- полная длина линии влияния, м; - площадь положительного участка линии влияния, загружаемого временной нагрузкой, м; - площадь поперечного сечения нетто по первому ряду заклепок, см²; - постоянная нагрузка, кН/м; - площадь линии влияния усилия, загружаемая постоянной нагрузкой, м.

 

Таблица П.24.11. Повреждение от действия расчетного поезда для элементов ферм

2.8. Для оценки остаточного ресурса элемента Q_p в связи с планируемым изменением режима эксплуатации (ввод новых нагрузок) следует определить значение наработки для одного и того же тоннажа, перевозимого вводимой нагрузкой и обращающейся. Тогда остаточный ресурс по тоннажу определяется по формуле

2.9. При необходимости уточнения очередности усиления элементов или сравнения ресурса элементов с наработкой того элемента, в котором замечена трещина или расстройство соединения, наработка вычисляется как повреждение от условных поездов.

2.10. Остаточный ресурс существенно увеличивается путем заблаговременного усиления соединений применением высокопрочных болтов и образования болтовых или комбинированных клепано-болтовых соединений.

В табл. П.24.14 даны значения v_{табл. б} повреждений от действия расчетных поездов после усиления высокопрочными болтами. Эти значения определяются в зависимости от величины напряжения и числа условных срезов прикрепления.

Остаточный ресурс клепано-болтового соединения

 

3. Особые случаи расчетов

3.1. В случае появления большого количества трещин до исчерпания расчетного ресурса следует усилить элементы, аналогичные поврежденным, тех пролетных строений, в которых обнаружены трещины, и взять под контроль другие пролетные строения данного типа.

3.2. При решении задач, выходящих за рамки настоящих Методических указаний, например:

расчеты для случая применения других сталей и типов конструкций;

уточнение остаточного ресурса и разработка мероприятий по дальнейшей эксплуатации пролетных строений при массовом образовании трещин до исчерпания расчетного ресурса;

уточнение расчетов с целью отдаления сроков усиления или замены пролетных строений следует обращаться в научные организации, имеющие более строгие методики и научные разработки, развивающиеся по мере накопления данных об отказах и опыта расчетов. С помощью этих методик можно учесть стадийность работы заклепочных соединений и особенности в условиях работы элементов и прикреплений, устанавливать в частных случаях свои критерии по допустимой вероятности отказов, уточнять наработку и остаточный ресурс, применять ЭВМ для массового решения задач о расчетном ресурсе.

При необходимости обращения к научным организациям в дополнение к названной в Методических указаниях информации следует указать марку стали и подготовить материалы о физическом состоянии пролетных строений и результатах испытаний, если они проводились. Поскольку сведения об отказах имеют особое значение, рекомендуется для каждого случая образования трещин составить карточку отказа.

Карточка регистрации отказа

Примечания. 1. Приводится эскиз фермы с указанием длины расчетного пролета, высоты на опоре и в середине пролета, номеров узлов. Определение левой или правой фермы и нумерация узлов ведется по ходу километража.

2. Наружные признаки отмечаются знаком «+».

3. Приводится эскиз прикрепления, включающий состав сечения элемента, положение трещины, детали усиления. Указывается время усиления.

4. Примеры использования методических указаний.

Пример 1. Требуется определить вероятность появления трещин в элементах металлического пролетного строения с треугольной решеткой и параллельными поясами расчетным пролетом l=44,50 м проектировки 1896 г. Длина панели d=4,45 м.

Основные расчетные данные: год введения в эксплуатацию – 1900; грузонапряженность участка на 1985 г. – 31 млн. ткм/км в год; материал конструкции – литое железо. Участок однопутный, резких изменений грузонапряженности за время эксплуатации не было.

Согласно графику на рис. П.24.1 заданное значение грузонапряженности находится между кривыми А и В, ближе к кривой А, по котрой значение грузонапряженности в 1985 г. равно 24 млн. ткм/км в год. Величина пропущенного тоннажа за исследуемый период 1910-1985 гг. определялась по значениям данных табл. П.24.1, графа А, соответствующих 1990, 1980 и 1900 гг.:

млн. т.

Согласно табл. П.24.4 рассматриваемая конструкция принадлежит к группе конструкций, в которых наблюдались трещины в прикреплениях раскосов. В прикреплениях подвесок ферм такого вида трещины, по данным на 1984 г., обнаружены не были.

Вероятность появления трещин в подвесках (см. табл. П.24.2) .

Вероятность появления трещин в преимущественно растянутых раскосах (см. табл. П.24.3):

;

.

В преимущественно растянутых раскосах , вероятность появления трещины превышает величину 2%, следовательно, за местами прикрепления этих элементов к верхнему поясу следует установить тщательное наблюдение до выполнения усиления.

Пример 2. Требуется определить остаточный ресурс элемента (рис. П.24.3) пролетного строения в виде фермы с треугольной решеткой и параллельными поясами расчетным пролетом l=55,10 м проектировки 1907 г. в связи с переходом участка на преимущественно новую нагрузку (габарит Т_ПР с интенсивностью погонной нагрузки 9,5 тс/м). В настоящее время интенсивность погонной нагрузки 7,3 тс/м.

К 1985 г. пропущенный по пролетному строению тоннаж составляет 900 млн. т.

Поскольку известно, что пролетное строение относится к конструкциям, в которых наблюдались трещины (см. табл. П.24.4), вероятность образования трещин в раскосе при .

Рис. П.24.3. Прикрепление раскоса

.

Значение тоннажа, соответствующее вероятности появления трещины 2%, согласно табл. П.24.3.

млн. т.

Длины обращающихся и перспективных поездов приняты одинаковыми – L_П, поэтому исходя из равенства перевозимого тоннажа

,

откуда

.

Остаточный ресурс элемента в связи с планируемым изменением режима эксплуатации при (электровозная тяга) и (см. табл. П.24.5).

млн. т.

Пример 3. Требуется оценить эффективность замены в раскосе (см. пример 2) заклепок на высокопрочные болты.

Исходные данные для определения повреждения: l=55,10 м; =13,12 м; 9,9 м; =36,7 м; =0,1; =34 кН/м пути; =103,12 см².

Напряжения

,

где =1,30 (см. табл. П.24.13) при доле площади поперечного сечения непосредственно прикрепляемого к фасонке ; =81,6 кН/м пути (см. табл. П.24.12); ;

МПа.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений

,

где =1,23 (см. табл. П.10.6) при толщине пакета =20 мм и 6 рядах заклепок с шагом 90 мм; =1,8; =39,5 МПа (см. табл. П.10.3) при ; =0,1; ; см; =2,54 (см. табл. П.10.4) при ; ; ; ;

;

(см. табл. П.24.11) при a/l=0,4;

=0,75 (см. рис. П.24.2)

Повреждения от действия одного расчетного поезда

;

(см. табл. П.24.14).

Ресурс после замены

млн. т,

т.е. остаточный ресурс элемента после замены заклепок на высокопрочные болты увеличится в 14 раз.